干式雙離合器膜片彈簧的有限元分析

尹宗軍 汪帆 王玲芝 陳晨 蘇蓉 劉雨

摘 要：離合器是汽車結(jié)構(gòu)中重要的零部件之一，它主要用來(lái)傳遞和切斷動(dòng)力。離合器有很多種，其中膜片彈簧離合器應(yīng)用最為廣泛。文章利用軟件UG建立了膜片彈簧三維實(shí)體模型，將三維實(shí)體模型以STP格式導(dǎo)入到Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對(duì)某一工況下的受力，利用ABAQUS對(duì)膜片彈簧進(jìn)行有限元計(jì)算，最后得到了膜片彈簧Mises應(yīng)力云圖。

關(guān)鍵詞：干式雙離合器膜片彈簧;有限元分析;應(yīng)力云圖

中圖分類號(hào)：U262.31+1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-152-02

Abstract： The clutch is one of the important parts in automobile structure. It is mainly used to transfer and cut off power. There are many kinds of clutches， among which the diaphragm spring clutch is the most widely used. In this paper， the three-dimensional solid model of diaphragm spring is established by using UG software， and is imported into HyperMesh software in STP format for mesh generation. According to the stress under a certain working condition， it is submitted to ABAQUS for finite element calculation， and finally the Mises stress nephogram of diaphragm spring is obtained.

Keywords： Diaphragm spring; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U262.31+1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-152-02

前言

膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于乘用車上。雙離合器自動(dòng)變速器作為一種新型的自動(dòng)變速器，綜合了液力變矩器和機(jī)械自動(dòng)變速器的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)換擋過(guò)程動(dòng)力不間斷，減少換擋時(shí)間，提高換擋品質(zhì)，增加汽車舒適性，已成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)[1，2]。

趙金璐[3]闡述了干式離合器的組成與工作機(jī)理，同時(shí)對(duì)膜片彈簧小端的分離特性進(jìn)行了仿真分析，對(duì)膜片彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)探究了膜片彈簧的力學(xué)特性。浦宇斌[4]研究了干式雙離合器摩擦副在接合過(guò)程中的溫升對(duì)提高控制精度以及使用壽命的影響，同時(shí)基于溫升仿真結(jié)果，計(jì)算得到了壓盤和摩擦片的應(yīng)力及變形情況。薄小斌[5]通過(guò)HyperMesh仿真膜片彈簧的接合和分離過(guò)程，驗(yàn)證了膜片彈簧滿足材料強(qiáng)度要求，并得出膜片彈簧若在實(shí)際工作中分離指部分剛度偏低，會(huì)造成分離行程偏長(zhǎng)的現(xiàn)象。戰(zhàn)東紅[6]對(duì)干式雙離合器的參數(shù)化設(shè)計(jì)及熱分析展開研究，以CATIA三維建模系統(tǒng)為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)干式雙離合器結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了裝配參數(shù)化設(shè)計(jì)。宋宏斌[7]使用MATLAB中的遺傳算法工具箱優(yōu)化了膜片彈簧在磨損范圍內(nèi)優(yōu)化前后壓緊力變化減少，提高了壓緊力的穩(wěn)定性。

本文以某干式雙離合器自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，分別針對(duì)雙離合器內(nèi)膜片彈簧的工作特性，對(duì)膜片彈簧進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

1 膜片彈簧有限元分析模型建立

1.1 干式雙離合器膜片彈簧受力分析膜片彈簧所受載荷F計(jì)算公式如下：

（1）

式中E為彈性模量（Mpa），取2.06×105Mpa;μ為泊松比，取0.290。膜片彈簧I和膜片彈簧II的基本參數(shù)如表1所示，其中R為摩擦片外徑（mm），r為摩擦片內(nèi)徑（mm），L為壓盤接觸半徑（mm），rf為彈簧小端半徑（mm），H為碟簧部分的原始內(nèi)截錐高，h為彈簧片厚。

膜片彈簧的基本參數(shù)和離合器與壓盤間隙為1mm，把這些基本參數(shù)代入上述公式，可以計(jì)算出在膜片彈簧I在沒有發(fā)生變形時(shí)所受到力0N，在膜片彈簧II發(fā)生形變時(shí)所受到的力1263N，此時(shí)壓盤所受到的力5225.5N。再計(jì)算膜片彈簧I分離指端的壓力為1263N，膜片彈簧II分離指端所受到的壓力為1276N，膜片彈簧分離指端所受到的總壓力F1=1518N，F(xiàn)2=2539N。

1.2 幾何模型建立

用軟件UG建立膜片彈簧三維實(shí)體模型，將三維實(shí)體模型以STP格式導(dǎo)入到Hypermesh軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。其中為方便邊界條件加載，用圓環(huán)替代支撐部位。對(duì)膜片彈簧分析主要關(guān)注其強(qiáng)度是否合格。網(wǎng)格劃分圖如下圖1所示，網(wǎng)格類型選擇C3D8R，C表示為實(shí)體單元，3D表示為三維，8是這個(gè)單元所具有的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，R指這個(gè)單元是縮減積分單元。

1.3 材料模型的建立

本文膜片彈簧材料選取的是60Si2MnA。假設(shè)其材料為各向同性材料，其選取材料參數(shù)如表2所示。

1.4 初邊界條件的確定

依據(jù)彈簧的工作特性，膜片彈簧I小端施加載荷為1518N，膜片彈簧II小端施加載荷2539N。具體施加方式為，在膜片彈簧中心處建立RB3主控制點(diǎn)，從控制點(diǎn)為載荷施加區(qū)域，加載力施加到主控制點(diǎn)上。

2 膜片彈簧計(jì)算結(jié)果分析

圖2是膜片彈簧Mises應(yīng)力云圖。從云圖可以看出膜片彈簧I和膜片彈簧II最大應(yīng)力都出現(xiàn)在膜片彈簧分離指和碟簧交界處的圓形窗口附近，最大應(yīng)力分別為77Mpa、202Mpa。由膜片彈簧的最大應(yīng)力小于其材料屈服極限，說(shuō)明膜片彈簧符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

雙離合器自動(dòng)變速器作為一種新型自動(dòng)變速器，已成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。針對(duì)雙離合器常開式膜片彈簧的工作特性，對(duì)膜片彈簧進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以為雙離合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析提供了一定的實(shí)用依據(jù)。本文首先對(duì)某膜片彈簧進(jìn)行實(shí)體建模，并在Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定荷載后，用ABAQUS軟件對(duì)膜片彈簧進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了該膜片彈簧未超過(guò)屈服極限且滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭書志.重載機(jī)械膜片彈簧離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].光機(jī)電信息， 1998，18 （07）：23-25.

[2] 夏長(zhǎng)高，朱茂桃.汽車離合器膜片彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型分析[J].汽車技術(shù)， 1996， 9（12）：14-17.

[3] 趙金璐.干式離合器操縱舒適性仿真與試驗(yàn)研究[D].重慶理工大學(xué)，2018.

[4] 浦宇斌.干式雙離合器摩擦副接合過(guò)程溫升研究[D].江蘇大學(xué)， 2017.

[5] 薄小斌.離合器膜片彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化及特性仿真研究[D].太原理工大學(xué)，2015.

[6] 戰(zhàn)東紅.離合器膜片彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真[D].吉林：延邊大學(xué)， 2017.

[7] 宋宏斌.離合器膜片彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真[D].延邊大學(xué)，2017.