刘志辉 吕卓健

（1.邵阳学院 机械与能源工程学院，邵阳 422000；2.邵阳学院 高效动力系统智能制造湖南省重点实验室，邵阳 422000）

超越离合器是离合器的一种，是各类车辆、飞行器传动系统中至关重要的部件，具有单向扭矩传递特点。它工作的稳定可靠性直接决定了传动系统的安全性。鉴于超越离合器对设备安全可靠性的重要影响，一些学者开展了相关研究[1-5]。接触应力方面，XU[6]基于不同的接触类型假设求解斜撑式离合器工作过程中的接触应力；盖小涛[7]基于矢量分析和动力学理论，建立了考虑接触变形的碰撞模型，得到了任意时刻的各部分变形量；冲击应力方面，李可夫[8]建立离合器几何模型及有限元模型，得到斜撑块与内外环接触力分布变化。斜撑超越离合器在接合过程中会发生冲击现象，可能会导致传动系统发生故障。因此，研究斜撑超越离合器接合过程的冲击特性和变化规律非常重要。

本文以斜撑超越离合器接合过程中的冲击现象为研究内容，给出可以解决冲击碰撞问题的分析方法，建立接合接触冲击显示动态有限元模型并求解，研究不同转矩载荷、紧贴转矩以及型面形状对冲击应力和速度的影响。

1 冲击过程

弹性理论中，若两个弹性体Ω1和Ω2接触，初始时刻tA到结束时刻tE的运动控制方程为：

以内环与斜撑块为例，利用增量形式改写为：

2 有限元设置

将建立好的斜撑块数目z=33离合器三维模型导入有限元软件ANSYS Workbench进行仿真。简化模型只包含一个斜撑块和一段内外环。将内外环材料设置为18CrNiMo7，斜撑块材料设置成GCr15，摩擦系数设置为0.2。接触面网格大小0.8 mm，其他2 mm。外环恒定转速100 rad·s-1，脱离接合方向；内环转矩大小为100 N·m的1/33，为3 030.3 N·mm，初始时为脱离接合状态方向，0.002 s后为接合方向；内外环轴向约束。

3 仿真计算结果及分析

最大冲击和平稳时最大冲击应力点都在斜撑块与内环的接触面上。斜撑块的应力值相较于内外环非接触面大得多。

3.1 接合接触冲击应力分析

3.1.1 转矩载荷对冲击应力的影响

图1为内环接触面和斜撑块内接触面在不同内环转矩载荷下的冲击应力变化趋势。最大冲击应力的最大值、冲击应力的整体增幅和波动随着内环转矩载荷的增大而增大。内外环与斜撑块在接合时要避免大转矩和相对速度。

3.1.2 弹簧刚度紧贴转矩对冲击应力的影响

弹簧可以限制斜撑块的自由转动，因此弹簧刚度的大小也决定了限制斜撑块转动的转矩大小。本文将弹簧刚度对斜撑块的影响等效为紧贴转矩对斜撑块的影响。图2为接触面在不同紧贴转矩下的冲击应力变化趋势。内环与斜撑块接触面最大冲击应力的最大值、冲击应力的整体增幅和波动随着紧贴转矩的增大而增大。

3.1.3 斜撑块内接触面形状对冲击应力的影响

斜撑超越离合器的底面可以设计成不同的形状，主要使用的是圆弧形面。圆弧形面分为单圆弧型面和多圆弧型面。图3为相同条件下的对比图。多圆弧型面在内环接触面、斜撑块内接触面上的应力值较小，多圆弧型面在冲击应力传递方面更加稳定，同时多圆弧型面明显改善了冲击应力在平稳后再次波动的现象。

3.2 接合接触冲击速度分析

图4为研究不同内环转矩载荷和不同型面下冲击速度的影响。大内环转矩载荷使离合器速度波动的范围、频率和最大速度更大，但到达接合状态的时间更短；多圆弧型面的离合器的接合时间相比于单圆弧型面的接合时间更短。

4 结论

研究不同转矩载荷、紧贴转矩以及型面形状对冲击应力和速度的影响，结论如下。

（1）最大冲击力产生在内环与斜撑块接触面上；最大冲击应力的最大值、增幅和波动范围随着内环转矩载荷和紧贴转矩的增大而增大。

（2）多圆弧型面能稳定冲击应力的传递；大内环转矩和多圆弧型面的接合时间相比于小转矩和单圆弧更短。