船用同步离合器棘轮棘爪碰撞问题的仿真分析

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1、1船用同步离合器棘轮棘爪碰撞问题的仿真分析船用同步离合器棘轮棘爪碰撞问题的仿真分析上海交通大学机械与动力学院 刘永文 沈小刚 董喆渊摘要摘要自动同步离合器是舰船联合动力装置中应用最广泛的同步离合器，棘轮棘爪机构是其中的关键部件。棘轮和棘爪不同转速下的碰撞接触提供了同步转速感受和齿形离合器在接合和脱离的轴向力。对其中的棘轮和棘爪的瞬态工作进行动力学分析，可以为结构设计及试验研究提供充分的依据。本文结合接触问题的一般求解方法，介绍了利用 MSC.Dytran 对自动同步离合器中棘轮和棘爪碰撞接触进行仿真分析的过程。关键词：关键词：自动同步离合器 碰撞 仿真1 1 前言前言 同步离合器是舰船联合动力

2、装置中特有的，几乎是必不可少的一种主离合器。它通常 装在加速机一侧，但巡航机一侧有时也使用它，供加速机或巡航机和推进系统之间的结合 和脱离之用。自动同步离合器(Synchronizing-Self-Shift Clutch，简称 S.S.S 离合器)为是目前 应用最广泛的同步离合器，其同步机构由爪棘机构和螺旋机构两者结合而成。爪棘机构起 着同步转速感受器的作用，而螺旋机构则提供齿形离合器在接合和脱离时所需的轴向位移。 当输入轴和输出轴的转速经过同步点时，由爪棘机构推动螺旋机构运动，使齿形离合器自 动结合。如有一个反向扭矩，离合器就开始自动脱离。这种离合器的接合和脱离完全自动 的，不依赖于伺服机

3、构或控制连锁，因而工作非常可靠1。 在自动同步离合器中，棘轮棘爪机构是一个十分关键的部件。棘轮和棘爪在不同转速 下的碰撞接触提供了同步离合器输入、输出端同步感受，以及驱使螺旋花键套滑移所需要 的扭矩。棘轮和棘爪较大的转速差可以加快自动同步离合器的结合和脱离过程，但同时又 直接影响啮合转换的过程的工作可靠性。因此，有必要对其中的棘轮和棘爪的瞬态工作进 行动力学分析，为其结构设计及试验研究提供充分的理论依据。2 2 碰撞问题的非线性瞬态分析方法碰撞问题的非线性瞬态分析方法 碰撞问题可以采用解析法或数值解法。解析法只能用于几何形状规则的问题，应用场 合有限。数值解法是将连续的空间域进行离散，把微分方

4、程转换成代数方程。对于瞬态问 题，还需要在时间域进行离散。空间域离散的方法包括有限差分法、有限元法、边界元法、 控制容积法等。时间域离散一般采用时间积分法。 目前最广泛采用的有限元法是一种拉格朗日方法，各个结点固定在分析对象上，通过 连接有关结点形成单元，再由单元组成网络。当分析对象变形时，结点移动，单元也随之 变形。对于碰撞问题，参与碰撞的部分在碰撞过程中边界条件发生改变，成为非线性问题。 关于碰撞问题，或者更一般的接触的计算方法，可以参考相关的专著2。这里将结合使用 的 MSC.Dytran 软件进行讨论。 由于碰撞过程中接触面难以预测，检测接触的算法非常重要。当采用数值解法时，在 一定范

5、围内每个时间步长或加载步长都需要进行接触搜索，再考虑可能接触的单元数，搜 索的计算量可能会很大。接触搜索一般可以分为两个阶段，第一阶段是空间搜索，确定可 能发生接触的区域；第二个阶段是接触检测，在上一阶段确定的区域内确定发生接触的结 点和单元。根据接触过程中结点和另外一个表面之间的相对位移范围，可以将接触问题分 为小变形和大变形两类。对于小变形问题，两个表面的结点之间的相对位移都在较小范围， 检测问题变为结点和结点之间的问题。而对于大变形问题，其中一个表面（成为从表面）2的结点，相对于另外一个表面（主表面）的位移在较大的范围，检测问题变为结点和一段 表面之间的问题。所以，检测方法是不对称，即只

6、检查从表面上的结点是否与主表面接触。MSC.Dytran 软件采用的算法将第一阶段的任务进行了简化，要求用户确定可能发生 接触的表面，每个表面由若干个面段组成。用户最多定义两个接触面。 MSC.Dytran 软件允许两个接触表面都是变形的。在第二阶段，对于每个从结点，搜 索主表面上的临近结点，并通过投影算法确定接触区域。 接触过程的约束属于不定式约束，其常用的解法包括拉格朗日乘子法和罚函数法等。 MSC.Dytran 软件采用了罚函数法，其惩罚因子相当于在结点和接触面之间的虚拟弹簧的刚 度。3 3 棘轮棘爪的有限元模型棘轮棘爪的有限元模型 棘轮和棘爪的实体建模采用 PRO/E 软件。由于棘轮棘

7、爪机构十分的复杂，所以在建 立模型时作了必要的简化。零件中无关紧要的机构，如小的倒角等予以简化。在建立棘轮 模型的过程中，棘轮齿的型线均用直线代替，而棘爪用同一平面内的不规则体来代替。在 建立多体模型时，坐标系的选取对建立模型的力学方程的难易程度有着很大的影响。因此， 在建立实体模型时，主要从建立模型的方便性考虑，采用笛卡儿坐标系。然后以 Parasolid 格式导入到 MSC.Dytran 的前处理软件 MSC.Patran 平台中，同时为了方便研究碰撞问题， 在该平台下在棘轮的圆心和所研究的棘齿处建立两个相对笛卡儿坐标系和一个柱坐标系 棘轮和棘爪的有限元模型采用六面体单元，其生成方法是先在

8、面上划分四边形单元， 然后在面的垂直方向扫掠生成六面体网格。在所研究的棘轮齿和棘爪碰撞的端面上撒点要 密集，棘轮齿的接触端面是 36 的撒点，棘爪接触端面是 76 的撒点。棘轮棘爪实体模 型的单元数为 4098 个。对于瞬态冲击动力学的有限元数值模拟，在接触面二维的情况下， 四节点常应变单元被广泛引应用，因为由于积分点的数目少从而有效地减少了计算时间， 而且它能防止在不可压材料计算过程中的所谓 Locking 效应。但同时，这一类单元在模拟 材料动力学过程时，也会出现沙漏现象，它是一种由单元状态所决定的，在合适的外载荷 条件下无控制发展的变形模态，由于它在每个单元的中心处并不引起变形，因此常规

9、的四 节点算法无法发现它，也就无从加以控制，从而破坏数值模拟的结果。所以采用了 DYTRAN 中的人工粘性的方法抑制沙漏现象的出现，设定刚度阻尼，将沙漏抑制参数为 0.1，让它保证计算的稳定性。棘轮棘爪的有限元模型如图 1 所示。3图 1 棘轮棘爪的有限元模型根据仿真的工况不同，模型的初始位置定义为棘爪和棘轮齿在相对坐标下的距离分别 是 0.5mm 和 6mm 两种状态。将棘轮的内表面依据实际工况进行相应的约束，以圆心坐标 为基准六个自由度，位移量 xy 平面自由，z 方向约束为 0，转动量在 z 轴方向转动自由， x 和 y 轴方向保持约束。 同时在圆心处再建立一个柱坐标，设定径向 R 方向

10、约束为 0,这就 保证了棘轮在碰撞后绕着圆心发生相对位移。 用 Rotation Boundary 赋予了棘爪强迫速度，在相对位置为 0.5mm 时，给棘爪的所有 节点施加 10r/min50 r/min 不同的差动角速度，以棘轮中心为圆心。在相对位置为 6mm 时，给棘爪的所有节点施加 60 r/min100 r/min 不同的差动角速度，以便在不同工况下进 行碰撞分析和比较，并找出相应的运动规律。 把棘轮端面定义为主表面，棘爪的接触端面为从表面。如前所述，棘爪（从表面）的 网格必须总是比棘轮齿（主表面）网格细，以避免发生未检测出的穿透。 根据分析需要，建立的模型定义了两种材料模式，一种是弹

11、性材料 DMATEL，定义 的时候填写参考密度和 4 个弹性常数，即杨氏模量 E，泊松比 、体积模量 K 及剪切模量 G 中的两个；另外一种是弹塑性材料 DMATEP，增加了定义 Johnson-Cook 屈服模式，并 用最大等效塑性应变失效模式定义材料的失效。4 4 棘轮棘爪碰撞过程的仿真分析棘轮棘爪碰撞过程的仿真分析 在设置了结果输出参数后，提交 MSC.Dytran 进行了计算。由于 MSC.Dytran 在时间 域 采用显式积分算法，需要小时间步长保证计算的稳定性。 由于篇幅所限，这里没有给出位移云图、应力云图等仿真结果。在棘轮和棘爪碰撞的 过程是一个从相互逼近到接触碰撞再到相互分开的

12、瞬态过程，在这个过程中碰撞力随着接 触的深入变化而发生变化，在这里重点研究的是接触过程中最大碰撞力的大小。不同差动 角速度下棘轮和棘爪初始接触瞬间的最大碰撞应力与差动角速度之间的关系曲线，如图 2 所示。4图 2 不同差动角速度下最大碰撞应力将材料模式设为弹塑性材料时，可以分析棘爪在极限工况下的破坏现象，观察破坏部 位。MSC.Dytran 提供了自适应接触算法，自适应接触是两个（主、从）表面接触的一种特殊形式。在这种类型的接触中，当接触面上的单元因承受过大的应变而发生破坏时，这些 单元将被从接触面中去除。这样可以保证在仿真过程中，棘轮和棘爪在发生局部破坏的情 况下依然存在正确的接触关系。从差

13、动转速100 r/min开始逐渐提高差动转速，观察棘轮和棘爪的碰撞云图。根据机 械手册在碰撞时取工况的使用系数 K=1.5，当差动角速度在 120 r/min 左右，碰撞应力超过了材料的屈服强度，棘爪会出现有效屈服变形和相应结构破坏。而文献4中燃气轮机自动 离合器设计所允许的差动角速度为 100r/min，这证明了碰撞分析的合理性。5 5 结论结论 自动同步离合器中棘轮和棘爪结合的过程是非线性瞬态过程，采用接触问题的数值解 法，可以微观的角度仿真分析棘轮和棘爪的弹性变形和塑性变形。本文利用 MSC.Dytran 仿真了在不同差动角速度下碰撞的瞬态过程，得到了位移、应力结果。分析结果表明，在 差动角速度为 120r/min 左右棘轮和棘爪之间碰撞力会超过材料的屈服强度而出现破坏失效。参考文献参考文献 1 朱树文. 船舶动力装置原理与设计. 国防工业出版社，1980：627-6402万力. 瞬态动力学 CAE 解决方案 MSC.Dytran 基础教程. 北京大学出版社. 2004：146-153.3Peter Wriggers. Computational Contact Mechanics (2nd Edition), 2006, Springer-Verlag.4苏文斗. 自动同步离合器的啮合动力学问题. 热能动力工程J. 1989.4(6)