1、摘 要根据上海交运汽车动力系统有限公司所开发的新产品离合器齿毂，本文首先介绍了离合器齿毂的功用与结构；结合有限元法理论基础，简述了有限元模型的构建原则和网格生成原则，总结了有限元分析的误差影响因素；利用 CAD 软件 Unigraphics 建立离合器齿毂三维几何模型；其次应用 CAE 前处理软件 ANSA 对几何模型进行几何清理，划分高质量网格；最后通过 INDEED、ABAQUS 两大著名有限元软件求解器，基于其不同的计算优势制定相应的计算方案；INDEED 通过建立外花键轴，模拟离合器齿毂中央的内花键与外花键相联结的工况，将扭矩真实地施加到内花键上，得到数值仿真的计算结果；而 ABAQU
2、S 则固定离合器齿毂花键槽，通过加载于齿毂内花键的工作面上，等效外花键轴对齿毂施加扭矩的情况；两大有限元软件分别对离合器齿毂进行了结构有限元分析，同时确保了计算结果的一致性；本文根据有限元分析数据结果，得出研究对象的应力与变形趋势的结论，并且就其强度薄弱处，提出了加强离合器齿毂结构强度的改进方法。关键词：齿毂，渐开线花键，网格生成，有限元分析strength design analysis of UG clutch hub plateABSTRACTAccording to the new product developed by Shanghai Jiaoyun Automotive Pow
3、er System Co., Ltd, the clutch hub plate is firstly introduced about its function and structure. Combining with the theory of finite element method, the paper gives a sketch of the constructive principal of finite element model as well as the principal of gridding, and sum up the factors leading to
4、errors by finite element analysis. The geometrical model of clutch hub plate is established by means of CAD softwareUnigraphics, then the paper adopts CAE preliminary treatment softwareANSA to clean the geometrical model, and create high quality grids. After that, two numerical procedures are formul
5、ated based on respective advantages of well-known finite element solverINDEED and ABAQUS. A external splines shaft is needed built in INDEED in order to simulate the real working condition when the internal splines link with external splines. It comes to the result through exerting torque to interna
6、l splines. On the other hand, the spline slot is fixed firstly in ABAQUS, then to load on the working face of the internal splines, which is equivalent to the condition of exerting torque. In addition, the two solvers guarantee the results consistency. The paper finally arrives at the conclusion on
7、the stress and deforming tendency of hub plate in the light of finite element analysis results. Moreover, the improved plan to strengthen the hub plate is presented in this paper based on strength vulnerable area. Key Word: hub plate, involute spline, gridding， finite element analysis UG 离合器齿毂的强度设计分
8、析刘歆瑜 0621032400 引言随着计算机技术的进步而发展起来的有限元法，是一种分析计算复杂结构极为有效的数值计算方法。先将连续的分析对象划分为有限个单元组成的离散组合体，运用力学知识分析每个单元的力学特性，再组集各个单元特性，形成一个整体结构的控制方程组。通过计算，得到整体结构的位移场和应力场等结果。有限元法的整个计算过程十分规范，主要步骤都可以通过计算机来完成，是一种十分有效的分析方法。有限元法能够很好地模拟零部件的实际形状、结构、受力和约束，因此，其计算结果更精确，也更接近实际，可以作为设计、改进零部件的依据。同时，可以利用有限元分析的结果进行多方案的比较，有利于设计方案的优化和产品
9、的改进。有限元法解决了过去对复杂结构进行精确计算的困难，改变了传统的经验设计方法，因而逐步得到了应用。把有限元法运用在汽车设计中，对企业提高产品质量、缩短开发周期、降低成本具有积极的作用。通过详细的有限元分析，可以仿真与校验产品在使用中的情况，以求把问题尽早体现出来，避免在制造及使用中发现问题而造成大返工，确保产品的性能、质量、可靠性、耐久性和维修性。这样，可以在较短的时间内，以较少的投资获得高质量的产品。1 离合器齿毂的功用与结构简介1.1 换档离合器的结构和工作原理 1离合器齿毂通常是存在于自动变速器操纵系统执行装置中换档离合器的一个传递动力的部件。自动变速器操纵系统是指汽车前进行驶过程中
10、，驾驶员安行驶需要控制加速踏板，变速器即可根据发动机负荷和汽车速度的变化，自动地换入不同档位工作。自动变速器地液压操纵系统由供油系统、执行装置、控制装置和换档品质控制装置等四部分组成。其中，执行装置包括换档离合器、换档制动器、和单向离合器等。控制机构根据汽车不同地行驶条件，分别在上述各液压执行机构中建立或卸除油压，从而得到变速器的不同工作档位。图 1.1 所示为红旗 CA7560 型轿车自动变速器所采用的直接档离合器。因其位于变速器内部，径向尺寸收到严格限制，而传递的扭矩又很大，故做成多片式的。主动件 10 和从动件 9 各有 6 片钢片。在主动片 10 的两面烧结有铜基粉末冶金的摩擦材料，与
11、从动钢片组成钢粉末冶金摩擦副。近年来，国外有以纸质浸树脂的材料取代铜基粉末冶金材料的趋势，因为前者的动摩擦系数大于静摩擦系数。为保证其柔和接合和散热，离合器的摩擦片都浸在液油中工作，因而称为湿式离合器。1-低档制动鼓；2-前排太阳轮；3-离合器花键毂；4-卡环；5-弹簧支承盖；6-弹簧；7-安全阀；8-环形活塞；9-从动片；10-主动片图 1.1 直接档离合器离合器以花键毂 3 的内花键与变速器第一轴连接。环形主动片 10 以内花键与花键毂 3 的外花键连接，并可轴向移动。从动片 9 的外边缘有八个渐开线形键齿与低档制动鼓 1 内相应的键槽配合，也可作轴向移动。松套在第一轴上的前排太阳轮 2
12、的前端凸缘盘与低档制动鼓也用同样的方法连接。因而离合器主动片 10 与第一轴相连，而从动片 9 则与前排太阳轮 2 相连。弹簧 6 的一端抵住活塞 8 的内端面，另一端通过支承盘 5 和卡环 4支承在在低档制动鼓 1 上。当压力油静油道 A 进入活塞左面时，液压作用力便克服弹簧力使活塞右移，将所有主动片和从动片压紧，即离合器接合。此时前排太阳轮与第一轴连成一体，即挂上直接档。在油压撤除后，活塞 8 在弹簧 6 作用下回复原位，离合器分离。于是前排太阳轮与第一轴脱离传动关系。总之，直接档离合器只有在挂直接档时才接合，其它情况下均处于分离状态。1.2 花键联结 3在机械传动的轴、孔联结中，键与花键
13、联结应用最为广泛，可以说，只要有同轴联结的地方就有键与花键的联结。键联结具有结构简单、联结可靠、加工容易、装拆方便、成本低廉等优点，在各种机械传动中被普遍采用。但是，自 18 世纪欧洲工业革命以后，随着机械传动（尤其是齿轮传动）迅速发展，其传动功率大幅度提高，键联结在很多传动中已不能满足要求，从而便出现了花键联结。其中花键联结包括矩形花键联结和渐开线花键联结。从 19 世纪末至 20 世纪中叶，矩形花键联结在机械传动中占有极其重要的位置。随着机械工业的不断发展，大功率发动机与重载传动机构的出现，矩形花键在强度、结构型式和性能等方面满足不了新的要求，于是又出现了渐开线花键联结。本课题所研究的离合
14、器齿毂为渐开线花键，故了解矩形花键与渐开线花键的各自特性的区别是极其必要的前提。有关花键术语见附录 1。1.2.1 矩形花键联结的特点与用途矩形花键联结的主要特点为：(1) 各键与轴或齿毂制成一体，强度高、刚度大；(2) 各键均布在轴或齿轮上，受力均匀；(3) 键齿多，承载能力大；(4) 易获得高精度，互换性好；(5) 定心精度高，耐磨性好，尤其在径向外力作用下，仍可保证定心精度；(6) 导向性好，适用于滑动联结。由于矩形花键联结的承载能力远远高于键联结，同时也具有定心精度高和导向性好等独特优点，所以它主要应用于中等或较大负荷的机械传动中。如在汽车、拖拉机、工程机械、起重机械、机车车辆、舰船、
15、兵器等行业中应用较多，尤其在机床行业应用最为广泛。1.2.2 渐开线花键联结的特点与用途与矩形花键联结相比，渐开线花键联结具有以下的特点：(1) 自动定心。渐开线花键副在键齿侧面受力后产生的径向分力作用下，使内、外花键的轴线自动重合（各键齿均受力后，径向分力的合力为零） 。即当内花键（或外花键）位置确定后，另一花键的位置受力后（对于过盈配合的花键副是装配后）也就自动确定了，这种特性称为自动定心。(2) 齿面接触好。由于键齿的齿形为渐开线，故键侧的法向间隙相等，受力后沿全工作齿高接触，而矩形花键受力后，沿齿高是齿顶接触、齿根有间隙，沿工作齿高线接触。同时，渐开线花键副受力后，由于有自动定心特性，
16、可以使多数键齿同时接触。矩形花键只有少数齿接触。(3) 启动时承载能力好。对于渐开线花键，启动时或载荷变向时，键齿是以滑合方式进入工作状态的，冲击小、动载荷小。同时，由于自动定心特性，花键受载后，立即有多数键齿同时工作。而矩形花键启动时，只有少数齿工作，甚至会出现只有一两个键齿工作的现象。(4) 强度高，寿命长。由于渐开线花键齿面接触好，工作齿数多，接触应力小；其齿根厚、齿顶薄、齿根圆弧大，应力集中小，弯曲强度高；启动时承载能力好，所以渐开线花键抗弯曲、耐磨损，承载能力高，寿命长。(5) 结构紧凑，重量轻。由以上特点可知，对于传动相同转矩的花键联结，渐开线花键可以设计成尺寸小、重量轻、体积小的
17、紧凑结构。对航空、航天设备的传动机构，以及轿车、微型汽车变速器等传动机构，这个特点尤为重要。(6) 易获得不同的齿侧配合。只要改变渐开线花键的外花键齿厚（不同进力深度）即可获得所需的齿侧配合。矩形花键需采用不同规格的滚刀，否则精度难以保证。(7) 适用于多齿数或大直径和盘式联结。由于渐开线花键的设计和加工不受齿数限制，其强度主要与分度圆直径有关，与模数大小关系不大（花键长度相同、精度相同时） 。对于结构紧凑、大直径、需要少去材料的花键联结，可采用多齿数，小模数的渐开线花键联结。同时，渐开线花键不受直径大小限制，其直径小到几毫米，大到几百毫米。所以，渐开线花键联结不仅适用于轴与孔的联结，还适用与
18、盘式联结。如：行星传动机构的传动轴与盘，固定齿圈与安装盘等联结。矩形花键因受结构、工艺方法、刀具和加工精度等限制，不具有上述特点。(8) 精度高。渐开线花键加工一般采用齿轮加工机床（滚齿机、插齿机、磨齿机等）或专用花键磨床，机床精度高。采用的滚齿刀齿形为直线，插齿刀或拉刀齿形为渐开线，容易获得高精度。由于机床、刀具等精度高，所以加工的花键精度也较高。(9) 检验方便、精确，互换性好。渐开线花键的误差有一定规律性，有些误差项目与齿轮误差项目相同，加工时容易控制；检验时可采用齿轮检测设备或量具进行质量控制和分析（如齿形误差 f、齿距累积误差pF、齿向误差 F，以及 M 值、W 值等，均与齿轮检测方
19、法相同） ，批量生产采用综合通规检验。精确的测量和检验，可以保证花键的互换性要求。(10) 刀具经济1) 一把滚刀（或插刀） ，可以加工齿数不同（直径不同）的外花键。而矩形花键齿数或直径不同时,滚刀不能通用（一种规格只配一种滚刀） 。2) 渐开线花键滚刀齿形为直线，制造容易。3) 渐开线拉刀齿顶尖、齿根厚、强度高、刚性好、可制成较大的前角、后角、刀刃锋利、寿命长。由上述特点可见，渐开线花键联结的承载能力比矩形花键联结高，同时也具有自动定心、结构紧凑、适于盘式联结等独特优点，所以它几乎应用在各种同轴传动中，尤其适用于高速重载传动。例如：(1) 510mm 的大模数花键，主要用于结构尺寸不受限制的重载荷传动机构上。如内燃机车变速器主传动轴、工程机械和矿山机械传动机
