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CVT金屬帶摩擦片的強(qiáng)度有限元分析

發(fā)布于:2019-01-19 16:25
有限元分析

      金屬帶式無級變速器傳遞功率大、效率高、壽命長、換擋連續(xù)平穩(wěn),是未來車用無級變速器的發(fā)展方向,金屬帶是金屬帶式無級變速器的核心部件,我國于2000年研制出了金屬帶。此前由于金屬帶的關(guān)鍵技術(shù)被歐洲、日本的少數(shù)幾個(gè)大公司壟斷,金屬帶價(jià)格昂貴,無法做充分的試驗(yàn)研究。重慶理工大學(xué)在2004年成功研制出金屬帶,目前正在對金屬帶式無級變速傳動(dòng)的傳動(dòng)特性和失效形式進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究,國產(chǎn)CVT金屬帶摩擦片材料為T8Mn,帶環(huán)材料為馬氏體時(shí)效鋼,摩擦片形狀參數(shù)如圖所示,金屬帶裝配狀態(tài)如圖所示。引用文獻(xiàn)中建立的數(shù)學(xué)模型,本文中計(jì)算得出了某工況下金屬帶最危險(xiǎn)處的應(yīng)力狀態(tài),利用有限元分析軟件Hypermesh劃分網(wǎng)格,建立了摩擦片有限元模型,并在Abaqus中進(jìn)行強(qiáng)度分析,得到了摩擦片的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,這是對摩擦片失效機(jī)理研究的初步探索。
      金屬帶式無級變速傳動(dòng)系統(tǒng)的變速原理如圖所示,當(dāng)主動(dòng)帶輪軸向加緊力增加,錐輪間距減小時(shí),因帶輪的V型楔面作用,金屬帶沿帶輪徑向向外滑移,作用半徑增大,在變速過程中,由于金屬帶長度一定,從動(dòng)輪的作用半徑因此減小,錐輪間距將增大,從動(dòng)輪的作用半徑將減小,從而使無級變速傳動(dòng)比減小.當(dāng)主動(dòng)帶輪軸向夾緊力減小時(shí),則有相反的作用過程,導(dǎo)致無級變速傳動(dòng)比增加.金屬帶無級變速傳動(dòng)正是通過調(diào)整作用在主、從動(dòng)輪的軸向夾緊力,從而改變了主、從動(dòng)輪的作用半徑,無級地改變了傳動(dòng)比。CVT具有2個(gè)傳遞轉(zhuǎn)矩通道,一是靠鋼片間的擠壓力傳遞轉(zhuǎn)矩,二是靠鋼環(huán)的張力差傳遞轉(zhuǎn)矩。在主動(dòng)帶輪上,只有部分接觸弧上有鋼片擠壓力存在,在主動(dòng)帶輪的其余弧段上鋼片間存在間隙,從主動(dòng)帶輪入口到出口,鋼片擠壓力逐步增大。在從動(dòng)帶輪上,全弧段上都有鋼片擠壓力,由從動(dòng)帶輪入口到出口,鋼片擠壓力逐步減小。
      鋼環(huán)的張力則符合Eider分布,由于鋼片的接觸棱與鋼片肩部之間有距離,因此在小帶輪上鋼片肩部速度總大于鋼環(huán)的速度,總是在進(jìn)入小帶輪的直線端產(chǎn)生最大的張力,相應(yīng)稱這段直邊為緊邊,相對如上所述,功率的傳遞是由摩擦片間的擠壓力和金屬環(huán)內(nèi)的拉緊力兩者聯(lián)合作用來完成的。而傳動(dòng)比和輸入轉(zhuǎn)矩的大小不同,摩擦片和金屬環(huán)所傳遞功率的比率及在功率傳遞中所起的作用也不同。有研究表明:除傳動(dòng)比1且轉(zhuǎn)矩較小時(shí),摩擦片起阻礙功率傳遞作用外,在其他條件下摩擦片間的擠壓力均發(fā)揮積極作用,并隨輸入轉(zhuǎn)矩的增大,摩擦片所傳遞功率的比例也增大.與之不同,金屬環(huán)在功率傳遞作用方面僅與傳動(dòng)比有關(guān)。
      金屬帶的載荷分布包括帶環(huán)張力、摩擦片壓縮力和帶輪夾緊力,對CVT鋼帶進(jìn)行受力分析,圖分別為摩擦片、金屬帶環(huán)的受力示意圖,其中T為帶環(huán)張力,Q為摩擦片壓縮力,dF為帶環(huán)作用在摩擦片鞍面徑向的壓力,dN為作用在帶輪與摩擦片接觸面上的壓力,摩擦片與帶環(huán)摩擦因數(shù),氣為摩擦片與帶輪之間的摩擦因數(shù),F(xiàn)為摩擦片與帶輪之間的切向摩擦力,F(xiàn)為帶環(huán)與摩擦片之間的切向摩擦力。為了摩擦片失效研究的需要,在有限元分析中將加載最大應(yīng)力值,因此載荷分布計(jì)算時(shí)需要找出載荷的最大值。有研究表明:摩擦片運(yùn)轉(zhuǎn)在從動(dòng)輪時(shí)所受壓縮力最大,并且實(shí)際摩擦片壓縮力與扭矩比幾乎是線性關(guān)系,即扭矩大壓縮力也大.而帶環(huán)的張力僅受速比影響,計(jì)算時(shí)取大速比,也可保證帶環(huán)張力最大。日本藤井透等學(xué)者對CVT鋼帶的受力狀況的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明:在大轉(zhuǎn)矩比狀況下,金屬帶的鋼片擠壓力、鋼環(huán)張力的分布狀況都大體相似。
      因此載荷計(jì)算的目標(biāo)為計(jì)算出速比為24755時(shí),從動(dòng)輪接觸弧上所受的最大力,在建立平衡方程過程中作如下假設(shè):(1)鋼片肩部各有6-12層很薄、柔韌性較好的鋼環(huán),在分析中為了簡便起見,將鋼環(huán)簡化成一個(gè)整體的鋼環(huán);(2)一片片的鋼片構(gòu)成了鋼帶,嚴(yán)格地說鋼片間的擠壓力分布是間斷、不連續(xù)的。但由于鋼片在帶輪上運(yùn)動(dòng),要逐步經(jīng)過帶輪上的各個(gè)位置,同時(shí)鋼片的幾何尺寸也較小,因此,將鋼片的擠壓力分布認(rèn)為是可以積分的連續(xù)分布;(3)韓國學(xué)者Kin教授曾對鋼片在帶輪上的徑向移動(dòng)進(jìn)行了測量,測量發(fā)現(xiàn)在帶輪的整個(gè)接觸弧上,鋼帶作用半徑變動(dòng)量在數(shù)量級,相對切向滑移來說,幾乎可以忽略不計(jì)。CUT是摩擦傳動(dòng),不可避免會(huì)發(fā)生傳動(dòng)滑移,鋼帶的切向滑移相對帶的徑向滑移來說很大,因此在工程應(yīng)用中,可以認(rèn)為鋼帶只存在沿帶輪的切向滑動(dòng),因此忽略離心力對摩擦片和金屬帶環(huán)的影響,經(jīng)過以上假設(shè),摩擦片簡化的受力模型如圖所示。


 
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