龔 正， 焦明華， 胡 宏， 孫 龍， 邱 婷， 俞建衛(wèi)

（1.合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，安徽 合肥 230009；2.合肥佳訊精密機械制造有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著公眾節(jié)能環(huán)保意識的增強，小排量增壓發(fā)動機以其出色的動力性、良好的經濟性以及較低的碳排放量，得到了國家相關政策法規(guī)的大力扶持，在市場中備受青睞。機械增壓發(fā)動機以其結構簡單、增壓效果好、使用和維護成本低廉及動力輸出平穩(wěn)等特點，成為國產某型經濟型轎車的首要選擇。滾柱式超越離合器作為機械增壓器的重要核心部件，其壽命對增壓器的工作性能以及可靠性具有重要的影響。

國產某型1.3L機械增壓發(fā)動機上所使用的超越離合器，在內外圈轉速高頻波動的大轉速差工況下容易出現嚴重磨損。

臺架試驗及路試結果表明，離合器損壞主要因為瞬間楔入自鎖時轉速急劇變化引起的沖擊載荷，造成元件彈塑性變形及磨損導致自鎖失效。但是，目前針對超越離合器尚未建立起行之有效的設計計算方法，可借鑒的研究成果甚少。

本文分析認為，滾柱式超越離合器的主要工作面都是高副接觸，降低接觸應力是改善離合器工作狀況和增強其使用可靠性的重要途徑［1－2］，并在此分析基礎上，采用有限元方法對備選的3種滾柱式超越離合器進行了計算分析和匹配測試。

1 模型分析

離合器的額定使用轉矩約10N·m，但臺架試驗測得極限轉矩可達40N·m。考慮到滾柱式超越離合器為軸對稱結構，分割其中一個工作單元進行離散建模，可以降低計算規(guī)模，提高計算效率。剖切有限元模型的網格示意如圖1所示，每個工作單元由內圈－滾柱和外圈－滾柱2個摩擦副構成，穩(wěn)態(tài)下外載荷通過楔合的外圈－滾柱－內圈三者的相互作用，將轉矩傳至傳動軸。

此類接觸問題屬于狀態(tài)非線性問題，求解是一個反復的迭代的過程，本文模型均采用增廣拉格朗日乘子法進行接觸問題的求解。通過多次試算發(fā)現，為了達到較高的求解精度，對于有限元模型在接觸部位劃分的網格尺寸有較高的要求，必須小于赫茲接觸半寬的1／2［3－4］，因此，細化了模型的接觸區(qū)域，如圖2所示。

圖1 有限元模型網格劃分示意圖

圖2 接觸區(qū)域細化示意圖

2 模擬計算結果討論

2.1 3種超越離合器

用于匹配的3種超越離合器主傳動元件結構如圖3所示，其中A型的內外圈由低碳鋼薄板沖壓后再做碳氮共滲處理，B型由粉末冶金壓制而成，C型材料采用了GCr15，相關參數見表1所列。

圖3 3種超越離合器主接觸元件結構

表1 3種超越離合器相關參數

2.2 計算結果

離合器楔合接觸模擬分析綜合考慮了正壓力和摩擦效應的影響，額定載荷下的應力分布計算結果如圖4所示。

圖4 額定載荷下3種超越離合器應力分布

從仿真結果可見，由于滾柱與內圈之間為凸面間的接觸，接觸面積較小，離合器的最大工作應力大部分出現在滾柱與內圈接觸的部位；從應力分布圖上可見，內圈上應力集中的區(qū)域比滾柱上應力集中的區(qū)域范圍稍大，與拆解后內圈磨損實物上磨痕較深的現象一致，其原因是滾柱的曲率低于內圈的曲率，且滾柱硬度較高。

表1中可見3種超越離合器星輪使用的材料各不相同。

C型超越離合器使用的GCr15材料是一種合金含量較少、具有良好性能、應用較為廣泛的高碳鉻軸承鋼，經過淬火加回火后，具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、較高的接觸疲勞性能，是3種材料中屈服極限最高的，達到3300MPa，為C型接觸應力的1780MPa的185.39%。

A型超越離合器采用低碳鋼的薄板沖壓成型后，再做碳氮共滲的處理，滲透深度為0.3～0.5mm，材料屈服極限約為1 450MPa，是 A型接觸應力2 020MPa的71.78%，可見該材料性能不能夠滿足使用要求。

B型超越離合器的星輪采用粉末冶金材料，由于粉末冶金材料的特殊性，其機械性能稍差，該材料屈服極限約為1 280MPa，是B型接觸應力2 550MPa的50.2%。

因而從材料上可見，C型超越離合器所使用的材料最好、屈服極限最高，A型次之，B型最差。從材料的性能可見，C型的材料選擇在3種離合器中最為合適。

計算結果見表2所列。

表2 3種超越離合器應力計算結果 MPa

表2中，σ1max、σ2max、σ3分別為額定載荷下最大接觸應力、極限載荷下最大接觸應力和屈服極限。在額定使用時，各型離合器最大接觸應力均小于材料屈服極限。但是，在實測極限轉矩載荷下，A型及B型超越離合器的接觸應力均遠遠高于其制造材料的屈服強度，僅C型的接觸應力低于其屈服極限，表明在沖擊過載負荷下，前者接觸區(qū)域容易發(fā)生塑性變形及磨損失效［5－10］，而C型發(fā)生塑性屈服的可能性大大降低，使得工作可靠性和使用壽命大大提高。從結構角度考慮，C型超越離合器的結構最為合理，接觸應力最低。

圖5所示為3種超越離合器極限載荷下的應力－轉矩變化曲線，可見A型、B型超越離合器在轉矩加載到35%時，應力發(fā)生突變繼而迅速上升；而C型的應力變化較為平緩，最大應力也較小，表明C型在極限轉矩作用下應力變化較為緩慢，傳動中剛性沖擊較小。

圖5 限載荷下接觸應力變化

2.3 臺架及路試結果

為了驗證模擬分析的正確性，分別對3種離合器進行臺架實驗以及強化路試，其各型內外圈磨損示意圖如圖6所示。

圖6 3種超越離合器內外圈磨損示意圖

由圖6a、圖6b可見，A型、B型內外圈上均有較嚴重的磨損出現，材料剝離嚴重，磨損不均勻，局部磨痕較深達到0.02mm；圖6c中C型內外圈亦有磨痕出現，但磨損比較均勻，磨痕深度較淺。

臺架測試最終結果表明，C型超越離合器的壽命最長，達到800h時仍舊正常工作，能夠滿足工作需要。A型在初始階段能夠順利工作，隨著工作時間的增加，在工作過程中逐漸產生較大噪聲及震動，達到300h左右就出現損壞，不能滿足使用要求。B型離合器工作將近50h即損壞。在臺架基礎之上，對A型及C型進行了裝車試驗，裝載A型的試驗車行駛6×104km，該型超越離合器損壞；裝載C型的試驗車行駛已近20×104km，一直未發(fā)生故障，可見有限元計算結果與臺架試驗相一致。

3 結 論

（1）滾柱式超越離合器主要工作面都是高副接觸，較高的接觸應力正是造成這種失效的主要原因［5］。通過結構優(yōu)化設計、提高材料強度、降低接觸應力，并改善其變化特性［5－6］，對超越離合器的延壽具有重大意義。

（2）有限元分析作為先進的計算方法，可成功地解決復雜的工程計算問題，將其與傳統的臺架試驗與路試結合，避免試驗中樣本間差異造成的試驗結果誤差，大大提高了試驗結果的可靠性。

（3）對于超越離合器之類非標件，在設計及試驗校核過程中使用有限元方法，可以高效、快速、準確地完成設計和甄選工作，縮短選配過程和測試周期，顯著提高設計效率并節(jié)省開發(fā)成本。

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