换向器是汽车电机上的重要组成部件,它直接影响汽车电机的寿命和性能。在电动机工作过程中,换向器既要传导电流,进行换向,又要在一定温度条件下进行高速旋转,承受离心力和热应力的作用。特别是当电动机空载时,转速达到最大,此时换向器承受极大的离心力作用,固定铜片的模塑料可能产生微裂纹,继而裂纹扩展,最终造成铜片飞出炸裂的事故。如何利用科学的分析方法分析换向器超速破坏过程、优化换向器设计成为换向器生产商的一个重要课题。在此背景下,本文以某型汽车启动电机换向器为研究对象,结合断裂力学与有限元方法,采用有限元软件ABAQUS对换向器的超速破坏过程进行仿真分析,论述换向器破坏过程中各部件所起到的作用,根据有限元结果指导换向器结构优化设计,并通过换向器超速破坏试验,验证有限元模型的准确性。首先,建立换向器各部件材料参数数据库。通过拉伸试验,得到银铜合金、玻璃纤维加固环和模塑料的基本力学性能参数,并通过三点弯曲裂纹张开试验,得到模塑料的断裂韧度、临界裂纹张开位移等断裂力学参数。其次,利用有限元分析软件ABAQUS建立换向器超速过程的有限元模型,仿真模塑料断裂过程,采用模糊裂缝模型模拟换向器超速过程中裂纹产生和扩展,并结合现场试验验证和完善仿真结果。然后根据仿真结果分析换向器破坏时铜片、模塑料、加固环等各部分的作用,计算换向器超速破坏过程中的应力分布和位移状态,以及裂纹起始点和扩展过程,根据有限元分析结果对换向器的设计优化。最后对优化后的设计进行仿真分析,确定优化结果的可行性,并根据优化设计试制样件,进行超速试验,与仿真分析结果进行比较,发现优化后换向器超速性能得到明显的提高,进一步证实有限元仿真分析可用于换向器超速性能的研究与改进。