船用同步離合器棘輪棘爪碰撞問(wèn)題的仿真分析

船用同步離合器棘輪棘爪碰撞問(wèn)題的仿真分析上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院劉永文沈小剛董喆淵摘要自動(dòng)同步離合器是艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置中應(yīng)用最廣泛的同步離合器，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)是其中的關(guān)鍵部件。棘輪和棘爪不同轉(zhuǎn)速下的碰撞接觸提供了同步轉(zhuǎn)速感受和齒形離合器在接合和脫離的軸向力。對(duì)其中的棘輪和棘爪的瞬態(tài)工作進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究提供充分的依據(jù)。本文結(jié)合接觸問(wèn)題的一般求解方法，介紹了利用MSC.Dytran對(duì)自動(dòng)同步離合器中棘輪和棘爪碰撞接觸進(jìn)行仿真分析的過(guò)程。關(guān)鍵詞：自動(dòng)同步離合器碰撞仿真前言同步離合器是艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置中特有的，幾乎是必不可少的一種主離合器。它通常裝在加速機(jī)一側(cè)，但巡航機(jī)一側(cè)有時(shí)也使用它，供加速機(jī)或巡航機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)之間的結(jié)合和脫離之用。自動(dòng)同步離合器（Synchronizing-Self-ShiftClutch，簡(jiǎn)稱S.S.S離合器）為是目前應(yīng)用最廣泛的同步離合器，其同步機(jī)構(gòu)由爪棘機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)兩者結(jié)合而成。爪棘機(jī)構(gòu)起著同步轉(zhuǎn)速感受器的作用，而螺旋機(jī)構(gòu)則提供齒形離合器在接合和脫離時(shí)所需的軸向位移。當(dāng)輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)同步點(diǎn)時(shí)，由爪棘機(jī)構(gòu)推動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使齒形離合器自動(dòng)結(jié)合。如有一個(gè)反向扭矩，離合器就開始自動(dòng)脫離。這種離合器的接合和脫離完全自動(dòng)的，不依賴于伺服機(jī)構(gòu)或控制連鎖，因而工作非?？煽浚?］。在自動(dòng)同步離合器中，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)是一個(gè)十分關(guān)鍵的部件。棘輪和棘爪在不同轉(zhuǎn)速下的碰撞接觸提供了同步離合器輸入、輸出端同步感受，以及驅(qū)使螺旋花鍵套滑移所需要的扭矩。棘輪和棘爪較大的轉(zhuǎn)速差可以加快自動(dòng)同步離合器的結(jié)合和脫離過(guò)程，但同時(shí)又直接影響嚙合轉(zhuǎn)換的過(guò)程的工作可靠性。因此，有必要對(duì)其中的棘輪和棘爪的瞬態(tài)工作進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究提供充分的理論依據(jù)。碰撞問(wèn)題的非線性瞬態(tài)分析方法碰撞問(wèn)題可以采用解析法或數(shù)值解法。解析法只能用于幾何形狀規(guī)則的問(wèn)題，應(yīng)用場(chǎng)合有限。數(shù)值解法是將連續(xù)的空間域進(jìn)行離散，把微分方程轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程。對(duì)于瞬態(tài)問(wèn)題，還需要在時(shí)間域進(jìn)行離散?？臻g域離散的方法包括有限差分法、有限元法、邊界元法、控制容積法等。時(shí)間域離散一般采用時(shí)間積分法。目前最廣泛采用的有限元法是一種拉格朗日方法，各個(gè)結(jié)點(diǎn)固定在分析對(duì)象上，通過(guò)連接有關(guān)結(jié)點(diǎn)形成單元，再由單元組成網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)分析對(duì)象變形時(shí)，結(jié)點(diǎn)移動(dòng)，單元也隨之變形。對(duì)于碰撞問(wèn)題，參與碰撞的部分在碰撞過(guò)程中邊界條件發(fā)生改變，成為非線性問(wèn)題。關(guān)于碰撞問(wèn)題，或者更一般的接觸的計(jì)算方法，可以參考相關(guān)的專著［2］。這里將結(jié)合使用的MSC.Dytran軟件進(jìn)行討論。由于碰撞過(guò)程中接觸面難以預(yù)測(cè)，檢測(cè)接觸的算法非常重要。當(dāng)采用數(shù)值解法時(shí)，在一定范圍內(nèi)每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)或加載步長(zhǎng)都需要進(jìn)行接觸搜索，再考慮可能接觸的單元數(shù)，搜索的計(jì)算量可能會(huì)很大。接觸搜索一般可以分為兩個(gè)階段，第一階段是空間搜索，確定可能發(fā)生接觸的區(qū)域；第二個(gè)階段是接觸檢測(cè)，在上一階段確定的區(qū)域內(nèi)確定發(fā)生接觸的結(jié)點(diǎn)和單元。根據(jù)接觸過(guò)程中結(jié)點(diǎn)和另外一個(gè)表面之間的相對(duì)位移范圍，可以將接觸問(wèn)題分為小變形和大變形兩類。對(duì)于小變形問(wèn)題，兩個(gè)表面的結(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位移都在較小范圍，檢測(cè)問(wèn)題變?yōu)榻Y(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)之間的問(wèn)題。而對(duì)于大變形問(wèn)題，其中一個(gè)表面（成為從表面）的結(jié)點(diǎn)，相對(duì)于另外一個(gè)表面（主表面）的位移在較大的范圍，檢測(cè)問(wèn)題變?yōu)榻Y(jié)點(diǎn)和一段表面之間的問(wèn)題。所以，檢測(cè)方法是不對(duì)稱，即只檢查從表面上的結(jié)點(diǎn)是否與主表面接觸。MSC.Dytran軟件采用的算法將第一階段的任務(wù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，要求用戶確定可能發(fā)生接觸的表面，每個(gè)表面由若干個(gè)面段組成。用戶最多定義兩個(gè)接觸面。MSC.Dytran軟件允許兩個(gè)接觸表面都是變形的。在第二階段，對(duì)于每個(gè)從結(jié)點(diǎn)，搜索主表面上的臨近結(jié)點(diǎn)，并通過(guò)投影算法確定接觸區(qū)域。接觸過(guò)程的約束屬于不定式約束，其常用的解法包括拉格朗日乘子法和罰函數(shù)法等。MSC.Dytran軟件采用了罰函數(shù)法，其懲罰因子相當(dāng)于在結(jié)點(diǎn)和接觸面之間的虛擬彈簧的剛度。棘輪棘爪的有限元模型棘輪和棘爪的實(shí)體建模采用PRO/E軟件。由于棘輪棘爪機(jī)構(gòu)十分的復(fù)雜，所以在建立模型時(shí)作了必要的簡(jiǎn)化。零件中無(wú)關(guān)緊要的機(jī)構(gòu)，如小的倒角等予以簡(jiǎn)化。在建立棘輪模型的過(guò)程中，棘輪齒的型線均用直線代替，而棘爪用同一平面內(nèi)的不規(guī)則體來(lái)代替。在建立多體模型時(shí)，坐標(biāo)系的選取對(duì)建立模型的力學(xué)方程的難易程度有著很大的影響。因此，在建立實(shí)體模型時(shí)，主要從建立模型的方便性考慮，采用笛卡兒坐標(biāo)系。然后以Parasolid格式導(dǎo)入到MSC.Dytran的前處理軟件MSC.Patran平臺(tái)中，同時(shí)為了方便研究碰撞問(wèn)題，在該平臺(tái)下在棘輪的圓心和所研究的棘齒處建立兩個(gè)相對(duì)笛卡兒坐標(biāo)系和一個(gè)柱坐標(biāo)系棘輪和棘爪的有限元模型采用六面體單元，其生成方法是先在面上劃分四邊形單元，然后在面的垂直方向掃掠生成六面體網(wǎng)格。在所研究的棘輪齒和棘爪碰撞的端面上撒點(diǎn)要密集，棘輪齒的接觸端面是3X6的撒點(diǎn)，棘爪接觸端面是7X6的撒點(diǎn)。棘輪棘爪實(shí)體模型的單元數(shù)為4098個(gè)。對(duì)于瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)的有限元數(shù)值模擬，在接觸面二維的情況下，四節(jié)點(diǎn)常應(yīng)變單元被廣泛引應(yīng)用，因?yàn)橛捎诜e分點(diǎn)的數(shù)目少?gòu)亩行У販p少了計(jì)算時(shí)間，而且它能防止在不可壓材料計(jì)算過(guò)程中的所謂Locking效應(yīng)。但同時(shí)，這一類單元在模擬材料動(dòng)力學(xué)過(guò)程時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象，它是一種由單元狀態(tài)所決定的，在合適的外載荷條件下無(wú)控制發(fā)展的變形模態(tài)，由于它在每個(gè)單元的中心處并不引起變形，因此常規(guī)的四節(jié)點(diǎn)算法無(wú)法發(fā)現(xiàn)它，也就無(wú)從加以控制，從而破壞數(shù)值模擬的結(jié)果。所以采用了DYTRAN中的人工粘性的方法抑制沙漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)定剛度阻尼，將沙漏抑制參數(shù)為0.1，讓它保證計(jì)算的穩(wěn)定性。棘輪棘爪的有限元模型如圖1所示。圖1棘輪棘爪的有限元模型根據(jù)仿真的工況不同，模型的初始位置定義為棘爪和棘輪齒在相對(duì)坐標(biāo)下的距離分別是0.5mm和6mm兩種狀態(tài)。將棘輪的內(nèi)表面依據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行相應(yīng)的約束，以圓心坐標(biāo)為基準(zhǔn)六個(gè)自由度，位移量X—y平面自由，z方向約束為0,轉(zhuǎn)動(dòng)量在z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由，x和y軸方向保持約束。同時(shí)在圓心處再建立一個(gè)柱坐標(biāo)，設(shè)定徑向R方向約束為0,這就保證了棘輪在碰撞后繞著圓心發(fā)生相對(duì)位移。用RotationBoundary賦予了棘爪強(qiáng)迫速度，在相對(duì)位置為0.5mm時(shí)，給棘爪的所有節(jié)點(diǎn)施加10r/min—50r/min不同的差動(dòng)角速度，以棘輪中心為圓心。在相對(duì)位置為6mm時(shí)，給棘爪的所有節(jié)點(diǎn)施加60r/min—100r/min不同的差動(dòng)角速度，以便在不同工況下進(jìn)行碰撞分析和比較，并找出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。把棘輪端面定義為主表面，棘爪的接觸端面為從表面。如前所述，棘爪（從表面）的網(wǎng)格必須總是比棘輪齒（主表面）網(wǎng)格細(xì)，以避免發(fā)生未檢測(cè)出的穿透。根據(jù)分析需要，建立的模型定義了兩種材料模式，一種是彈性材料DMATEL，定義的時(shí)候填寫參考密度和4個(gè)彈性常數(shù)，即楊氏模量E,泊松比“、體積模量K及剪切模量G中的兩個(gè)；另外一種是彈塑性材料DMATEP,增加了定義Johnson-Cook屈服模式，并用最大等效塑性應(yīng)變失效模式定義材料的失效。棘輪棘爪碰撞過(guò)程的仿真分析在設(shè)置了結(jié)果輸出參數(shù)后，提交MSC.Dytran進(jìn)行了計(jì)算。由于MSC.Dytran在時(shí)間域采用顯式積分算法，需要小時(shí)間步長(zhǎng)保證計(jì)算的穩(wěn)定性。由于篇幅所限，這里沒(méi)有給出位移云圖、應(yīng)力云圖等仿真結(jié)果。在棘輪和棘爪碰撞的過(guò)程是一個(gè)從相互逼近到接觸碰撞再到相互分開的瞬態(tài)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中碰撞力隨著接觸的深入變化而發(fā)生變化，在這里重點(diǎn)研究的是接觸過(guò)程中最大碰撞力的大小。不同差動(dòng)角速度下棘輪和棘爪初始接觸瞬間的最大碰撞應(yīng)力與差動(dòng)角速度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。圖2不同差動(dòng)角速度下最大碰撞應(yīng)力將材料模式設(shè)為彈塑性材料時(shí)，可以分析棘爪在極限工況下的破壞現(xiàn)象，觀察破壞部位。MSC.Dytran提供了自適應(yīng)接觸算法，自適應(yīng)接觸是兩個(gè)(主、從)表面接觸的一種特殊形式。在這種類型的接觸中，當(dāng)接觸面上的單元因承受過(guò)大的應(yīng)變而發(fā)生破壞時(shí)，這些單元將被從接觸面中去除。這樣可以保證在仿真過(guò)程中，棘輪和棘爪在發(fā)生局部破壞的情況下依然存在正確的接觸關(guān)系。從差動(dòng)轉(zhuǎn)速100r/min開始逐漸提高差動(dòng)轉(zhuǎn)速，觀察棘輪和棘爪的碰撞云圖。根據(jù)機(jī)械手冊(cè)在碰撞時(shí)取工況的使用系數(shù)K=1.5，當(dāng)差動(dòng)角速度在120r/min左右，碰撞應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，棘爪會(huì)出現(xiàn)有效屈服變形和相應(yīng)結(jié)構(gòu)破壞。而文獻(xiàn)[4]中燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)離合器設(shè)計(jì)所允許的差動(dòng)角速度為100r/min，這證明了碰撞分析的合理性。結(jié)論自動(dòng)同步離合器中棘輪和棘爪結(jié)合的過(guò)程是非線性瞬態(tài)過(guò)程，采用接觸問(wèn)題的數(shù)值解法，可以微觀的角度仿真分析棘輪和棘爪的彈性變形和塑性變形。本文利用MSC.Dytran仿真了在不同差動(dòng)角速度下碰撞的瞬態(tài)過(guò)程，得到了位移、應(yīng)力結(jié)果。分析結(jié)果表明，在差動(dòng)角速度為120r/min左右棘輪和棘爪之間碰撞力會(huì)超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度而出現(xiàn)破壞失效。參考文獻(xiàn)朱樹文.船舶動(dòng)力裝置原