離合器分離軸承結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力影響研究

侯秋豐，呂　強(qiáng)，劉雪萊，史浩峰

(1.寧波宏協(xié)離合器有限公司，浙江 寧波 315807；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

?

離合器分離軸承結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力影響研究

侯秋豐1，呂強(qiáng)2，劉雪萊2，史浩峰1

(1.寧波宏協(xié)離合器有限公司，浙江 寧波 315807；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

為了研究離合器液壓分離軸承缸體結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力的影響，建立了液壓分離軸承有限元模型，對(duì)液壓分離軸承密封圈壓入過程進(jìn)行了分析，得到了密封圈壓入力隨位移變化的關(guān)系曲線，并與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。利用建立的模型，分析了軸承缸體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及與密封圈摩擦因數(shù)對(duì)壓入力的影響。結(jié)果表明，在剛被壓入時(shí)，密封圈受到的壓入力波動(dòng)較大，隨后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。降低摩擦因數(shù)，增大缸體的內(nèi)徑和降低缸體外徑可以有效地降低密封圈受到的壓入力。該建模方法和結(jié)論對(duì)液壓分離軸承的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

液壓分離軸承；密封圈；壓入力；有限元分析

離合器作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其操作系統(tǒng)的性能會(huì)直接影響駕駛?cè)说闹饔^感受。調(diào)查顯示，在城市中，公交車駕駛?cè)嗣刻煲?00～1 000次離合器踏板；在相對(duì)擁堵的路段，小轎車每行駛100km，離合器的分離次數(shù)就高達(dá)600次左右[1]。如果離合器操縱性能較差，在如此頻繁操縱條件下，容易導(dǎo)致駕駛?cè)似隈{駛，從而降低汽車的駕駛舒適性。此外，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在汽車維修公司中，離合器的維修率往往排在所有配件中的前三名，離合器分離不良、打滑和踏板沉重等故障，是造成離合器故障的主要原因[2-4]。除了離合器自身可靠性之外，離合器分離軸承性能也是影響離合器故障率的一個(gè)重要因素。分離軸承作為離合器操縱系統(tǒng)的重要零部件，其自身性能將直接影響到整個(gè)離合器踏板機(jī)構(gòu)的操作舒適性，因此，對(duì)離合器分離軸承性能的進(jìn)行深入研究是十分必要的。

目前，汽車離合器操縱機(jī)構(gòu)所用的分離軸承主要分為機(jī)械式和液壓式等2類[5-6]。其中，液壓分離軸承具有摩擦阻力小、接合柔和和效率高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于材料性能的提高，制造工藝和設(shè)計(jì)方法的逐步完善，液壓分離軸承的制造已日趨成熟；因此，液壓分離軸承在各種類型的乘用車、商用車上被廣泛采用[7]。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，對(duì)于離合器分離軸承，大多數(shù)研究人員主要把它與離合器操縱系統(tǒng)整體配套進(jìn)行相關(guān)研究[8-10]，而單獨(dú)對(duì)離合器分離軸承的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，即使是研究離合器分離軸承，也只是研究撥叉式分離軸承[11]，而單獨(dú)對(duì)液壓分離軸承的研究幾乎沒有。

為了研究離合器液壓分離軸承缸體結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力的影響，本文建立了液壓分離軸承有限元模型，對(duì)液壓分離軸承密封圈的壓入過程進(jìn)行了分析。計(jì)算得到了密封圈所受壓入力隨位移變化的關(guān)系曲線，并通過與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。利用建立的模型，分析了軸承缸體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及與密封圈摩擦因數(shù)對(duì)壓入力的影響。本文的建模方法和結(jié)論對(duì)液壓分離軸承的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

1　有限元建模與分析

1.1有限元模型的建立

由于本文主要研究分離軸承缸體結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力的影響，在建模過程中，僅將液壓分離軸承的缸體及密封圈部分做研究對(duì)象，其三維模型如圖1所示。

提取缸體外殼和缸體內(nèi)壁與密封圈接觸的表面以及密封圈上表面，得到簡化后的缸體模型，并保留完整的密封圈模型。為了給壓蓋一個(gè)位移載荷，將密封圈壓入缸體中去，更好地模擬實(shí)際情況，在原始數(shù)模的基礎(chǔ)上，增加了壓蓋部分，壓蓋的下表面外形與密封圈的上表面是吻合的，得到的有限元模型如圖2所示。根據(jù)本文的研究內(nèi)容，需要對(duì)密封圈壓入過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。將缸體固定，并在壓蓋軸向上施加一個(gè)25mm的位移，壓入密封圈。

圖2　液壓分離軸承CAE模型

在CAE計(jì)算時(shí)，考慮到密封圈為橡膠材料，是整個(gè)模型中唯一的變形體，故將密封圈設(shè)置為超彈性體，壓蓋和缸體設(shè)置為離散剛體，不賦予材料屬性。橡膠為非線性超彈性材料，可采用近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivlin模型作為橡膠的本構(gòu)模型[12-13]。Mooney-Rivlin模型能夠較好地模擬橡膠材料的力學(xué)行為，其應(yīng)變能密度函數(shù)模型如下：

(1)

I1= λ12+ λ22+ λ32

(2)

I2= λ12λ22+ λ22λ32+ λ12λ32

(3)

式中，W為應(yīng)變能密度；Cij為Rivlin系數(shù)；I1、I2分別為第1和第2Green應(yīng)變不變量；λ1、λ2和λ3為主伸長比。

本文采用典型的二項(xiàng)參數(shù)Mooney-Rivlin模型，則式1可變換為：

(4)

式中，C10和C01是材料的應(yīng)變能偏量部分有關(guān)的2個(gè)材料常數(shù)，取C10=0.801 6，C01=0.126 9。

1.2模型求解結(jié)果

利用上述建立的有限元模型對(duì)密封圈壓入過程進(jìn)行計(jì)算求解，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　密封圈壓入中結(jié)果云圖

從圖4可以看出，在密封圈剛被壓入的過程中，壓入力波動(dòng)非常大，隨著位移的變化，在壓入超過10mm之后，壓入力逐漸下降并趨于一個(gè)穩(wěn)定值。這是因?yàn)樵诔跏級(jí)喝霑r(shí)，由于缸體存在倒角的緣故，此時(shí)壓蓋所受的支反力不僅是密封圈所受的摩擦力，還有缸體對(duì)密封圈軸向的壓力。在完全壓入缸體中后，壓蓋所受的支反力僅等于密封圈所受動(dòng)摩擦力，理論上來說，此時(shí)密封圈所受摩擦力應(yīng)為一個(gè)恒定的數(shù)值，但由于有限元軟件計(jì)算本身的誤差，計(jì)算結(jié)果會(huì)在一定數(shù)值左右波動(dòng)。故取10mm后的較平線段計(jì)算其平均值，作為密封圈受到的壓入力。

2　試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1試驗(yàn)原理及過程

檢測壓入過程中密封圈所受的壓入力，可以作為液壓分離軸承開發(fā)階段判斷產(chǎn)品性能的重要依據(jù)。本試驗(yàn)采用液壓分離軸承專用力值檢測儀(見圖5)，配合特定的工裝(見圖6)進(jìn)行測試。試驗(yàn)具體過程如下：1)將密封圈裝入工裝中的軸承凹槽，并把軸承組件壓入工裝中的缸體底部；2)將測試工裝掛到測力儀掛鉤上，搖動(dòng)儀器手柄將工裝放入底座夾具上，插入卡板使其固定；3)緩慢搖動(dòng)手柄，使測力儀掛鉤向上移動(dòng)，直至拉動(dòng)軸承組件與缸體分開。移動(dòng)過程中測力儀會(huì)自動(dòng)記錄檢測中的均值。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行3組試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

圖5　力值檢測儀圖6　液壓分離軸承專用工裝

2.2試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析

將試驗(yàn)結(jié)果與CAE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，3次測試結(jié)果差異較小，試驗(yàn)的一致性較好，橡膠密封圈在壓入過程中受到的壓入力約為75N。而CAE計(jì)算出的結(jié)果為71.5N，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差約為5%，驗(yàn)證了所建模型的正確性。

表1　密封圈壓入力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3　缸體結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力影響研究

液壓分離軸承是離合器操縱系統(tǒng)的重要組成部件，它將工作缸、撥叉及分離軸承合成一體，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，離合器踏板力更加柔和。密封圈作為液壓分離軸承的關(guān)鍵零部件，檢測壓入過程中其所受的壓入力，可以作為液壓分離軸承開發(fā)階段判斷產(chǎn)品性能的重要依據(jù)。而密封圈所受壓入力與眾多因素有關(guān)，如密封圈和缸體的材料、缸體內(nèi)壁的表面粗糙度、缸體結(jié)構(gòu)尺寸以及密封圈結(jié)構(gòu)尺寸等。相對(duì)于其他因素的影響，缸體結(jié)構(gòu)尺寸比較好調(diào)整；因此，本文將重點(diǎn)研究缸體結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力的影響。

缸體與密封圈接觸面之間的摩擦因數(shù)是液壓分離軸承重要的性能參數(shù)，直接決定了密封圈壓入過程中所受的壓入力。摩擦因數(shù)主要與缸體和密封圈材料、缸體內(nèi)壁表面粗糙度有關(guān)，實(shí)際中摩擦因數(shù)的獲取由原材料供應(yīng)商提供。利用建立的模型，計(jì)算不同摩擦因數(shù)對(duì)密封圈壓入過程中壓入力的影響情況，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7　摩擦因數(shù)對(duì)密封圈壓入力的影響

從圖7可以看出，隨著摩擦因數(shù)的增大，密封圈所受壓入力近似線性增大，表明在密封圈被壓入之后，其受到的壓入力主要是由于缸體與密封圈之間的摩擦力導(dǎo)致的。

缸體結(jié)構(gòu)尺寸作為缸體結(jié)構(gòu)的另一重要方面，是影響液壓分離軸承性能的重要因素。設(shè)計(jì)合理的缸體結(jié)構(gòu)尺寸，可以有效地改善液壓分離軸承的整體特性。本文根據(jù)液壓分離軸承缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要從缸體內(nèi)壁和缸體外壁等兩方面分別來研究對(duì)密封圈壓入力的影響情況。利用建立的模型分別進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8　缸體內(nèi)壁半徑對(duì)密封圈壓入力的影響

圖9　缸體外壁半徑對(duì)密封圈壓入力的影響

從圖8和圖9可以看出，隨著缸體內(nèi)壁半徑的逐漸增大，密封圈壓入過程中所受壓入力逐漸增大；同樣隨著缸體外壁半徑的逐漸增大，密封圈壓入過程中所受壓入力逐漸減小。在分離軸承的設(shè)計(jì)過程中，可以通過調(diào)整缸體尺寸有效地改變密封圈所需的壓入力。

4　結(jié)語

為了研究離合器液壓分離軸承缸體結(jié)構(gòu)對(duì)密封圈壓入力的影響，建立了液壓分離軸承有限元模型。對(duì)壓入過程進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。利用建立的模型，分析了軸承缸體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及缸體與密封圈之間的摩擦因數(shù)對(duì)壓入力的影響。由研究結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

1)在密封圈剛被壓入缸體時(shí)，由于其自身形變，產(chǎn)生的壓入力波動(dòng)較明顯，隨著壓入位移的增大，形變區(qū)域穩(wěn)定。當(dāng)壓入>10mm之后，壓入力逐漸下降，并趨于一個(gè)定值。

2)3次試驗(yàn)結(jié)果差異較小，試驗(yàn)一致性較好。利用有限元方法計(jì)算出來的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差僅約為5%，驗(yàn)證了所建模型的正確性。

3)隨著摩擦因數(shù)的增大，密封圈所受壓入力近似線性增大，表明在密封圈被壓入之后，其受到的壓入力主要由缸體與密封圈之間的摩擦力導(dǎo)致。增大缸體外徑，減小缸體內(nèi)徑都可以有效地降低密封圈受到的壓入力。

[1] 李震宇，張志剛，周大翠. 離合器操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)研究[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015,29(3):10-14.

[2]KasaiH,InoueN,AsagiY,etal.Auniquedevelopmentmethodformicrocomputercontrolledmechanicalclutchandtransmission[J].SAETransactions, 1986, 95:217-223.

[3] 莫易敏，魏麗娜，姜宏霞. 微型汽車離合器操縱機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的研究[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2009(4):26-28.

[4] 徐丹，胡兵. 前饋加反饋的轉(zhuǎn)向控制對(duì)車輛操縱特性影響研究與仿真[J].新技術(shù)新工藝，2015(7):18-21.

[5] 徐安石，江發(fā)潮. 汽車離合器(汽車設(shè)計(jì)叢書)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2005.

[6] 李鵬，扈文莊，曾莉. 單向離合器軸承的工作原理及應(yīng)用[J]. 軸承，2001(9):10-12.

[7] 孫愛武，榮濰劍，馬明君. 汽車離合器分離軸承技術(shù)發(fā)展[J]. 軸承，2003(5):50-52.

[8] 周大翠，張志剛，石曉輝，等. 離合器操縱系統(tǒng)特性仿真與試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(3):175-177.

[9]HongY,ParkHW,YuSJ,etal.Astudyonclutchactuationsystemprogramdevelopmentusinghysteresismethod[J].SAETechnicalpaperseries, 2008, 1:1685.

[10]HongY,ParkHW,LeeJW,etal.Simulationofclutchactuationsystemforcommercialvehicle[J].InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing, 2010, 11(6):839-843.

[11] 張金煥. 汽車離合器分離軸承模擬試驗(yàn)技術(shù)的研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004.

[12]FiredI,JohonsonAR.Nonlinearcomputationofaxisymmetricsolidrubberdeformation[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering, 1998, 67(2):241-253.

[13]LeeYH,KimDR,ApproximationofcontactstressforacompressedandlaterallyonesiderestrainedO-ring[J].EngineeringFailureAnalysis, 2007, 14(8):1680-1692.

責(zé)任編輯鄭練

InfluenceResearchoftheClutchHydraulicReleaseBearingCylinder’sConstructiononthePressingForceofSealingRing

HOUQiufeng1,LYUQiang2,LIUXuelai2,SHIHaofeng1

(1.NingboHongxieClutchCo.,Ltd.,Ningbo315807,China; 2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

ThefiniteelementmodelofHydraulicreleasebearingisestablishedtostudytheinfluenceoftheconstructionofclutchhydraulicreleasebearingcylinderonthepressingforceofsealingring,andthismodelisusedforanalyzingtheprocessofpressingintothehydraulicreleasebearing’ssealingring.Thecharacteristiccurveofthepressingforceofsealingringandthedisplacementisobtained.Themodelisvalidatedbycomparingthecalculatedandexperimentalresult.Thenusingtheestablishedmodel,theinfluenceofthebearingcylinder’sconstructionandthesealingringfrictioncoefficientforthepressingforceofsealringisanalyzed.Theresultsshowthatthepressingforceofsealingringhasabigfluctuationwhenitisjustpressed,thengraduallyreducesandtendstobestable.Ifthefrictioncoefficientandtheouterdiameterofcylinderreduceortheinnerdiameterofcylinderincreases,thepressingforceofsealingringwouldreduceeffectively.Thedevelopedmodelandconclusionsproposedareinstructiveforthedesignandstructureoptimizationofclutchhydraulicreleasebearing.

hydraulicreleasebearing,sealingring,pressingforce,finiteelementanalysis

2016-01-20

U463；TH137A

候秋豐(1987-)，男，碩士，主要從事汽車動(dòng)力總成NVH等方面的研究。