鎖環(huán)式同步器的同步工作是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)的，同步環(huán)的內(nèi)錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸產(chǎn)生摩擦，錐面摩擦使得待嚙合的齒套與同步環(huán)迅速同步。當(dāng)同步環(huán)內(nèi)錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸后，在摩擦力矩的作用下齒輪轉(zhuǎn)速迅速降低(或升高)到與同步環(huán)轉(zhuǎn)速相等，兩者同步旋轉(zhuǎn)，齒輪相對(duì)于同步環(huán)的轉(zhuǎn)速為零，因而慣性力矩也同時(shí)消失，這時(shí)在作用力的推動(dòng)下，接合套不受阻礙地與同步環(huán)齒圈接合，并進(jìn)一步與待接合齒輪的齒圈接合而完成換檔過程。在這一過程中，齒圈外錐面與同步環(huán)的內(nèi)錐面的摩擦對(duì)同步的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，并且摩擦過程也會(huì)對(duì)對(duì)同步環(huán)造成一定的的磨損。因此對(duì)這一過程中的熱力學(xué)性能、靜力結(jié)構(gòu)變形等通過有限元軟件進(jìn)行耦合分析有著十分重要的意義?！　?/p>

       1引言

　　對(duì)于采用了同步器換擋的變速箱來說，換擋順暢與否，很大程度需要取決于同步器優(yōu)劣。同步器其實(shí)說白了就是在結(jié)合套和齒輪組上布置的摩擦片，與一般摩擦片不同的是，它的摩擦面是錐形的。這組摩擦片的作用是在直齒和圓盤的立齒相接觸以前，提前進(jìn)行摩擦，來將轉(zhuǎn)速較大的一方的能量傳遞給轉(zhuǎn)速較小的一方，使得轉(zhuǎn)速較小的一方提升轉(zhuǎn)速，達(dá)到與轉(zhuǎn)速較大的一方轉(zhuǎn)速同步。這樣不僅可以保證正常換擋，還能起到緩沖的作用，而錐面摩擦片組的數(shù)目與材質(zhì)則直接影響到了同步器性能的優(yōu)劣。這對(duì)摩擦副相互摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩是實(shí)現(xiàn)同步換擋的關(guān)鍵。

　　同步環(huán)的內(nèi)錐面上通常制有螺線，主要是為了將已經(jīng)存在的油膜快速刮走，增加金屬錐面之間的摩擦力，油膜刮走得越快，摩擦力提高的也越快，對(duì)于克服不同步嚙合越有利。從這里可以看出同步器的同步效率主要取決于兩錐體表面的摩擦力矩以及影響摩擦力矩的潤(rùn)滑油膜這兩個(gè)關(guān)鍵因素。但這兩個(gè)關(guān)鍵因素之間也是有相互影響作用的，尤其是在同步過程中隨著摩擦力矩的作用，兩錐體及周圍溫度會(huì)迅速升高，此時(shí)溫度對(duì)于潤(rùn)滑油膜的影響就非常大，了解錐體在同步過程中的溫度場(chǎng)情況，對(duì)于選取具有合適的穩(wěn)定性參數(shù)的變速箱油來說具有重要意義。但在實(shí)際測(cè)試過程中，對(duì)于裝配起來的變速箱總成來說，測(cè)量其中組件同步器的溫升是一件相當(dāng)麻煩的事，因此本文就通過有限元數(shù)值模擬仿真的方法對(duì)同步器中最關(guān)鍵的錐體間相互摩擦過程進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，求出在這一過程中的溫度場(chǎng)分布。

　　2有限元理論基礎(chǔ)

　　在有限元分析中涉及兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)相互作用的問題稱為耦合場(chǎng)分析，例如熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。ANSYS中對(duì)于多場(chǎng)耦合的分析主要有直接耦合法和間接耦合法兩種。

　　2.1直接耦合法

　　直接耦合法的耦合單元包含與相應(yīng)的耦合場(chǎng)相關(guān)的所有必須的自由度，采用耦合單元僅僅通過一次求解就能得出耦合場(chǎng)的分析結(jié)果。這種方法實(shí)際上是通過計(jì)算包含所有必須項(xiàng)的單元矩陣或單元載荷向量來實(shí)現(xiàn)的。

　　2.2間接耦合法

　　間接耦合法又稱序貫耦合法，主要通過將第一次場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次場(chǎng)分析的載荷來實(shí)現(xiàn)兩種場(chǎng)的耦合。例如熱-結(jié)構(gòu)耦合分析是將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加在后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析中來實(shí)現(xiàn)耦合的。

　　綜上，由于在摩擦生熱問題中摩擦力將直接產(chǎn)生摩擦表面的熱流，同時(shí)對(duì)于零件上的熱應(yīng)變也將直接產(chǎn)生影響，因此必須采用直接耦合法進(jìn)行分析。

　　2.3摩擦生熱的有限元理論基礎(chǔ)

　　對(duì)于摩擦生熱分析，通常有 ΔKE（系統(tǒng)動(dòng)能）=ΔPE（系統(tǒng)勢(shì)能）=0，由此可得q=dU/dT，即流入或流出的熱流速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。將其用于微元體，可以得到熱傳導(dǎo)的控制微分方程如下：

　　式中：V_X、V_Y、V_Z---介質(zhì)傳導(dǎo)速率。

　　通過對(duì)計(jì)算區(qū)域的有限單元離散化，可以得到相應(yīng)的多項(xiàng)式：

　　其中未知數(shù)T為單元節(jié)點(diǎn)溫度;---單元形函數(shù);---單元節(jié)點(diǎn)溫度矢向量。

　　由單元節(jié)點(diǎn)溫度可以得出每個(gè)單元的溫度梯度和熱流密度：

　　式中：---熱梯度矢量;

　　 ---溫度梯度;

        ---熱流密度;

            N---單元量。

　　熱流量可由公式(6)求得：

　　式中：(D)---材料的熱傳導(dǎo)屬性矩陣。

　　將上述溫度變化代入與微分方程等效的積分方程，可以得到矩陣形式的集成總方程：

 

　　其中式(7)就是有限元熱分析的計(jì)算求解方程。

　　3幾何模型的建立

　　在手動(dòng)變速箱中，為實(shí)現(xiàn)迅速、輕便換擋，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃料的經(jīng)濟(jì)性能，在各檔位中多采用同步器來實(shí)現(xiàn)換擋操作。

　　根據(jù)同步器的結(jié)構(gòu)可將同步器劃分為常壓式同步器、慣性式同步器、慣性增力式同步器;其中慣性式同步器又可分為齒環(huán)式慣性同步器、鎖銷式慣性同步器;而齒環(huán)式慣性同步器又可分為單錐和多錐(雙錐或三錐)兩大種類型。常壓式同步器屬于同步器的早期形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無法保證同步換擋，且換擋時(shí)嚙合沖擊較大，因此常壓式同步器現(xiàn)已被淘汰;慣性增力式同步器對(duì)于材料、熱處理及加工精度均要求較高，因此使用也不廣泛;慣性式同步器利用制作在嚙合齒端面上的倒角斜面，在沒有到達(dá)同步之前，對(duì)嚙合件施加慣性鎖止作用，以防止不同步嚙合，同步性能良好，應(yīng)用范圍廣泛。因此，本文分析的即為單錐齒環(huán)式同步器的同步環(huán)與齒圈之間同步過程中的摩擦生熱。如圖1、圖2所示分別為單錐和雙錐同步器總成的三維裝配圖和剖面視圖。

　　圖1 單錐同步器總成及剖面圖

　　圖2 雙錐同步器總成及剖面圖

　　由于有限元軟件自身三維建模功能不太強(qiáng)大，因此在ANSYS中建模時(shí)必須要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如同步環(huán)內(nèi)錐面上的螺紋槽就需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，否則不但造型困難而且在后續(xù)分析中出錯(cuò)的可能性也非常大。另外，對(duì)于一些不必要的結(jié)構(gòu)，例如倒角、圓角也需要進(jìn)行刪除。如圖3所示為同步環(huán)和齒圈的裝配圖以及在ANSYSA中簡(jiǎn)化之后的有限元分析模型。在圖中的有限元分析模型中，淺藍(lán)色部分為同步環(huán)的鋼基體部分，紫色部分為噴鉬鍍層部分其厚度為0.3-0.5mm，藍(lán)色部分為齒圈部分。材質(zhì)的各種參數(shù)如表1所示。

　　同步環(huán)與齒圈在結(jié)合的一瞬間二者具有最大的轉(zhuǎn)速差，由于摩擦阻力的作用，同步時(shí)間在很短的時(shí)間內(nèi)便可完成。由此可知，同步環(huán)與齒圈之間摩擦產(chǎn)生的最大溫升就是產(chǎn)生在結(jié)合的初期，因此，我們分析的重點(diǎn)也是在這一段時(shí)間內(nèi)，而這一時(shí)間段卻是非常短暫的，據(jù)此我們只需選擇模型的一部分來分析即可，這樣不但可以減小有限元模型，而且也降低了對(duì)分析用電腦內(nèi)存的要求。提高分析效率。

　　表1 材料性能參數(shù)

　　圖3 有限元分析模型

　　4模型的網(wǎng)格劃分

　　進(jìn)行網(wǎng)格劃分首先要進(jìn)行單元屬性的定義，單元屬性不僅影響網(wǎng)格的劃分，而且對(duì)求解的精度也有很大影響。在有限元分析中，不同的問題需要不同特性的單元，并且ANSYS軟件對(duì)于單元庫中提供的100多種單元類型都進(jìn)行了唯一的編號(hào)，并按類型進(jìn)行了分類。

　　對(duì)于本論文中的耦合場(chǎng)分析，需要選擇Coupled Field類型中的Scalar Brick5,三維八節(jié)點(diǎn)六面體耦合場(chǎng)分析單元。網(wǎng)格劃分的具體方法是采用掃略法網(wǎng)格劃分，此方法適合于三維實(shí)體在某個(gè)方向上的拓?fù)湫问绞冀K保持一致，這種方法對(duì)于六面體網(wǎng)格來說也是合適的，本文中首先對(duì)于三部分幾何體的邊線進(jìn)行等分式的劃分，然后由邊線的劃分掃略出三維實(shí)體的網(wǎng)格。這種方法對(duì)于復(fù)雜的幾何體只需經(jīng)過一些簡(jiǎn)單的切分處理，就可劃分出規(guī)整的六面體網(wǎng)格，具有很大的靈活性和可操作性。經(jīng)過掃略網(wǎng)格劃分后，模型共劃分為1378個(gè)單元。如圖4所示為模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

　　圖4 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

　　5載荷及邊界條件的施加

　　同步器工作的工況條件為：初始溫度70℃，角速度差640rpm，軸向載荷620N，同步時(shí)間≦0.3s。根據(jù)上述條件對(duì)模型施加邊界條件，由于軸向推力的作用，在圖5中的紅色部分分別為在齒圈錐體的法向表面和周向表面施加大小為5.84×10⁵Pa和1.873×10⁵Pa的面載荷;在齒圈錐體的外圈表面和同步環(huán)的內(nèi)圈

　　圖5 接觸條件與載荷

　　表面之間施加摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1;齒圈錐體的法蘭邊下表面與同步環(huán)的上表面之間添加標(biāo)準(zhǔn)接觸;在鍍鉬層的外圈表面與鋼圈內(nèi)表面之間施加綁定約束，使二者成為一體;對(duì)齒圈錐體施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)載荷，其方向沿圓周方向，其大小可通過角速度差計(jì)算出來;在鋼圈外表面施加固定約束，從而將鋼圈和鍍鉬層在x、y、z三個(gè)方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)限制住。最后，計(jì)算時(shí)間為0.0003s。根據(jù)計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短和整體網(wǎng)格劃分的密度，設(shè)定計(jì)算總的載荷子步為100。

　　6 結(jié)果與分析

　　通過ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，求得了齒圈與錐體之間在摩擦接觸的一瞬間兩物體上溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、的分布情況如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

　　從圖6中可看到，由于分析時(shí)間較短因此溫度場(chǎng)云圖中變化并不明顯，溫升主要集中在摩擦起始點(diǎn)的位置，溫度從變速箱正常工作時(shí)的70℃急速上升到100℃左右，在短短的內(nèi)溫度上升了30℃，由此可知在同步環(huán)與齒圈錐體二者在同步的過程中溫升主要發(fā)生在結(jié)合的初期。從圖7應(yīng)力場(chǎng)分布云圖中可以看出應(yīng)力比較集中的區(qū)域往往也是溫升較快的區(qū)域，并且由于軸向力的作用主要施加在齒圈錐體上，因此齒圈錐體上的應(yīng)力集中情況要比同步環(huán)上嚴(yán)重，但綜合溫升及應(yīng)力的雙重作用，發(fā)生磨損和撕裂的可能性主要存在于同步環(huán)的端面區(qū)域，這有可能是由于此區(qū)域沒有鍍層的緣故，這一點(diǎn)主要在圖8中體現(xiàn)出來。由圖9可以看出溫度場(chǎng)中主要的溫升區(qū)域位于鍍鉬層上，最高溫升區(qū)域也位于鍍鉬層上，這從另一個(gè)側(cè)面也說明了鍍鉬層的熱傳導(dǎo)系數(shù)較高，吸收和散熱功能均較強(qiáng)，這也是同步器中選擇在錐體表面鍍鉬的主要原因。

　　圖10、圖11分別為溫度、應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，從這兩幅圖中可以從側(cè)面證明溫度和應(yīng)力隨時(shí)間的變化是呈線性的，并且線性關(guān)系的比例系數(shù)還是相當(dāng)大的，說明了溫度和應(yīng)力隨時(shí)間的變化是相當(dāng)劇烈和迅速的。

　　7結(jié)語

　　通過熱-結(jié)構(gòu)耦合的有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)，從理論分析方面驗(yàn)證了同步器在同步過程中溫升主要發(fā)生在同步過程的初期階段;同步環(huán)表面的鍍鉬層在吸收、散發(fā)熱量方面的功能是比較明顯的，相對(duì)于早期的鋼環(huán)與銅環(huán)直接摩擦的同步器設(shè)計(jì)方案來說有著一定的進(jìn)步。另外，通過此分析可以了解同步過程中的溫升情況，對(duì)于同步器乃至變速箱中潤(rùn)滑油品各參數(shù)的選擇、添加潤(rùn)滑油品后同步器的摩擦錐體間摩擦系數(shù)的選擇也有著重要意義。