基于ANSYS的双曲面斜滚子轴承离合器应力分析

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Stress Analysis of Hyperboloid Bearing Clutch with Skewed RollersBased on ANSYSLi Lei，Sun Dong-hui，Bi Chao(Colege of Mechanical Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 1 10136，China)Abstract：The solid model for the hyperboloid beating clutch with skewed rolers is built with UG under the real three- dimensional contact between roler and race.By importing the model into so'ware ANSYS for loading and solution，the analysis of stress field is carried out.The influence rules of diferent structural parameters on the maximum equiva-lent stress and stress of the clutch are obtained。

Key words：clutch；finite element analysis；equivalent stress；structural parameter双曲面斜滚子轴承离合器是-种靠摩擦力传递力矩的新型离合器，与普通的离合器相比具有结构紧凑、承载能力高、楔紧可靠和寿命长等优点1 J，被应用于工业 自动化、航天等领域，具有广泛的应用前景。

双曲面斜滚子轴承离合器内、外圈与滚子接触的工作面是标准单叶双曲回转面等距曲面 J，滚子与内、外滚道的三维曲线接触问题属于非线性接触问题。由于接触力的大小对离合器的总体性能有着重要影响，因此其接触问题的研究显得尤为重要。文中从双曲面斜滚子轴承离合器工作原理人手，根据滚子与内、外圈接触曲线方程，采用 UG建立内、外圈单叶双曲面等距曲面的三维模型，再导入 ANSYS软件，利用其接触分析的强大收稿日期：2012-06-25；修回日期：2012-08-31作者简介：李蕾(1962-)，女，教授，硕士生导师，主要研究方向为结构优化及产品创新设计、结构强度及可靠性分析。E-mail：lilei-ann###163.com。

功能，旧能真实地模拟离合器工况进行接触分析，以期达到对此种新型离合器的全三维应力分析，同时分析了离合器不同的结构参数对等效应力的影响。

它由内圈、外圈、滚子和保持架组成。滚子轴线系单叶双曲回转面上的-条直线，如图2所示，内、外圈与滚子接触的工作面是标准单叶双曲回转面等距曲面，滚子与内、外圈形成空间曲线接触 J。单叶双曲回转面是由-条直素线(即滚子轴线)绕内、外圈轴线旋转而成4 J。滚子轴线同内、外圈轴线为空间异面直线，空间夹角为 ，在双曲面上截取-部分曲面作为保持架的形状曲面，曲面的形状参数用所截取曲面的轴向位置z表示。

《轴承>2w3.No.2图 1 双 曲面斜滚子轴承 离合 器结构图2 滚子轴线所在单叶双曲面双曲面斜滚子轴承离合器可以是外圈做主动件，内圈做从动件；也可以是内圈做主动件，外圈做从动件。以下分析假设内圈为主动件，外圈为从动件。根据不同的设计参数，工作时分如下两种工况。

离合器工作时，内圈逆时针(从上往下看)转动的同时滚子既绕自身的轴线自转又绕离合器的轴线公转。当施加给内圈-轴向力时，滚子与滚道间将产生法向接触力，由于滚子轴线与滚道轴线有- 空间夹角口，所以滚子在做自转和公转的同时又必将沿着 自身的轴线方向进行滑动，使接触表面产生摩擦力，因而在这种滚滑摩擦状态下产生的摩擦力矩使内圈传递转矩带动外圈转动 J。离合器的楔合或脱开类似于单向超越离合器的超越功能，依靠主、从动部分相对转动速度的变化实现。当外圈转速超越内圈转速时，离合器脱开，内圈和外圈分别以各自的速度转动；否则，离合器楔紧，内圈、外圈和滚子-起转动。

(2)靠自锁控制主动件与从动件的离合。与锥螺纹鹏过程相似，它是以-定螺旋角排列的滚子替代锥螺纹的螺牙 ，滚子在内、外圈滚道上呈右旋排列时，在-定的轴向预紧力下，当内圈在扭矩的作用下逆时针(从上往下看)转动时，由于内、外圈与滚子 3者中只有内圈可沿着轴线方向向上移动，致使内、外圈之间的法向间距减小，当滚子上压力增大到-定程度而楔紧即产生 自锁，此时内、外圈与滚子可看成-体，并以相同的角速度转动，仅通过滑动静摩擦力的作用传递转矩。

与此相反，当内圈相对于外圈顺时针方向转动时，内圈沿轴向向下移动，内、外圈之问法 向间距变大，滚子 自由转动，此时离合器脱开。若滚子在内、外圈滚道中呈左旋排列时，则与上述运动情况相反，内圈顺时针方向转动时离合器楔紧，逆时针方向转动时脱开。文中选取第2种工况，对离合器自锁状态下的接触应力进行数值模拟分析。

2 滚子与内、外圈工作面接触分析2.1 接触对类型分析从材料屈服的角度看，滚子与滚道曲面接触形成的最大 Von Mises等效应力限制了斜滚子离合器所能传递的极限力矩，而斜滚子离合器只有在楔紧状态下方能传递扭矩。研究离合器的接触应力问题，即对楔紧过程中滚子与内、外圈滚道间接触面区域的接触应力及整体 Von Mises等效应力进行分析。在该离合器中，由于滚子与滚道材料的硬度相近，两个接触体都是变形体(假设刚度相同)，故可将问题归结为柔体与柔体的面面接触问题。

2.2 有限元模型的建立及简化在图 1所示 OXYZ坐标系下，滚子与内、外圈接触的三维曲线方程为‰-志 yi ce ± 。s卢-2sin卢，zi c e， ± in zc。s式中：Z为滚子的长度；r为滚子半径；R为滚子中心双曲面颈圆半径；下标 i和e分别表示滚子与内、外圈的接触曲线。

根据接触曲线方程，用UG中的表达式功能建立内、外接触曲线，分别将内、外接触曲线绕离合器的轴线旋转-周即形成内、外圈的工作曲面。

结合所选取的计算模型参数：滚子半径r3 mm，滚子长度 f20 mm，滚子个数 Z 12，内圈孔直径 d45 mm，外圈直径 D 96 mm，滚子轴线与李蕾，等：基于ANSYS的双曲面斜滚子轴承离合器应力分析 ·9·t/mm图 15 最大等效应力随 f的变化曲线z/mm图 l6 最大等效应力随 Z。的变化曲线当 30。，r3 mm，Z20 mm，Z。

l7.5 mm，Z12时，不同的 对应的最大等效应力如图17所示。由图可知，最大等效应力随R的增大而减校R/mm图 17最大等效应力随R的变化曲线当 IB10。，r：3 mm，Z20 mm，Z 17.5 mm，R33 mm时，不同的z对应的最大等效应力如图 18所示。由图可知，最大等效应力随滚子个数z的增加而减校Z，贪图18 最大等效应力随Z的变化曲线4 结束语(1)根据滚子与内、外圈接触的曲线方程，采用 UG建立全三维接触模型，导入 ANSYS对双曲面斜滚子轴承离合器的接触问题进行分析是-种行之有效的分析方法，可为产品结构的数字化设计提供较为实用的方法。

(2)滚子与内、外圈间接触的最大等效应力随和z 增大而增大；随r，R，Z和z的增大而减校(3)在离合器设计时，应综合考虑离合器的强度、离合性能和传动要求等，以降低最大Von Mises等效应力，提高离合器的使用性能，延长其使用寿命。