牛光冉,聂振金,吴 昊,王丹阳
单楔块双向逆止器接触应力仿真分析
牛光冉,聂振金,吴 昊,王丹阳
(北京精密机电控制设备研究所,北京,100076)
为了减少卡滞现象,设计一种单楔块双向逆止器并列举两种实例进行自锁分析。采用PROE软件建立了两种单楔块双向逆止器的三维模型。通过ANSYS有限元分析进一步验证楔块的自锁性,研究表明:楔块自锁的理论计算结果与有限元分析结果具有较好的一致性,设计的此种单楔块双向逆止器具有一定的自锁能力。
单楔块;双向逆止器;自锁分析;有限元分析
双向逆止器是机械传动的常见部件,与单向逆止器的不同是:顺、逆时针两个方向的转动和锁死都可实现[1,2]。与传统的棘轮逆止器相比,双向逆止器能实现双向传动和无级调节;与双向滚柱式、双向滑块式逆止器相比,可减少卡滞现象。单向逆止器一般应用在石油、矿山、建筑等大型机械设备中,而双向逆止器在新能源汽车、地铁以及航空航天武器中得到日益广泛的应用。
本文对单楔块双向逆止器关键零件楔块进行自锁研究,设计一种楔块并进行理论分析及仿真验证。
单楔块双向逆止器的结构如图1所示,由主动轴、从动轴、楔块和外壳组成。主动轴和从动轴之间通过楔块连接。逆止器通过平键与主动、从动轴连接,外壳固定不动,主动轴的顺、逆时针转动可带动从动轴两个方向转动;相反,在从动轴方向施加一定转矩,并不能使主动轴转动。由此实现主动端可双向传动、从动端的双向锁死功能。由于特殊的结构,单楔块双向逆止器一般与滚珠丝杠一起使用,实现双向传动或锁紧[3,4]。
图1 单楔块双向逆止器的结构
e)总几何关系
续图2
由几何关系知:
在△ANQ中:
在△中:
解得:
满足楔块自锁的条件是:
设计一种楔块,楔块两侧与逆止器外壳相切,如图3所示。根据设计思路,示例两种楔块,如图4所示,通过理论计算验证两种楔块是否均满足自锁。
图3 楔块形状简图
图4 两种楔块
外壳内径=17.5 mm,=7 mm,=20 N·m,计算此时点的楔角。
a)楔块1自锁计算。
b)楔块2自锁计算。
为方便研究楔块和外壳的接触状况,作如下简化:a)楔块与外壳之间的接触符合库仑摩擦定律;b)忽略高温对零件造成的热变形影响;c)对结果没有太大影响的几何体包括:倒角、圆角等不考虑。
a)几何建模。用 PROE软件建立两种单楔块双向逆止器的几何模型,然后转化为x_t格式导入ANSYS,如图5所示。
图5 单楔块双向逆止器的三维模型
b)模型简化。本文对楔块和外壳的接触状况进行仿真分析。为了节约计算资源,忽略卡簧、轴承、垫片、主动轴及从动轴等非主要接触部件。
c)网格划分。楔块采用多区域网格划分,外壳采用Face meshing网格划分,增加关注区域的网格密度。如图6所示。楔块1共生成40 451个节点和7904个单元,楔块2共生成37 900个节点和7364个单元[6~10]。
图6 单楔块双向逆止器有限元分析模型
d)材料数据。单楔块双向逆止器中楔块和外壳的材料为GCr15,材料参数特性见表1。
表1 单楔块双向逆止器材料参数特性
Tab 1. Material Parameter Characteristics for Single Wedge Bi-directional Reverse-locking Clutch
参数数值 GCr15 温度/℃28~150 弹性模量E/GPa212~206 屈服极限/MPa1665~1815
e)载荷数据。设定单楔块双向逆止器的逆止力矩为20 N·m。将其转化为力1=2626 N,2=2691 N。
f)接触的定义和设置。楔块和外壳的接触为摩擦接触。其中楔块为接触面,外壳为目标面,摩擦系数为0.1。
经ANSYS计算得到楔块1、楔块2与外壳的接触应力,分别如图7、图8所示。
图7 外壳和楔块1的等效应力
图8 外壳和楔块2的等效应力
楔块1、楔块2与外壳的接触应力计算值如表2所示。
表2 楔块和外壳接触应力
Tab 2. Contact Stress between Wedge and Outer Casing
位置外壳楔块1外壳楔块2 等效应力/MPa315.271798.4220.821581
表2表明,GCr15材料的最大屈服应力为 3300 MPa,是楔块1接触应力1798.4 MPa的1.84倍;是楔块2触应力1581 MPa的2.1倍,因此两种楔块的接触应力均在安全应力范围之内。
由Force reaction得到楔块与外壳接触区域、点的作用力,如表3所示。
表3 接触区域作用力
Tab.3 Force Reaction in the Contact Area
位置作用力t=0.1st=0.2st=0.3st=0.4st=0.5st=0.6st=0.7st=0.8st=0.9st=1s 楔块1Ax轴/N1250.11250.71250.71250.81250.91250.91250.91250.91250.91250.9 y轴/N-3920.5-3945.1-3944.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6-3945.6 z轴/N0.196920.207770.20960.221760.222320.222310.222320.222310.22230.22231 总作用力/N41154138.64138.24139.14139.14139.14139.14139.14139.14139.1 Bx轴/N1375.81375.31375.21375.21375.11375.11375.11375.11375.11375.1 y轴/N4314.94340.34339.94341.14341.14341.14341.14341.14341.14341.1 z轴/N0.109488.97×10-28.90×10-28.43×10-28.19×10-28.20×10-28.20×10-28.20×10-28.20×10-28.19×10-2 总作用力/N45294552.94552.54553.74553.74553.74553.74553.74553.74553.7 楔块2Ax轴/N1265.91266.51266.61266.71266.71266.71266.71266.71266.71266.7 y轴/N-3710.4-3730.2-3729.8-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3-3730.3 z轴/N0.511180.554180.557120.570950.570960.570970.570960.570960.570960.57097 总作用力/N3920.43939.43938.93939.53939.53939.53939.53939.53939.53939.5
续表3
位置作用力t=0.1st=0.2st=0.3st=0.4st=0.5st=0.6st=0.7st=0.8st=0.9st=1s 楔块2Bx轴/N14251424.41424.41424.31424.31424.31424.31424.31424.31424.3 y轴/N4162.64183.24182.84183.54183.54183.54183.54183.54183.54183.5 z轴/N1.19841.24321.24671.2631.26391.26391.26391.26391.26391.2639 总作用力/N4399.744194418.64419.34419.34419.34419.34419.34419.34419.3
以单楔块双向逆止器的楔块为研究对象,分析自锁原理并用ANSYS进行仿真验证,得到以下结论:
a)设计的单楔块双向逆止器具有一定的自锁能力;
b)列举两种尺寸的楔块证明此种逆止器具有设计余量,在容差允许范围内均能自锁。
[1] 成大仙. 机械设计手册(第五版)[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.
Cheng Daxian. Mechanical design manual (Fifth Edition)[M]. Beijing: China Machine Press, 2008.
[2] 王野梁, 赛芳. 一种非标型双向楔块超越离合器[J]. 石油矿场机械, 2011, 40(01): 57-59.
Wang Yeliang, Sai Fang. Non-standard bidirectional overrunning clutch with wedge-block[J]. Oil Field Equipment, 2011, 40(01): 57-59.
[3] 廖胜军, 侯洪为. 一种双向楔块逆止器的设计与应用[J]. 内蒙古石油化工, 2013, 39(06): 12-14.
Liao Shengjun, Hou Hongwei. Design and application of a two-way wedge backstop[J]. Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2013, 39(06): 12-14.
[4] 高娜, 马孔伟, 袁晔, 许绍德, 张健. 一种非标双向逆止器在升降机中的应用[J]. 机械研究与应用, 2016, 29(01): 156-157, 160.
Gao Na, Ma Kongwei, Yuan Ye, Xu Shaode, Zhang Jian. Applciation of a non-standard double direction backstop in architectural elevator[J]. Mechanical Research & Application, 2016, 29(01): 156-157, 160.
[5] 崔希海, 等. 反传动双向逆止器的设计与分析[J]. 机械设计与制造, 2009(1): 23-24.
Cui Xihai, et al. The design and analysis of anti-transmission double way brake[J]. Machinery Design & Manufacture, 2009(1): 23-24.
[6] 黄华星, 刘莹, 权英华, 黄靖远. 超越离合器自锁本质辨析[J]. 机械传动, 2007(01): 55-57, 78.
Huang Huaxing, Liu Ying, Quan Yinghua, Huang Jingyuan. Analysis of self-locking of overrunning clutch[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2007(01): 55-57, 78.
[7] 吴海康, 钟再敏, 余卓平, 王心坚. 新型混合动力车用电动离合器执行机构的设计[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2014, 42(09): 114-121.
Wu Haikang, Zhong Zaimin, Yu Zhuoping, Wang Xinjian. Design of a novel electric clutch actuator for hybrid vehicles[J]. Journal of South China University of Technology(natural science edition), 2014, 42(09): 114-121.
[8] 魏效玲, 宋明晟, 贾国平, 高玉林. 基于ANSYS Workbench的角接触球轴承接触特性分析[J]. 机床与液压, 2018, 46(13): 121-124.
Wei Xiaoling, Song Mingsheng, Jia Guoping, Gao Yulin. Analysis of contact characteristics of angular contact ball bearings based on ANSYS Workbench[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2018, 46(13): 121-124.
[9] 瞿珏, 王崴, 韩华亭, 刘晓卫. 基于ANSYS的高速角接触球轴承接触分析[J]. 机械设计与制造, 2016(08): 61-64.
Qu Yu, Wang Wei, Han Huating, Liu Xiaowei. Study on contact analysis of high angular contact ball bearings based on ansys[J]. Mechanical Design and Manufacturing, 2016(08): 61-64.
[10] 严宏志, 杨兵, 胡魁贤, 谭援强. 不同摩擦条件对强制连续约束型离合器工作性能的影响[J]. 机械工程学报, 2010, 46(17): 86-92.
Yan Hongzhi, Yang Bing, Hu Kuixian, Tan Yuanqiang. Working performance analysis of positive-continuous-engagement type clutch in different friction conditions[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(17): 86-92.
Contact Stress Simulation and Analysis of Single Wedge Bi-Directional Reverse-Locking Clutch
Niu Guang-Ran, Nie Zhen-Jin, Wu Hao, Wang Dan-yang
(Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)
In order to reduce the stuck phenomenon, a single wedge bi-directional reverse-locking clutch is designed and two examples are listed for self-locking analysis. Three-dimensional models of two single wedge bi-directional reverse-locking clutches are established by PROE software. The ANSYS finite element analysis is used to further verify the self-locking of the wedge. Research shows that the theoretical calculation results of self-locking of the wedge are in good agreement with the results of finite element analysis. This kind of single wedge bi-directional reverse-locking clutch has a certain self-locking ability.
single wedge; bi-directional reverse-locking clutch; self-locking analysis; finite element analysis
TH133.4
A
1004-7182(2020)01-0078-05
10.7654/j.issn.1004-7182.20200114
2019-09-25;
2019-12-06
牛光冉(1995-),女,硕士研究生,主要研究方向为机电伺服系统设计。
聂振金(1973-),男,研究员,主要研究方向为机电伺服系统。
吴 昊(1986-),男,高级工程师,主要研究方向为机电伺服系统。
王丹阳(1993-),女,工程师,主要研究方向为机电伺服系统。