某430型膜片彈簧離合器蓋零件的變形分析

張萬(wàn)盛

摘要：汽車(chē)膜片彈簧離合器蓋零件是車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行受力和變形分析有助于深入掌握零件形變對(duì)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程的影響，提高汽車(chē)安全性能。本文采用UG6.0軟件對(duì)蓋零件進(jìn)行三維建模，再用ANSYS Workbench14.5軟件平臺(tái)對(duì)蓋零件進(jìn)行有限元分析。構(gòu)建了精確的三維實(shí)體模型，解決了以往有限元分析對(duì)模型的大幅度簡(jiǎn)化，導(dǎo)致用于分析的模型與實(shí)物差別很大，分析結(jié)果可信度低的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：膜片彈簧離合器蓋零件;靜力學(xué)分析;變形分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U468.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0081-02

0? 引言

膜片彈簧離合器是用膜片彈簧替代傳統(tǒng)的螺旋彈簧及其分離桿機(jī)構(gòu)而構(gòu)成的離合器，主要分推式和拉式兩種類(lèi)型。膜片上面的彈簧以及壓盤(pán)會(huì)通過(guò)整個(gè)圓周的接觸部位，來(lái)讓彈簧的壓力分布逐漸變得均勻起來(lái)，并且對(duì)于膜片彈簧來(lái)說(shuō)，其具有非線性彈性的一個(gè)特點(diǎn)，能夠在動(dòng)盤(pán)的摩擦片開(kāi)始被磨損之后，還依然可以穩(wěn)定的傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。膜片彈簧通過(guò)鉚釘與蓋零件連接在一起。彈簧與蓋零件之間有支撐環(huán)，起到支點(diǎn)作用。蓋零件又通過(guò)傳動(dòng)片，將壓盤(pán)連接在蓋總成上。在離合器結(jié)合狀態(tài)，膜片彈簧幾乎處于壓平狀態(tài)，從而使壓盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)，從動(dòng)盤(pán)與飛輪緊密相連，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的傳遞。在離合器分離時(shí)通過(guò)推壓膜片彈簧小端，實(shí)現(xiàn)膜片彈簧錐角的反轉(zhuǎn)，使膜片彈簧大端升起，減輕對(duì)壓盤(pán)的壓力，壓盤(pán)因受傳動(dòng)片升力作用而升起，實(shí)現(xiàn)離合器的分離。而所有這些壓力和升力，最終都是來(lái)自于離合器蓋零件，所以對(duì)蓋零件的變形情況進(jìn)行分析，就顯的格外重要了。

對(duì)于膜片的彈簧離合器來(lái)說(shuō)，一些重點(diǎn)的零件設(shè)計(jì)能夠讓彈簧離合器在各個(gè)方面都有所改進(jìn)，并且從這幾年中，也有大部分的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了分析。比如，在長(zhǎng)春理工大學(xué)的任濤等專(zhuān)業(yè)人士，就共同建立了離合器膜片的三維模型，隨后對(duì)其進(jìn)行了分析，最后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，得到了一個(gè)與工廠實(shí)驗(yàn)值很接近的膜片彈簧有限元分析的變形曲線。與此同時(shí)，陳國(guó)金、殷小亮等人也通過(guò)使用有限元技術(shù)來(lái)對(duì)離合器的摩擦片進(jìn)行了深入的分析，并對(duì)熱傳導(dǎo)物理模型，開(kāi)始了有限元分析，最后經(jīng)過(guò)努力，得到了在熱載荷條件之下的摩擦片的溫度和應(yīng)力分布的情況。嚴(yán)正峰、顏東等為保證某型430拉式膜片彈簧離合器蓋的平面尺寸，采用了反向鐓壓填補(bǔ)頂部材料來(lái)拓展平面的方法，減小零件的變形量。金衛(wèi)東通過(guò)使用ANSYS Workbench這一個(gè)軟件來(lái)對(duì)膜片彈簧開(kāi)展了有限元分析，與此同時(shí)，針對(duì)靜力分析也逐漸的找到了膜片彈簧應(yīng)力變化的規(guī)則。付建蓉通過(guò)對(duì)離合器蓋上面的有限元建模，也逐漸的進(jìn)行了精力分析，同時(shí)在分析的過(guò)程中又進(jìn)行了疲勞分析，給企業(yè)單位的研究改進(jìn)離合器蓋提供了有效的模擬數(shù)據(jù)。曾環(huán)曾經(jīng)對(duì)某一家公司的膜片癱瘓開(kāi)展了三維建模。與此同時(shí)，在Hypermesh這一個(gè)軟件當(dāng)中進(jìn)行了六面體的網(wǎng)格劃分。通過(guò)用ANSYS/LS-DYNA這一個(gè)軟件，來(lái)對(duì)彈簧進(jìn)行隱式和顯式的求解。在對(duì)膜片彈簧開(kāi)始進(jìn)行預(yù)載荷子之后，就可以通過(guò)模擬出來(lái)的膜片小端來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。這同時(shí)，也有效的驗(yàn)證了這一膜片彈簧并沒(méi)有超過(guò)屈服極限，并且其滿足的條件就是需要設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。最后，通過(guò)對(duì)均勻優(yōu)化的使用方式，來(lái)對(duì)膜片彈簧的結(jié)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行離散優(yōu)化，一次能夠有效的讓膜片彈簧工作性能逐漸的提高起來(lái)。王文娟、周家婕等學(xué)者通過(guò)所給到的性能參數(shù)，來(lái)有效設(shè)計(jì)膜片彈簧離合器，隨后通過(guò)離合器的組成和設(shè)計(jì)要求等，來(lái)選擇結(jié)構(gòu)分析形勢(shì)，最后保證其相關(guān)的參數(shù)可以被確定下來(lái)，通過(guò)使用 CATIA 軟件來(lái)對(duì)離合器的3D模型進(jìn)行繪制。劉從權(quán)、陳照中等專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)，通過(guò)使用UG軟件成功建立出來(lái)了一個(gè)離合器模型彈簧的三位模型。隨后，通過(guò)使用NX nastran軟件有限元分析功能，來(lái)對(duì)膜片彈簧開(kāi)始進(jìn)行了在危險(xiǎn)工況條件之下的靜應(yīng)力計(jì)算，找出了其危險(xiǎn)疲勞點(diǎn)。

1? 膜片彈簧離合器介紹

膜片彈簧離合器位于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間的飛輪殼中，離合器組件通過(guò)螺釘固定在飛行器上。在車(chē)輪的后平面上，離合器的輸出軸是變速器的輸入軸。與此同時(shí)，在進(jìn)行開(kāi)車(chē)的時(shí)候，駕駛員也能夠通過(guò)踩下或者松開(kāi)離合器的踏板，來(lái)讓發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱分離，隨后再進(jìn)行接合，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入動(dòng)力能夠傳遞到變速器中。該系統(tǒng)的功能是：使汽車(chē)平穩(wěn)起步、中斷動(dòng)力系統(tǒng)、匹配變速、防止傳動(dòng)過(guò)載。膜片式彈簧離合器是近年來(lái)在汽車(chē)和輕型卡車(chē)中廣泛使用的一種離合器。作為彈簧，它還可以用作釋放桿，從而簡(jiǎn)化了離合器的結(jié)構(gòu)并使得離合器的軸向尺寸減小。其次，因?yàn)槟て瑥椈珊蛪喊逶谡麄€(gè)圓周上的接觸，壓力分布是均勻的。另外，由于膜片彈簧的非線性彈性特性，可以在摩擦片磨損后，彈簧仍然可以可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩而不會(huì)滑動(dòng)。離合器分離時(shí)，離合器踏板易于操作，并減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，因?yàn)楦裟な且环N對(duì)稱(chēng)零件，平衡性好，在高速下，其壓縮力減小得很少，而周?chē)膹椥噪x合器則在高速下布置，當(dāng)彈簧嚴(yán)重鼓脹時(shí)，由于離心力引起的側(cè)向偏斜，壓力板的壓縮減小，使離合器傳遞的扭矩容量下降。因此，可以看出，輕型汽車(chē)的膜片組合器的設(shè)計(jì)與研究對(duì)提高汽車(chē)離合器的性能具有重要意義。所謂的膜片彈簧，作為壓縮彈簧，由彈簧鋼制成，形狀為“無(wú)底板”，薄壁隔膜是一個(gè)圓錐臺(tái)，圓錐形表面的小端開(kāi)有許多徑向凹槽，以形成彈性杠桿，大端截頭圓錐的其余部分（沒(méi)有凹槽）起著彈簧的作用。并且，膜片彈簧的兩邊都有一個(gè)支撐環(huán)，其定位就是根據(jù)固定的離合器蓋上面的鉚釘進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)出來(lái)的。將離合器蓋用螺栓固定在飛輪上時(shí)，因?yàn)殡x合器蓋朝向飛輪，所以支撐環(huán)被壓在薄膜彈簧上，彈簧使其發(fā)生彈性變形，錐尖角變大，膜片彈簧幾乎變平。同時(shí)，大端向壓盤(pán)產(chǎn)生壓力，使離合器處于結(jié)合狀態(tài)。當(dāng)離合器分離時(shí)，釋放軸承向前移動(dòng)，膜片彈簧壓住前支撐環(huán)并將其作為支撐點(diǎn)進(jìn)行反錐形變形，從而使得膜片彈簧的大端向后移動(dòng)，用釋放鉤向后拉壓力板以分離離合器。膜片式的彈簧離合器所具有的特點(diǎn)就是：首先，膜片彈簧是具有非線性特性的，因此，即使在摩擦板上經(jīng)過(guò)磨損之后，依舊會(huì)保持一個(gè)恒定的狀態(tài)，并且分離離合器時(shí)，可以減小踏板力，使操作輕巧;其次，膜片彈簧的安裝位置相反，組合軸的中心線是對(duì)稱(chēng)的，所以，整個(gè)離心力也絲毫不會(huì)給壓縮力帶來(lái)影響。除此之外，對(duì)于膜片彈簧自身來(lái)說(shuō)，還可以被當(dāng)成壓縮彈簧，以使離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，零件數(shù)量減少，質(zhì)量減少，軸向尺寸大大縮短。另外，由于隔膜彈簧和壓板接觸整個(gè)圓周，使壓力分布均勻，摩擦板接觸良好，摩擦均勻，也容易實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)和散熱。

2? 膜片彈簧離合器蓋零件工作狀態(tài)

膜片彈簧離合器由蓋總成（包括：蓋零件、膜片彈簧、支承環(huán)、支承環(huán)鉚釘、壓盤(pán)、蓋鉚釘、傳動(dòng)片等零件）和從動(dòng)盤(pán)總成（包括：摩擦片、波形片、支承盤(pán)、減振大彈簧、減振小彈簧、阻尼彈簧片、阻尼片、摩擦片鉚釘、阻尼彈簧座等零件）組成。與此同時(shí)，在離合器蓋上和飛輪裝配之前，膜片彈簧和飛輪安裝面之間存在的間隙十分的微小，并且由于膜片彈簧所處于的狀態(tài)就是自由狀態(tài)，因此在經(jīng)過(guò)離合器蓋以及飛輪的裝配之后，膜片彈簧也始終都能夠處于一個(gè)近似壓平的接合狀態(tài)，并且離合器蓋也會(huì)隨著外側(cè)的支承環(huán)來(lái)給彈簧進(jìn)行加壓，并和彈簧大端的支承反力互相保持一個(gè)平衡狀態(tài)。在這樣的過(guò)程中，蓋零件上所受的力也隨之變化。如果蓋零件強(qiáng)度不夠，在承受峰值載荷時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的變形，從而減小壓盤(pán)的升程，使離合器產(chǎn)生分離不清或分離滯后的故障。

3? 蓋零件的有限元分析

3.1 三維建模

在對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析之前，精確的創(chuàng)建零件的三維模型是必不可少的。以往的研究者們，多因?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)不足，繪圖軟件使用不精等原因，對(duì)像離合器蓋這類(lèi)復(fù)雜零件總是簡(jiǎn)化再簡(jiǎn)化，構(gòu)建的三維模型和零件實(shí)物相差甚大，實(shí)際參考意義不大。而作者熟練掌握UG6.0軟件，所以可以精確的構(gòu)建各類(lèi)復(fù)雜的零部件三維模型。在本文中，作者使用UG6.0作為三維繪圖軟件，使用其鈑金功能，構(gòu)建出了430型膜片彈簧離合器的蓋零件三維模型。

3.2 載荷的加載

在本次分析中，因?yàn)樯w零件就是用普通的3-7mm厚的鋼板沖壓而成，所以作者將蓋零件的材料設(shè)置為Workbench默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼，其材料參數(shù)不需要設(shè)置。在載荷加載時(shí)，作者將蓋鉚釘安裝面作為固定面，對(duì)其施加固定約束，再將膜片彈簧壓縮產(chǎn)生的彈性張力與實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬離合器分離時(shí)施加在膜片彈簧小端的力作為支撐環(huán)對(duì)蓋零件施加的壓力;在此要注意，在膜片彈簧離合器安裝狀態(tài)下，膜片彈簧處于壓平狀態(tài)，其對(duì)蓋零件是有一個(gè)向上的壓緊力的;而在對(duì)膜片彈簧小端施加載荷時(shí)，其對(duì)蓋零件的壓緊力實(shí)際上是向下的，在本文中，我們通過(guò)加載一個(gè)比膜片彈簧壓平狀態(tài)的壓緊力與小端加載壓力之和稍大的力，來(lái)達(dá)到在ANSYS軟件中分析出來(lái)的變形量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在關(guān)鍵點(diǎn)處變形量誤差不大于11%的模型，該合力為66500N。

4? 結(jié)論

通過(guò)有限元分析作者得出以下結(jié)論：

①由于理想模型與實(shí)際零件的差異，取點(diǎn)的不準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)備與人員的誤差，圖樣狀態(tài)分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果有一定的差距，但是重要點(diǎn)A2、A3、B2、B3、C2、C3、D1、D2的誤差均不超過(guò)11%，故判定此分析結(jié)果有效。

②從六個(gè)改進(jìn)方案來(lái)看，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，不管是關(guān)鍵零件強(qiáng)度的改進(jìn)還是整機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性改進(jìn)，都不會(huì)一蹴而就，而是在一點(diǎn)一滴的改進(jìn)中達(dá)到作者想要的目標(biāo)。

③對(duì)于類(lèi)似于本文中的蓋零件，要想使其支承環(huán)安裝面的變形量得以減小，主要可以從以下方面著手：

1）合理的改進(jìn)零件的結(jié)構(gòu)，改善蓋零件的應(yīng)力分布情況，目的是使蓋零件的應(yīng)力分布更均勻;

2）加強(qiáng)零件關(guān)鍵位置的強(qiáng)度，如可以在關(guān)鍵位置增設(shè)加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，使關(guān)鍵位置的變形量減小;

3）加強(qiáng)零件的整體強(qiáng)度，如可以將零件的厚度加厚。

④ANSYS Workbench協(xié)同平臺(tái)軟件為分析膜片彈簧離合器關(guān)鍵零件提供了有利的工具，分析結(jié)果貼近工程實(shí)際。

⑤本文中分析結(jié)果所得到的膜片彈簧離合器蓋零件的等效應(yīng)力分布狀態(tài)及變形情況可為汽車(chē)膜片彈簧離合器設(shè)計(jì)者提供一定的理論參考。

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