從動(dòng)盤總成扭轉(zhuǎn)剛度特性的仿真分析

謝超

摘要：本文以膜片彈簧從動(dòng)盤總成作為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件研究其扭轉(zhuǎn)剛度特性，即扭轉(zhuǎn)角度與扭轉(zhuǎn)輸出力矩的關(guān)系。首先，通過三維建模軟件建立從動(dòng)盤總成的幾何模型。在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)入有限元軟件并通過定義材料屬性、接觸面屬性、單元網(wǎng)格的劃分、設(shè)置載荷步、邊界條件以及載荷以建立從動(dòng)盤總成的有限元模型。最后對(duì)其進(jìn)行求解來分析從動(dòng)盤總成的扭轉(zhuǎn)剛度特性。仿真結(jié)果表明，采用有限元軟件研究從動(dòng)盤總成的扭轉(zhuǎn)剛度特性是可行的。

Abstract： The driven plate assembly of the diaphragm spring was taken as the research object， and its torsion stiffness characteristics， i.e.， the relationship between the torsion angle and the torsion output torque， was studied by the finite element analysis software. Firstly， the geometric model of the driven plate assembly was established by the 3D modeling software. Then the model was imported to the finite element software， and its finite element model was established by defining the material properties and contact surface properties， meshing of element， setting load step， boundary conditions and loads. Finally， it was solved to analyze its torsion stiffness characteristics of the driven plate assembly. The simulation results showed that it was feasible to study the torsion stiffness characteristics of driven plate assembly by the finite element software.

關(guān)鍵詞：從動(dòng)盤總成;有限元分析;扭轉(zhuǎn)剛度特性

Key words： driven plate assembly;finite element analysis;torsion stiffness characteristics

中圖分類號(hào)：U463.211? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0051-03

0? 引言

從動(dòng)盤總成是離合器總成的重要組成部件，研究一些與其相關(guān)的基本特性是很有必要的。采用三維建模軟件對(duì)從動(dòng)盤總成進(jìn)行幾何建模，并運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行仿真研究，得出扭轉(zhuǎn)剛度特性的仿真曲線，明確扭轉(zhuǎn)角度與扭轉(zhuǎn)輸出力矩之間的關(guān)系，最后與理論結(jié)果比較，對(duì)設(shè)計(jì)從動(dòng)盤總成有著極大的幫助。

1? 從動(dòng)盤總成幾何模型的建立

1.1 從動(dòng)盤總成幾何建模

膜片彈簧離合器中的從動(dòng)盤總成主要由從動(dòng)盤轂、從動(dòng)盤本體、減振器盤、減振彈簧、摩擦片等零件組成。從動(dòng)盤本體與減振器盤通過鉚釘相連，從動(dòng)盤本體上的四個(gè)加強(qiáng)肋用于安裝減振彈簧，波形彈簧片位于兩摩擦片之間，阻尼片位于從動(dòng)盤轂兩側(cè)。從動(dòng)盤總成的組成如圖1所示。

從動(dòng)盤通過摩擦將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳遞給變速器，減少傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊，并完成“離”、“合”的任務(wù)。當(dāng)離合器處于接合狀態(tài)時(shí)，波形彈簧片被壓縮，并且最初彎曲與拱起的部分變平。摩擦片傳遞的扭矩逐漸增加，使接合過程更平滑，傳遞系統(tǒng)中的噪音變小，并且減輕了沖擊和扭轉(zhuǎn)共振。

由于從動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)與形狀比較復(fù)雜，所以用三維建模軟件把所有零件的幾何模型完建好后，才在三維建模軟件中對(duì)零件進(jìn)行裝配工作，從而組裝成從動(dòng)盤總成[1]。

減振彈簧建模過程：先畫一條直線，利用螺旋線命令，設(shè)置減振彈簧的起點(diǎn)、螺距、高度、起始角度等，然后得出減振彈簧大致形狀，最后通過凹槽命令修改細(xì)節(jié)。

從動(dòng)盤本體與減振器盤建模過程：因?yàn)檫@兩個(gè)零件的結(jié)構(gòu)和形狀比較相似，所以建模過程也基本相同。因?yàn)閮蓚€(gè)零件都必須是曲面凸臺(tái)，所以可以通過肋命令進(jìn)行設(shè)置。先畫出曲面凸臺(tái)的底部曲線與截面的草圖，然后用肋命令對(duì)這兩個(gè)草圖進(jìn)行選擇，最后得出曲面凸臺(tái)。

1.2 從動(dòng)盤總成的幾何模型簡(jiǎn)化

從圖1可看出，從動(dòng)盤總成的零件較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)值仿真模型的建立與仿真計(jì)算有著一定的難度，所以為了提高效率，在不影響結(jié)果的情況下應(yīng)對(duì)從動(dòng)盤總成的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

從動(dòng)盤總成中有四個(gè)螺距相等、尺寸相同的減振彈簧。減振彈簧為螺旋形實(shí)體部件，在仿真軟件里很難設(shè)置其固有的彈性，而且減振彈簧與其他零件的接觸面過于復(fù)雜，這使得定義接觸面屬性和仿真計(jì)算變得更加困難。所以，可以考慮用輔助實(shí)體部件代替減振彈簧。

為了便于仿真計(jì)算，在保持其扭轉(zhuǎn)剛度特性[2]不變的基礎(chǔ)上，將波形彈簧片簡(jiǎn)化成具有相同厚度的薄壁圓環(huán)，并省略摩擦片和減振器盤。

從動(dòng)盤總成的幾何模型建立完成后，將其導(dǎo)入有限元軟件中，對(duì)三維模型中多余的邊、尖角、倒角、零件與零件之間的干涉等細(xì)節(jié)問題進(jìn)行幾何修正，方便后續(xù)的分析與計(jì)算。用輔助實(shí)體部件代替減振彈簧，分別連接從動(dòng)盤轂和從動(dòng)盤本體。由于仿真軟件中可以對(duì)從動(dòng)盤總成零件的接觸面進(jìn)行定義綁定連接，所以可以舍去固定零件的螺栓與鉚釘。簡(jiǎn)化后的從動(dòng)盤總成三維模型如圖2所示。

2? 從動(dòng)盤總成仿真模型的建立

2.1 定義材料屬性

由于從動(dòng)盤總成中的零件相對(duì)比較多，為方便仿真模型的建立，減振器盤、從動(dòng)盤轂、從動(dòng)盤本體、阻尼片的材料都定義為剛形體的材料屬性，將這些零件的材料屬性定義為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。其余的零件如波形彈簧片、阻尼片定義為柔性體的材料屬性，定義的彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。由于減振彈簧需要進(jìn)行簡(jiǎn)化并由輔助元件進(jìn)行代替，為了防止輔助元件在進(jìn)行計(jì)算時(shí)產(chǎn)生形變，將輔助元件的彈性模量設(shè)為2×106MPa ，以此來提升它的剛度[3]。

2.2 定義接觸面屬性

2.2.1 實(shí)際接觸屬性

實(shí)際從動(dòng)盤總成中產(chǎn)生的接觸對(duì)有：摩擦片與波形彈簧片、從動(dòng)盤本體與波形彈簧片、減振器盤與從動(dòng)盤轂、減振器盤與從動(dòng)盤本體、從動(dòng)盤本體與阻尼片。摩擦片與波形彈簧片用鉚釘固定在一起，從動(dòng)盤本體與波形彈簧片也是由鉚釘固定，減振器盤與從動(dòng)盤轂之間有一定的摩擦，減振器盤與從動(dòng)盤本體用螺栓固定在一塊。從動(dòng)盤轂兩側(cè)各有一個(gè)阻尼片，這些環(huán)片狀圓片與從動(dòng)盤本體之間有一定的摩擦，這樣可以衰減一些扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

2.2.2 仿真接觸屬性

因?yàn)閺膭?dòng)盤總成在工作過程中，各個(gè)部件之間都有接觸，所以需要定義相互接觸的部件的接觸屬性，即接觸面設(shè)置和摩擦系數(shù)設(shè)置[4]。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)參考，金屬部件之間接觸面的摩擦系數(shù)在0.05～0.1，在此從動(dòng)盤總成中存在摩擦的接觸面為從動(dòng)盤轂與兩側(cè)的阻尼片，所以設(shè)置其摩擦系數(shù)為0.1。

在從動(dòng)盤總成的實(shí)際工作中，有些零件是因?yàn)橛勉T釘或螺栓固定而一起運(yùn)動(dòng)，用鉚釘和螺栓進(jìn)行連接的位置被設(shè)置為綁定連接。由于模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，舍去了兩片摩擦片和減振器盤，并將減振彈簧用輔助部件進(jìn)行代替，所以本次研究的綁定連接之處為輔助元件與從動(dòng)盤轂和從動(dòng)盤本體的接觸面。

在定義有限元分析過程中接觸面的綁定連接設(shè)置時(shí)，將零件中相對(duì)光滑的表面定義為主面，另一接觸面定義為從面，這樣才建立較為完整的接觸關(guān)系，對(duì)仿真研究的結(jié)果影響較小。

2.3 單元網(wǎng)格劃分

如圖3所示，對(duì)從動(dòng)盤總成進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，整個(gè)從動(dòng)盤總成一共有13688個(gè)網(wǎng)格單元，從動(dòng)盤本體的網(wǎng)格數(shù)目為5781個(gè)，阻尼片的網(wǎng)格數(shù)目為94個(gè)，從動(dòng)盤轂的網(wǎng)格數(shù)目為3838個(gè)，簡(jiǎn)化波形彈簧片的網(wǎng)格數(shù)目為3689個(gè)，單個(gè)輔助元件的網(wǎng)格數(shù)目為48個(gè)。

2.4 分析載荷步設(shè)置

從動(dòng)盤總成的載荷是通過摩擦片的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)減振彈簧，從而推動(dòng)從動(dòng)盤轂旋轉(zhuǎn)。仿真軟件中，是用輔助元件來代替減振彈簧帶動(dòng)從動(dòng)盤轂旋轉(zhuǎn)，在分析載荷步時(shí)可以關(guān)閉自動(dòng)分析，一般分析時(shí)間為1s，在施加載荷后為了方便查看結(jié)果可以將載荷步設(shè)置為30步，方便結(jié)果的生成和分析。

2.5 邊界條件和載荷的分析和設(shè)置

2.5.1 實(shí)際約束情況

在實(shí)際從動(dòng)盤扭轉(zhuǎn)過程中，零件固定在一起的有：減振盤與從動(dòng)盤本體、摩擦片與波形彈簧片、波形彈簧片與從動(dòng)盤本體。減振盤、摩擦片、波形彈簧片和從動(dòng)盤本體為主動(dòng)件，通過摩擦片的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)盤本體與減振器盤同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)減振彈簧并帶動(dòng)從動(dòng)盤轂軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)盤轂再將扭矩傳遞到變速器的軸上。所以在從動(dòng)盤總成的工作過程中，其中的零件只能產(chǎn)生軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5.2 仿真中載荷與邊界條件處理

在實(shí)際從動(dòng)盤總成的工作過程，由于將零件進(jìn)行簡(jiǎn)化后，波形彈簧片的轉(zhuǎn)動(dòng)通過中間部件傳遞給從動(dòng)盤轂。所以，在此仿真研究中要對(duì)從動(dòng)盤轂要進(jìn)行自由度的約束，除了軸向旋轉(zhuǎn)的自由度，其余自由度都要固定[5]。同樣，對(duì)施加扭轉(zhuǎn)載荷的波形彈簧片進(jìn)行相同的自由度固定，只對(duì)軸向旋轉(zhuǎn)施加100°的旋轉(zhuǎn)角度。

3? 從動(dòng)盤總成扭轉(zhuǎn)特性仿真結(jié)果

在從動(dòng)盤總成扭轉(zhuǎn)的數(shù)值仿真模型建立完成后，對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果得出從動(dòng)盤總成輸出力矩與扭轉(zhuǎn)角度的曲線，如圖4所示。

由圖4可見，在從動(dòng)盤總成中的仿真研究中，當(dāng)簡(jiǎn)化過的波形彈簧片剛開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)盤轂并沒有產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。隨著波形彈簧片扭轉(zhuǎn)角度漸漸增大，從動(dòng)盤轂開始輸出扭轉(zhuǎn)力矩，而且開始隨著扭轉(zhuǎn)角度的增大而增加。這與實(shí)際情況是完全吻合的，可見本文對(duì)從動(dòng)盤總成的建模及有限元分析是有效的。

4? 結(jié)論

本文利用三維建模軟件對(duì)從動(dòng)盤總成進(jìn)行幾何建模，用有限元仿真軟件研究從動(dòng)盤總成的扭轉(zhuǎn)特性。為方便對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，由于建立減振彈簧的數(shù)值仿真模型比較困難，所以此次研究將減振彈簧用輔助元件代替。建立從動(dòng)盤總成數(shù)值仿真模型的主要步驟為定義材料屬性和接觸面屬性、單元網(wǎng)格劃分、定義分析載荷步、設(shè)置邊界條件和載荷等，最后得出了與實(shí)際情況向吻合的從動(dòng)盤總成扭轉(zhuǎn)力矩與扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉海，宋健，李興坤.離合器動(dòng)態(tài)過程建模與仿真[J].公路交通科技，2004，10：121-125.

[2]李喜娟.汽車膜片彈簧離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性建模與計(jì)算方法研究[D].北京交通大學(xué)，2010.

[3]許敏.膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析[D].中北大學(xué)，2018.

[4]任洪海.膜片彈簧離合器傳遞轉(zhuǎn)矩特性仿真與試驗(yàn)研究[D].重慶理工大學(xué)，2014.

[5]吳君棋，丁建明，殷小亮.膜片彈簧離合器工作過程的仿真研究[J].杭州市工人業(yè)余大學(xué)，2011，28（07）：809-812.