從動盤總成扭轉剛度特性的仿真分析

謝超

摘要：本文以膜片彈簧從動盤總成作為研究對象，利用有限元分析軟件研究其扭轉剛度特性，即扭轉角度與扭轉輸出力矩的關系。首先，通過三維建模軟件建立從動盤總成的幾何模型。在此基礎上，導入有限元軟件并通過定義材料屬性、接觸面屬性、單元網格的劃分、設置載荷步、邊界條件以及載荷以建立從動盤總成的有限元模型。最后對其進行求解來分析從動盤總成的扭轉剛度特性。仿真結果表明，采用有限元軟件研究從動盤總成的扭轉剛度特性是可行的。

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.

關鍵詞：從動盤總成;有限元分析;扭轉剛度特性

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

中圖分類號：U463.211? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0051-03

0? 引言

從動盤總成是離合器總成的重要組成部件，研究一些與其相關的基本特性是很有必要的。采用三維建模軟件對從動盤總成進行幾何建模，并運用有限元分析軟件對其進行仿真研究，得出扭轉剛度特性的仿真曲線，明確扭轉角度與扭轉輸出力矩之間的關系，最后與理論結果比較，對設計從動盤總成有著極大的幫助。

1? 從動盤總成幾何模型的建立

1.1 從動盤總成幾何建模

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

從動盤通過摩擦將發動機的扭矩傳遞給變速器，減少傳動系統的振動和沖擊，并完成“離”、“合”的任務。當離合器處于接合狀態時，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，傳遞系統中的噪音變小，并且減輕了沖擊和扭轉共振。

由于從動盤的結構與形狀比較復雜，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零件進行裝配工作，從而組裝成從動盤總成[1]。

減振彈簧建模過程：先畫一條直線，利用螺旋線命令，設置減振彈簧的起點、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節。

從動盤本體與減振器盤建模過程：因為這兩個零件的結構和形狀比較相似，所以建模過程也基本相同。因為兩個零件都必須是曲面凸臺，所以可以通過肋命令進行設置。先畫出曲面凸臺的底部曲線與截面的草圖，然后用肋命令對這兩個草圖進行選擇，最后得出曲面凸臺。

1.2 從動盤總成的幾何模型簡化

從圖1可看出，從動盤總成的零件較多且結構復雜，數值仿真模型的建立與仿真計算有著一定的難度，所以為了提高效率，在不影響結果的情況下應對從動盤總成的幾何模型進行簡化處理。

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

為了便于仿真計算，在保持其扭轉剛度特性[2]不變的基礎上，將波形彈簧片簡化成具有相同厚度的薄壁圓環，并省略摩擦片和減振器盤。

從動盤總成的幾何模型建立完成后，將其導入有限元軟件中，對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節問題進行幾何修正，方便后續的分析與計算。用輔助實體部件代替減振彈簧，分別連接從動盤轂和從動盤本體。由于仿真軟件中可以對從動盤總成零件的接觸面進行定義綁定連接，所以可以舍去固定零件的螺栓與鉚釘。簡化后的從動盤總成三維模型如圖2所示。

2? 從動盤總成仿真模型的建立

2.1 定義材料屬性

由于從動盤總成中的零件相對比較多，為方便仿真模型的建立，減振器盤、從動盤轂、從動盤本體、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構鋼，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行簡化并由輔助元件進行代替，為了防止輔助元件在進行計算時產生形變，將輔助元件的彈性模量設為2×106MPa ，以此來提升它的剛度[3]。

2.2 定義接觸面屬性

2.2.1 實際接觸屬性

實際從動盤總成中產生的接觸對有：摩擦片與波形彈簧片、從動盤本體與波形彈簧片、減振器盤與從動盤轂、減振器盤與從動盤本體、從動盤本體與阻尼片。摩擦片與波形彈簧片用鉚釘固定在一起，從動盤本體與波形彈簧片也是由鉚釘固定，減振器盤與從動盤轂之間有一定的摩擦，減振器盤與從動盤本體用螺栓固定在一塊。從動盤轂兩側各有一個阻尼片，這些環片狀圓片與從動盤本體之間有一定的摩擦，這樣可以衰減一些扭轉振動。

2.2.2 仿真接觸屬性

因為從動盤總成在工作過程中，各個部件之間都有接觸，所以需要定義相互接觸的部件的接觸屬性，即接觸面設置和摩擦系數設置[4]。根據有關文獻參考，金屬部件之間接觸面的摩擦系數在0.05～0.1，在此從動盤總成中存在摩擦的接觸面為從動盤轂與兩側的阻尼片，所以設置其摩擦系數為0.1。

在從動盤總成的實際工作中，有些零件是因為用鉚釘或螺栓固定而一起運動，用鉚釘和螺栓進行連接的位置被設置為綁定連接。由于模型進行簡化，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行代替，所以本次研究的綁定連接之處為輔助元件與從動盤轂和從動盤本體的接觸面。

在定義有限元分析過程中接觸面的綁定連接設置時，將零件中相對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系，對仿真研究的結果影響較小。

2.3 單元網格劃分

如圖3所示，對從動盤總成進行單元網格劃分，整個從動盤總成一共有13688個網格單元，從動盤本體的網格數目為5781個，阻尼片的網格數目為94個，從動盤轂的網格數目為3838個，簡化波形彈簧片的網格數目為3689個，單個輔助元件的網格數目為48個。

2.4 分析載荷步設置

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

2.5 邊界條件和載荷的分析和設置

2.5.1 實際約束情況

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

2.5.2 仿真中載荷與邊界條件處理

在實際從動盤總成的工作過程，由于將零件進行簡化后，波形彈簧片的轉動通過中間部件傳遞給從動盤轂。所以，在此仿真研究中要對從動盤轂要進行自由度的約束，除了軸向旋轉的自由度，其余自由度都要固定[5]。同樣，對施加扭轉載荷的波形彈簧片進行相同的自由度固定，只對軸向旋轉施加100°的旋轉角度。

3? 從動盤總成扭轉特性仿真結果

在從動盤總成扭轉的數值仿真模型建立完成后，對模型進行仿真計算，結果得出從動盤總成輸出力矩與扭轉角度的曲線，如圖4所示。

由圖4可見，在從動盤總成中的仿真研究中，當簡化過的波形彈簧片剛開始旋轉時，從動盤轂并沒有產生扭轉力矩。隨著波形彈簧片扭轉角度漸漸增大，從動盤轂開始輸出扭轉力矩，而且開始隨著扭轉角度的增大而增加。這與實際情況是完全吻合的，可見本文對從動盤總成的建模及有限元分析是有效的。

4? 結論

本文利用三維建模軟件對從動盤總成進行幾何建模，用有限元仿真軟件研究從動盤總成的扭轉特性。為方便對其進行仿真計算，對幾何模型進行簡化處理，由于建立減振彈簧的數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。建立從動盤總成數值仿真模型的主要步驟為定義材料屬性和接觸面屬性、單元網格劃分、定義分析載荷步、設置邊界條件和載荷等，最后得出了與實際情況向吻合的從動盤總成扭轉力矩與扭轉角度的關系曲線。

參考文獻：

[1]王玉海，宋健，李興坤.離合器動態過程建模與仿真[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矩傳遞特性建模與計算方法研究[D].北京交通大學，2010.

[3]許敏.膜片彈簧離合器結構優化與仿真分析[D].中北大學，2018.

[4]任洪海.膜片彈簧離合器傳遞轉矩特性仿真與試驗研究[D].重慶理工大學，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].杭州市工人業余大學，2011，28（07）：809-812.