船用同步离合器棘轮棘爪碰撞问题的仿真分析.doc

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 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：自动同步离合器 碰撞 仿真 1 前言 同步离合器是舰船联合动力装置中特有的，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 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，在一定范围内每个时间步长或加载步长都需要进行接触有哪些信誉好的足球投注网站，再考虑可能接触的单元数，有哪些信誉好的足球投注网站的计算量可能会很大。接触有哪些信誉好的足球投注网站一般可以分为两个阶段，第一阶段是空间有哪些信誉好的足球投注网站，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）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，有哪些信誉好的足球投注网站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 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