1821_無級變速螺旋給料器的設計

1821_無級變速螺旋給料器的設計,無級,變速,螺旋,料器,設計 1無級變速器中摩擦環(huán)的應力分析Serdar Tumkor設計與制造研究所，史蒂文斯技術(shù)學院，赫德森城堡，霍博肯，新澤西州 07030，美國摘要在無極變速器（CVT）中摩擦環(huán)最常見的失效模式是疲勞失效。此研究的主要目的是確定這種失效的原因并改善環(huán)的形狀。這種環(huán)是仿照有限元法（FEM）和解析公式生成的圓環(huán)。計算表明，在與環(huán)的接觸表面上存在很高的內(nèi)應力。修改環(huán)的形狀是為了獲得環(huán)的最佳形狀和尺寸。根據(jù)有限元法分析，在環(huán)的螺旋槽內(nèi)側(cè)，其表面應力有所下降，但槽附近的應力增加與否主要取決于槽半徑大小。經(jīng)過分析和優(yōu)化處理，用維數(shù)為 R=1.95 mm 作為槽半徑進行計算和檢測。通過測試修改環(huán)發(fā)現(xiàn)，疲勞失效有所減小。 2000 年埃爾塞維爾科學 B.V 擁有所有版權(quán)。關(guān)鍵字：無極變速器；形狀優(yōu)化；有限元模型的參數(shù)化1. 簡介企業(yè)想要快速發(fā)展必須了解許多與其相關(guān)的機制。這里有一種被稱為無極變速器（CVT）機制的可變速度和扭矩比的機制類型。這些不同類型的 CVT 驅(qū)動器已經(jīng)在各行業(yè)中應用多年了。其中可變金屬鏈帶驅(qū)動器是眾所周知的。在這項研究里，對用一個圓錐和鋼圈裝配來牽引的驅(qū)動器進行了研究。一個用鋼圈制成的 CVT 驅(qū)動器因為環(huán)結(jié)構(gòu)簡單、成本低所以價格便宜。但是，高扭矩無法通過摩擦驅(qū)動器來傳遞。由于法向力是通過圓錐和圓環(huán)的相互摩擦約束而獲得的，隨著時間的推移，觀測到一種被稱為點蝕疲勞失效的類型。關(guān)于 CVT 的文獻是非常少的。一個可變的金屬 V 帶驅(qū)動器的性能特點，也有類似的組裝和性能特點，由文獻【1】Sun 給出。文獻 【2】中卡拉姆對速比，傳遞扭矩，和可變金屬 V 帶傳動摩擦系數(shù)的影響進行了分析。文獻 【3,4】中桑原等人對CVT 的動力傳導機構(gòu)進行了研究。為了獲得運動系統(tǒng)的預測真實性對鏈摩擦傳動的運動進行模擬【5,6】。在列車自動驅(qū)動系統(tǒng)中，波許和菲佛【7】對鏈傳動 CVT 的非線性動力學進行了研究。另一項對 CVT 的研究是由竹本等人進行的。文獻【8】是關(guān)于金屬之間相互碰撞所引起的噪聲問題。在有限元法（FEM）的基礎上，新的2優(yōu)化程序已經(jīng)從生物傳輸優(yōu)化機制發(fā)展到了機械工程【9】。這意味著，在一段時間內(nèi)，任何生物負載體的應力趨于恒定得以證實。因為應力集中會導致失效所以無法承受高應力，所以在負載區(qū)中浪費了材料。因此，輕量化設計的原則是以自然結(jié)構(gòu)形狀為主要標準的。在某些情況下，幾何約束應考慮機器的運作問題，因此幾何學變得比重量因素更為關(guān)鍵。在一些計算機輔助優(yōu)化（CAO）方法的原則中可以使用，但是必須加以考慮某些幾何約束。這個方法由 Mattheck 和伯克哈迪特【10】開發(fā)，用以如何減小表應力從而改善高負載部件的同質(zhì)化問題。在實際負載和邊界條件下，用有限元（FEM ）運動應力第一法則與有限元模型來計算。這種應力分布會導致形狀的變形，之后改進的有限元（FEM）運動應力的峰值將減小并被同質(zhì)化?？ㄋ古翆⒁恍﹥?yōu)化方法與一般數(shù)值領域計算方法如有限元（FEM）計算方法【11】相結(jié)合來討論。在這些關(guān)于 CVT 機制的報道中，有一個是關(guān)于金屬環(huán)承受高應力而導致疲勞失效的問題。一個關(guān)于軸向應力的近似解被計算出來。為了得到應力分布，運用了有限元分析。修改環(huán)的設計應用于 CAO 中的混合和曲線擬合程序集成中。修改方案檢測到疲勞失效有所減小。2. 該機制的說明專業(yè)術(shù)語A 橫截面面積 (mm2)b1 寬度（mm）d 直徑（mm）E 彈性模量（楊式模量） （Pa）FN 法向力（N）h 質(zhì)心距離（mm）k 常數(shù)M 彎矩（N mm ）R 槽半徑（mm）r 半徑（mm） ，徑向力rn 中心軸半徑（ mm）Rr 質(zhì)心軸半徑（mm）x，y，z 坐標u 摩擦系數(shù)v 泊松比最大應力（MPa）max?軸向應力（MPa）?3圖一中在滑輪電機軸機制中有兩個摩擦錐，b1 錐和 b2 錐在軸向上的固定是自由的。b2 錐在規(guī)定的范圍內(nèi)可移動。因為他們是相互連接的，所以他們的移動距離一樣。等軸側(cè)視圖和 CVT 機制圖分別為圖 2 和圖 3。相對于滑輪，在不同位置上環(huán)的速度比中的最小值和最大值會有所不同。扭矩是通過圓錐和鋼圈相對滑動形成的接觸線來傳遞的?？紤]到所給預應力在圓錐和鋼圈的接觸點上，在摩擦面上的法向力就可以滿足。對于無滑動的滾動，法向力和摩擦力與摩擦系數(shù)有關(guān)，如下：（1）?/fFN?假設摩擦系數(shù)都為 【12】。埃爾森等人審查基于庫倫公式的其他模型【13】。對于類似的機制，Kim 和 Lee【14】對金屬 V 帶無級變速器的 V 帶特性進行了研究和實驗解析。在這項研究中，不是用金屬 V 帶而是用鋼圈來傳遞扭矩。雖然部分材料的屈服應力要比環(huán)上的最大應力值高，導致在機制運行中出現(xiàn)了由疲勞造成的損壞。許多點蝕發(fā)生都比預想的大出了 0.1mm，如表 1。圖 4 為已損壞的鋼圈圖片。圖 1 CVT 機制的裝配圖4圖 2 無級變速器械的等軸側(cè)視圖圖 3 該無級變速器機制圖5表 1環(huán)接觸面的損傷圖 4 已損壞的鋼圈圖片3. 應力環(huán)的計算Roark 公式【 15】計算出了圓環(huán)上的法向應力的近似解。環(huán)公式是基于以下的假設。1. 環(huán)的橫截面與曲率平面相對稱。2. 所有載入值都在橫截面質(zhì)心的徑向位置。3. 大于彈性極限的應力是無效的。4. 圓的稍為變形不算是很嚴重的變形。5. 變形的主要原因是彎曲。圖 5 是把環(huán)作為彎曲梁獲得的檢測值。對于彎曲平面曲線中截面的每一段法向應力都會通過質(zhì)心并對其影響，一切應力 V 和徑向截面相平行，并在曲線平面內(nèi)形成一條彎曲的 M 對。此外，曲梁上的徑向應力趨于平衡。當曲梁在起始曲率處彎曲，而平面部分仍然保持為平面，由于梁內(nèi)外的纖維長度6不同，因此，部件應變和應力的分布都不是線性的。中心軸沒有通過截面中心，所以直梁公式不適用。軸向應力的 值可以表示為：??（2）hryAM???圖 5 環(huán)作為彎曲梁其中 A 為橫截面面積，h 為質(zhì)心軸到中心軸的距離。M 代表彎矩，其應用公式如下：（3）?krRFN?細環(huán)，常數(shù) k 的計算公式：（4） 2r-1ARI?從質(zhì)心軸到中心軸的距離可以用 式（5）和 式（6）來計算。8d/r?R8/?dRr（5）???rdrhn/（6）RAIc顯而易見，式 6 的誤差率為 4%~5%之間，其中 為質(zhì)心軸橫截面的瞬時轉(zhuǎn)動慣性面積。環(huán)被認為是超靜定梁，并用來分析卡式第二定律。74. 有限元模型的詳細介紹4.1 幾何模型建立環(huán)的有限元模型是為了觀察其應力分布。這種模型是在 Ansys 5.3 的參數(shù)化分析基礎上建立的。把一個實體模型作為一個三維幾何體來編制。對具有對稱條件的模型進行簡化，并只用 1/8 的部分進行分析（圖 6）。環(huán)的初始尺寸如下（圖 7）：d1=102.3mm， d2=105mm， d3=114.3mm， b1=22mm有限元模型的參數(shù)包括一個環(huán)內(nèi)槽的參數(shù)，表 2.圖 6 對稱環(huán)8圖 7 環(huán)的尺寸表 24.2 有限元素類型和材料特性選擇一個八節(jié)點四面體“固體 73”元素來進行分析。這種類型的元素用來給固體結(jié)構(gòu)進行三維建模，其定義是八節(jié)點中每個節(jié)點都有六個自由度：節(jié)點在 x-，y-和 z-方向上的移動和節(jié)點在 x-，y-和 z-軸方向上的轉(zhuǎn)動。由于此類元素在三角形四面體變質(zhì)的時候具有較高的失效率， 。所以應用這類元素的四面體項，可以觀測到許多元素的數(shù)目就增加到了可以看到其最合適的收斂區(qū)間（圖 8） 。用 AISI 1050 鋼作為材料。制造后，環(huán)被硬化，用彈性模量 E=200GPa 和泊松比v=0.3 來計算。當水淬和回火溫度為 900°F 時這種材料的屈服強度為 690MPa[16]。4.3 應用載荷和邊界條件在邊界條件下的應用如下：至少有一個為 FN=690 daN 的法向力用于傳遞扭矩，彎矩為 M=21000 daN/mm。這個法向力在接觸線上的載荷分布為 255.55 daN/mm。圖 9 為在表面節(jié)點上采用對稱邊界條件（圖 9） 。95. 改性環(huán)和槽半徑優(yōu)化經(jīng)過對初始環(huán)分析，觀測到在接觸線上的高應力區(qū)域。應力值小于彈性極限，但經(jīng)過長時間的作用，在預測領域內(nèi)觀測到由疲勞造成的損壞。為了減小應力區(qū)域，必須修改環(huán)的橫截面。圖 8 為初始環(huán)模型預測馮-偏出應力分布圖 9 環(huán)上的邊界條件10圖 10 預測馮- 偏出應力分布情況 2由于計算機輔助設計（CAD）技術(shù)在有限元軟件中的使用，在直觀設計，經(jīng)驗設計和中間結(jié)構(gòu)設計到最后設計階段，給設計任務和分析提供了方便。利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，設計者可以結(jié)合有限元分析，優(yōu)化和 CAD 來完成工程繪圖設計。使用有限元軟件，Ansys 中有一個參數(shù)化建模模塊和優(yōu)化功能。一個擁有小尺寸元素參數(shù)的二維模型，這種模塊可以用來尋找最佳解決方案。但對于三維模型部分必須用一些新的優(yōu)化程序。修改環(huán)應用在 CAO 程序和曲線擬合集成中。為了分散應力集中，內(nèi)外槽沿環(huán)旋轉(zhuǎn)。應力的均布如人們所期望的一樣。通過設置半徑變量，對環(huán)內(nèi)部（1） ，環(huán)接觸面（2） ，和環(huán)外部（3）進行了勘測。如圖 7 所示。從分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，隨槽半徑的增加，應力集中移動到了內(nèi)部區(qū)域（圖 10） 。有一半環(huán)槽的表面應力比沒有環(huán)槽時減小了 3mm，但是隨著槽半徑的不斷擴大，槽的應力集中反而會增大（圖 11-13） 。11圖 11 預測馮-偏出對環(huán)內(nèi)表面的應力圖 12 預測馮-偏出對環(huán)接觸表面的應力圖 13 預測馮-偏出對環(huán)外表面的應力為了找到最佳的槽尺寸，發(fā)現(xiàn)了曲線擬合方程 Eqs.（7）和 Eqs.（8） ，還有一個交叉點。(7)Re5126.0max87???(8)71.83.9.?經(jīng)過優(yōu)化，當槽半徑為 R=1.947mm 時，在接觸線和環(huán)內(nèi)部的最大應力值為263MPa（圖 14） 。12圖 14 最大趨勢曲線。接觸應力和內(nèi)表面應力與槽尺寸三種被測方案和疲勞破壞的減?。ū?3）表 3點蝕數(shù)6. 結(jié)論經(jīng)過對無級變速器摩擦環(huán)的分析，通過有限元模型的參數(shù)化優(yōu)化編制，內(nèi)部高應力減小到臨界水平。在接觸面內(nèi)設計一個環(huán)槽來減小應力集中。為了探討有限元模型的三維結(jié)果，使用了新的優(yōu)化程序。CAO 程序和曲線擬合集成用來修改環(huán)的截面形狀和尺寸。為了找到最佳預測半徑，對最大應力曲線進行了研究。發(fā)現(xiàn)當槽半徑為 R=1.95mm 時為最理想的情況。為了便于樣板制造，在編制中使用 R=2mm。致謝此研究工作所提交的文件是 1998-1999 年在伊斯坦布爾技術(shù)大學，土耳其和美國設計與研究制作所完成的。作者很感謝土耳其（Turkiye Bilimsel ve Teknik Arastima Kurumu）和北約科學與技術(shù)研究委員會的支持。作者很感謝 F.Tsnis 先生，T.Kurtul 先生，T.Kiel 先生和 I.Fidan 先生他們的協(xié)助，并想感謝 Emkor 合作社給予許可，發(fā)表這篇文章。特別要感謝那些評審。13參考文獻[1] D.C. 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