基于ANSYS的離合器分離拔叉結構優(yōu)化設計

李孝先　羅平　秦滔

摘 要：針對混凝土攪拌運輸車離合器分離拔叉斷裂的故障，根據(jù)離合器工作原理，應用ANSYS軟件對分離拔叉的強度進行有限元分析，根據(jù)仿真結果對分離拔叉的結構進行了優(yōu)化設計，并通過應力測試對優(yōu)化結構進行試驗測試。結果表明：極限工況下，分離拔叉受到的最大應力超過材料的屈服強度，導致分離拔叉開裂，優(yōu)化后的結構滿足極限工況下使用要求。

關鍵詞：攪拌車;ANSYS;分離拔叉;試驗測試

離合器位于發(fā)動機之后、傳動系的始端，是汽車傳動系統(tǒng)中直接與發(fā)動機相聯(lián)系的部件，汽車上采用比較廣泛的是用彈簧壓緊的摩擦離合器（通常簡稱為摩擦離合器）。摩擦離合器又分為推式離合器和拉式離合器，其組成和工作原理基本相同，都由主動部分、從動部分、壓緊裝置、分離機構和操縱機構五大部分組成。

發(fā)動機飛輪是離合器的主動件。帶有摩擦片的從動盤和從動盤轂借滑動花鍵與從動軸（即變速器的主動軸）相連。壓緊彈簧將從動盤壓緊在飛輪端面上。發(fā)動機轉矩即靠飛輪與從動盤接觸面之間的摩擦作用而傳到從動盤上，再由此經過從動軸和傳動系統(tǒng)中一系列部件傳給驅動車輪。彈簧的壓緊力愈大，則離合器所能傳遞的轉矩也愈大。

目前，國內絕大多數(shù)商用車仍采用手動變速箱，在車輛起步和變速箱進行選換檔操縱時，離合器操縱系統(tǒng)必須保證離合器分離，使發(fā)動機動力中斷。分離撥叉在離合器操縱系統(tǒng)屬于執(zhí)行機構，一旦分離撥叉斷裂，離合器將無法分離，導致車輛無法行駛。對于混凝土攪拌運輸車而言，將對客戶造成重大的經濟損失，甚至影響駕駛員及汽車的安全。因此，分離撥叉的改進設計必須充分考慮疲勞強度要求，以滿足混凝土攪拌運輸車使用要求[1-3]。

1 離合器分離撥叉結構及故障現(xiàn)象

拉式離合器操縱系統(tǒng)結構如圖1所示，離合器分離撥叉一端與分離軸承接觸，另一端球窩與推桿接觸。中間可以繞軸承轉動，形成杠桿結構。當離合器踏板傳遞過來的推力作用在分離撥叉下端球窩上時，分離撥叉繞中間軸轉動，從而拉開離合器壓盤，使離合器分離。

通過市場調研發(fā)現(xiàn)車輛行駛到50000公里到60000公里區(qū)間，在一些極限施工工況下，離合器分離撥叉會出現(xiàn)突然斷裂。斷裂位置如圖2所示。

初步分析導致離合器分離撥叉突然斷裂的原因有：（1）材料因素，撥叉本身材質或結構有問題，由于撥叉是鑄鋼件，若撥叉有氣孔、縮松和裂紋等鑄造缺陷或雜質元素偏聚和夾雜物的存在而形成早期裂紋源，導致?lián)懿鏀嗔?。?）結構因素，撥叉本身抗拉強度、抗疲勞強度等力學性能未達標，特別是撥叉在熱處理過程中工藝沒有控制好造成組織未細化，使撥叉過硬過脆，導致?lián)懿鏀嗔选?/p>

為此采用肉眼宏觀觀察、化學分析等手段對斷裂撥叉進行了失效分析，發(fā)現(xiàn)材料及熱處理符合設計要求。

2 離合器分離撥叉仿真分析

ANSYS 軟件具有良好的參數(shù)建模、前后處理智能網絡劃分、優(yōu)化設計、強大的有限元求解功能，廣泛應用于機械制造、石油化工、輕工造船、航空航天、汽車交通、電子、土木工程、水利、鐵道、日用家電的一般工業(yè)及科學研究[4]。

2.1 離合器分離撥叉模型建立

利用Pro/E軟件建立前橋三維模型如圖3所示，分離撥叉材料為鑄鋼ZG310-570，其屈服強度為310MPa，抗拉強度為570MPa，強度仿真分析時定義撥叉材料為線彈性材料，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

2.2 邊界條件及仿真結果

改進前分離撥叉結構見圖3，離合器最大分離力為7400N，分離撥叉杠桿比為1.75，則其兩端受力分別為7400N和4228.6N;按照汽車設計原理，離合器部分的推薦后備系數(shù)為1.75～2.25（載貨車），2.0～3.0（重型車及牽引車），則分離撥叉兩端最大作用力取7400N和4228.6N的1.75～2.25倍（取系數(shù)2），即14800N和8457.2N[1-3]。

對分離撥叉銷孔內壁節(jié)點自由度進行約束，約束除繞X軸旋轉以外的其他自由度。分別對撥叉兩端按上述工況進行加載。對改進前分離撥叉進行有限元強度分析，可知其最大應力為240MPa，應力集中位于加強筋中部偏下區(qū)域（圖4），與實際斷裂位置一致（圖2）。

通過優(yōu)化離合器分離撥叉加強筋，使其圓滑過渡，改進后分離撥叉如圖5所示，并按邊界條件進行強度分析（圖5），可知其最大應力為132MPa（圖5）。

2.3 結果分析

對上述改進前后的分離撥叉強度分析結果對比如上表1。通過分析可知改進前分離撥叉結構不合理，其最大應力大于材料疲勞極限，存在疲勞斷裂的可能;不考慮加工等因素影響，在相同材質、相同工況下，改進后分離撥叉強度更高，其最大應力遠小于材料疲勞極限。

3 試驗測試

分別對改進前和改進后的分離撥叉進行相同工況下的應力測試，參考仿真分析結果，在分離撥叉應力集中區(qū)域貼應變片（圖6）。

通過應力測試可知，改進前后分離撥叉最大應力如表2所示。由試驗結果可知，改進后分離撥叉最大應力小于材料疲勞強度。

由仿真結果與試驗測試結果對比（圖7）可知，二者所得分離撥叉最大應力值比較接近，仿真結果具有一定可信度。因此，在分離撥叉的設計中，可采用強度仿真分析判斷其結構的合理性。

4 結語

由上述分析可知，改進前分離撥叉在混凝土攪拌車上使用時強度不足;而改進后分離撥叉能滿足使用要求，不會產生疲勞斷裂，切換之后的售后市場反饋正常，無斷裂故障發(fā)生;仿真分析方法可有效的判斷分離撥叉結構的合理性，從而為分離撥叉的設計提供有效的參考。

參考文獻：

[1]劉維信.汽車設計.[M]北京：清華大學出版社2001.7.

[2]陳家瑞.汽車構造（下冊）.[M]北京：機械工業(yè)出版社2000.10.

[3]徐石安.汽車離合器（汽車設計叢書）[M].北京：清華大學出版社2004.12.

[4]倪棟等.通用有限元分析ANSYS7.0 實例精解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.9.