基于有限元分析的農用運輸車離合器設計

沈文浩

（電子科技大學中山學院，廣東 中山 528402）

隨著農用運輸車輛在性能上不斷發展，發動機的功率和轉速不斷提高，使得安全性能對離合器的要求也越來越高。因此，提高離合器的可靠性和延長其使用壽命，適應發動機的高轉速，增加離合器傳遞轉矩的能力和簡化操作，已成為離合器目前發展趨勢。文章將結合有限元分析技術和三維設計方法，進行CAD和CAE的協同設計，在完成結構設計的同時，模擬離合器在不同狀況下的應力和變形狀況，并將計算結果應用于優化設計，從方法上對農用運輸車離合器設計進行有益的探索，并為其結構設計提供重要的參考和借鑒。

1 前言

離合器位于發動機和變速箱之間的飛輪殼內，用螺釘將離合器總成固定在飛輪的后平面上，它的輸出軸就是變速箱的輸入軸。在摩托車行使過程中，駕駛員可根據需要踩下離合器或松開離合器踏板，使發動機與變速箱暫時分離或逐漸接合，以切斷或傳遞發動機向變速器輸入的動力。其構造一般由主動部分（飛輪、離合器蓋、壓盤）、從動部分（從動盤）、壓緊機構（壓緊彈簧）、分離機構（分離拉桿、分離叉、分離套筒、分離軸承、分離杠桿等）和操縱機構（離合器踏板）五大部分組成。摩擦離合器按從動盤的數目分為：單片離合器和雙片離合器；按壓緊彈簧的結構形式分為：螺旋彈簧離合器和膜片彈簧離合器。

2 離合器的設計與尺寸選擇

2.1 摩擦片的材料選擇

摩擦片的材料應滿足以下要求：

（1）具有高而穩定的摩擦系數，對溫度、壓力、滑動速度變化不敏感，動靜摩擦系數差值小。對于濕式摩擦片摩擦系數值的波動不應超過±20%。

（2）具有足夠的強度和耐磨性。

（3）導熱性好，熱容量大，能夠經受較高的溫度而無明顯的變化或碳化、腐蝕等引起材質的改變。

（4）抗膠合性能好，不宜對相對的摩擦表面形成擦傷，易跑合，耐油無腐蝕。

（5）工藝性好，摩擦時無噪聲，無振蕩，無異味，無污染物，成本低。

2.2 主動摩擦片尺寸設計

主動摩擦片外徑D＝110mm。內外徑比值C謖=0.589，內徑d＝92mm，厚度 h＝3.5mm。

工作情況系數K=2，理論轉矩T=13.,7Nm，離合器的接合頻率系數Km=0.72，滑動速度系數KV=1.00，摩擦系數μ=0.15，摩擦面修正系數KZ=0.79，摩擦片的數目Z=6。主動摩擦片的表面結構采用比較常用的徑向溝槽，因為該溝槽冷卻效果好，有利于減少磨損。

2.3 從動摩擦片尺寸設計

從動摩擦片的外徑d1=D1=110mm，從動摩擦片的內徑d2=D2=92mm，從動摩擦片的數目n=z-1=6-1=5，從動摩擦片的厚度2mm，從動片的表面形狀采用方形溝槽，該種溝槽承載能力較大，和主動片的徑向溝槽配合可以得到很好的綜合性能，即摩擦系數大，冷卻散熱快。

3 離合器結構優化設計

離合器的設計要考慮的因素不僅僅是所設計離合器的各項性能要符合要求，而且要考慮到所設計的離合器本身的重量，離合器材料來源是否方便，離合器的成本等等，目前市場上所銷售的濕式多片式離合器的外形尺寸、材料基本一樣，而離合器彈簧根數有區別，分別有4根、6根等情況，因而成本上有著明顯的區別。離合器彈簧決定了離合器輪轂上摩擦片組的受力分布狀況，進而影響離合器壽命，所以通過有限元方法研究在不同彈簧根數下輪轂的受力狀況，可以進行優化設計。

3.1 不同彈簧根數下離合器變形量比較

圖1 離合器位移云圖

3.3 模擬結果討論

通過上述對不同根數彈簧的離合器有限元模擬可以看出：對于不同根數彈簧，輪轂邊緣的變形量基本相等，且變形均勻，而對輪轂底部與側面交界處的影響比較大。而顯然6根彈簧受力更理想，。因此綜合考慮，采用6根彈簧比較理想，而彈簧根數確定后，輪轂、壓盤的形狀和尺寸可以完全確定。

4 結語

本文根據使用環境和設計條件，參考設計手冊，對農用運輸車離合器進行了型式、材料和結構方面的設計和選擇。并使用有限元方法對離合器輪轂在不同根數承載彈簧的條件下的受力情況和變形情況進行了數值模擬，由結果綜合考慮優化選擇6根彈簧均布的形式作為設計結果。通過輔助設計方法和數值模擬的方法相結合，對離合器設計進行了有益的探索，為其結構設計提供重要的參考和借鑒。

[1]梅世明.摩托車自動離合器性能分析與計算[J].摩托車技術，1992，(3):2-6.

[2]吳赤飚.輕便摩托車汽油機離合器的分析和設計[J].摩托車技術，1994，(3):4-7.

[3]唐川江.JH12 5摩托車離合器的結構設計及阻尼分析[J].摩托車技術，2000，(12):7-9.

[4]王金龍.有限元分析與范例解析[M].北京：機械工業出版社，2010.