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

0 引 言

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。

1 单楔块双向逆止器的结构和工作原理

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

2 单楔块双向逆止器的楔块分析

2.1 楔块的自锁分析

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：

2.2 楔块的设计

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。

3 单楔块双向逆止器有限元分析

3.1 接触分析模型假设

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。

3.2 有限元模型建立

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。

3.3 楔块与外壳的接触分析

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。

3.4 楔块的自锁分析

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

4 结 论

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。