離合器蓋總成分離特性的仿真分析

周建兵

摘要：本文以膜片彈簧離合器蓋總成為研究對象，利用有限元分析軟件對其分離特性進行研究。首先，利用三維建模軟件建立離合器蓋總成的幾何模型;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離合器蓋總成的有限元模型。最后對其進行求解以分析離合器蓋總成的分離特性，即分離力、壓盤升程與分離行程之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，采用有限元軟件研究離合器蓋總成的分離特性是可行的。

Abstract： The clutch cover assembly of the diaphragm spring was taken as the research object， and its separation characteristics， i.e.， the relationship between separation force， pressure plate lift and separation stroke， 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 separation characteristics of driven plate assembly by the finite element software.

關(guān)鍵詞：離合器蓋總成;分離特性;有限元分析

Key words： clutch cover assembly;separation characteristics;finite element analysis

中圖分類號：U463.211? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0053-02

0? 引言

離合器蓋總成是汽車離合器上的重要部件，進行與其有關(guān)的一些基本特性的研究是非常有必要的。運用三維建模軟件對離合器蓋總成進行幾何建模，并采用有限元分析的方法對其進行仿真研究，可以得出其仿真曲線，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律，可以與理論結(jié)果進行比較。同時，這也可以促進離合器總成的設(shè)計與發(fā)展。

1? 離合器蓋總成幾何模型的建立

1.1 離合器蓋總成幾何建模

離合器蓋總成包括離合器蓋、膜片彈簧、壓盤等元件，其中，壓盤和膜片彈簧分別通過傳動片和鉚釘安裝在離合器蓋內(nèi)。離合器蓋總成中的離合器蓋與壓盤都有著不規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)與形狀[1]。壓盤的形狀為環(huán)形，并且在靠近膜片彈簧的部分有一些環(huán)狀凸起的凸臺。壓盤上力的傳遞是通過傳動片與連接在傳動片上的分離鉤進行的，傳動片的兩端分別裝配在離合器蓋和壓盤上，分離鉤和傳動片用螺栓固定在壓盤上，總共裝有3組傳動片和分離鉤，結(jié)構(gòu)大小完全相同。在對離合器蓋總成進行研究中，不考慮從動盤的形變與受力問題，因此本次研究將從動盤總成進行省略處理。

離合器蓋建模過程：在構(gòu)造離合器蓋的過程中，先對離合器蓋的截面進行草圖繪制，再通過旋轉(zhuǎn)體命令繞Z軸對其進行旋轉(zhuǎn)，畫出大體離合器蓋的形狀[2]。因為離合器蓋的幾何模型形狀大致是呈圓形三等份分布，所以在對其進行凸臺與凹槽的命令之后，可以通過圓形矩陣的命令對其進行三等份旋轉(zhuǎn)得出。

分離鉤建模過程：先將分離鉤分成兩部分，扁平的部分和彎曲的部分。再分別對這兩個部分進行草圖繪制和凸臺命令，最后繪制分離鉤彎曲部分多余的草圖并對其進行凹槽命令。

螺栓建模過程：先是畫出螺栓截面的草圖，利用旋轉(zhuǎn)體命令以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸得出大致的螺栓模型。對其螺紋的設(shè)置可以通過螺紋的命令，對其深度、螺距、直徑等方面進行設(shè)置來得到。最后通過倒角與凹槽來優(yōu)化剩下的細節(jié)。

1.2 離合器蓋總成幾何模型的簡化

將分離軸承簡化成環(huán)形圓環(huán)，將其裝配到膜片彈簧上方，與膜片彈簧分離指部分接觸。由于仿真軟件可以對離合器蓋總成中零件的接觸面定義進行綁定連接，因此可以把固定零件的螺栓與鉚釘舍去（固定膜片彈簧的鉚釘除外）。將建好的離合器總成幾何模型保存為中性文件格式，方便導(dǎo)入ANSYS仿真軟件中。將三維模型導(dǎo)入workbench模塊后，對各個零件進行三維模型的幾何診斷，以防止發(fā)生在建模過程中三維模型出現(xiàn)的邊緣多角、多邊等幾何問題[3]。在不影響建立數(shù)值仿真模型的基礎(chǔ)上，將三維模型中各個零件多余的角、邊、面進行修正，并消除零件與零件之間存在的干涉問題，如圖1。

2? 離合器蓋總成仿真模型的建立

2.1 定義材料屬性

在建立離合器總成數(shù)值仿真模型之前，首先要做的就是導(dǎo)入每個零件所對應(yīng)的材料屬性，之后再導(dǎo)入模型并對各個零件相對應(yīng)的材料屬性進行更改，一般對于零件的材料屬性定義有彈性模量、泊松比等材料屬性。膜片彈簧一般的材料為60Si2MnA，彈性模量定義為2×105MPa，泊松比為0.3。壓盤的材料一般為球墨鑄鐵，彈性模量定義為2×105MPa，泊松比為0.3。其余零件可以將材料屬性定義為結(jié)構(gòu)鋼，定義彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。用此材料屬性進行對離合器蓋總成的仿真分析。

2.2 定義接觸面屬性

在離合器蓋總成的工作過程中，零件與零件之間會發(fā)生一些摩擦，因此也有必要將參與工作過程的零件的接觸面上定義摩擦系數(shù)[4]。零件接觸之間定義的摩擦系數(shù)，主要的在于非線性零件的接觸設(shè)置，離合器蓋總成中非線性零件為膜片彈簧，所以與膜片彈簧的接觸零件，如上支承圈、下支承圈、鉚釘、分離軸承，需要對這些零件進行接觸與摩擦屬性定義。設(shè)置膜片彈簧與上支承圈、下支承圈之間的摩擦系數(shù)為0.18，由于鉚釘在仿真過程中會對膜片彈簧存在干涉，所以在此仿真中不設(shè)置膜片彈簧與鉚釘之間的接觸，將分離軸承和膜片彈簧進行綁定接觸，以防止在仿真過程中膜片彈簧受力不均。

2.3 單元網(wǎng)格劃分

對結(jié)構(gòu)與形狀相對規(guī)則的零件可以采用六面體單元形狀（即長方體）進行網(wǎng)格劃分，對于結(jié)構(gòu)與形狀不規(guī)則的零件則采用四面體進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后的離合器總成的模型如圖2所示。

2.4 分析載荷步設(shè)置

根據(jù)離合器蓋總成實際工作中接合完成的狀態(tài)，膜片彈簧會產(chǎn)生變形。但是在三維建模軟件中只能按照其自由狀態(tài)下進行裝配，這樣會導(dǎo)致壓盤裝配后與膜片彈簧有相對的干涉出現(xiàn)，所以需要將膜片彈簧在三維建模軟件中直接修正為變形后的角度模型，再進行裝配步驟。考慮到在施加載荷后得出的是結(jié)果曲線，所以在設(shè)置仿真載荷步時需要關(guān)閉自動載荷步設(shè)置，一般設(shè)置為1秒中的時間內(nèi)，分為30個載荷步的施加，方便結(jié)果曲線的生成。由于離合器蓋總成中的受力零件為彈性元件膜片彈簧，在受到載荷時會產(chǎn)生比較大的變形量，因此在此載荷步設(shè)置時，需要打開大變形選項。

2.5 邊界條件與載荷的分析與設(shè)置

根據(jù)實際離合器蓋總成的約束情況，分離軸承對膜片彈簧的分離指施加10mm的位移載荷。此時受到上支承圈與下支承圈約束的膜片彈簧的碟簧部分會有向上的軸向運動，導(dǎo)致分離鉤有一個向上的軸向位移，由于分離鉤、傳動片與壓盤綁定在一起，所以分離鉤給壓盤一個向上的軸向位移，使壓盤向膜片彈簧的方向位移，因此在分離狀態(tài)下的壓盤相對自由。安裝在膜片彈簧上端的上支承圈是它的一個支撐點，它的軸向不能產(chǎn)生任何運動，其余方向自由。安裝在膜片彈簧下端的下支承圈靠鉚釘固定在一起，也作為膜片彈簧的一個支撐點，所以它的任何方向不能產(chǎn)生位移。由于離合器蓋底部端面與飛輪固定，為了節(jié)省計算時間，所以將飛輪省略，即直接將離合器蓋底部端面進行固定約束。

3? 離合器蓋總成仿真結(jié)果

建立完成數(shù)值仿真模型、仿真分析與仿真設(shè)置，對離合器蓋總成的分離特性進行仿真計算，得出壓盤行程與分離行程之間的關(guān)系、分離力與分離行程之間的關(guān)系曲線分別如圖3和4所示。

從圖3和圖4可以看出，在離合器分離開始時，分離軸承開始向膜片彈簧的分離指施加載荷。此時，膜片彈簧的大端尚未變形，壓盤不會產(chǎn)生軸向運動，但分離力將逐漸變大。當分離力達到峰值時，膜片彈簧此時將支撐環(huán)作為支點使其大端變形，從而驅(qū)動分離鉤使壓盤朝著膜片彈簧軸向移動，即壓力板開始抬起，此時，傳動板開始回彈。分離行程越大，壓板升程越大。分離軸承推動膜片彈簧分離指的力呈非線性變化，與 Almen-Laszlo 公式相同[5]。

4? 結(jié)論

本文對離合器蓋總成進行幾何模型的建立，并通過有限元仿真軟件對離合器蓋總成的分離特性進行仿真研究。在建立幾何模型的基礎(chǔ)上建立成數(shù)值仿真模型。對仿真模型進行了消除零件干涉、定義材料屬性、定義接觸屬性、單元網(wǎng)格劃分、設(shè)置分析載荷步、施加邊界條件以及載荷，最后進行仿真計算，得出壓盤行程與分離行程的關(guān)系曲線、分離力與分離行程的關(guān)系曲線。將研究結(jié)果與參考文獻進行對比，最終得出可以采用有限元軟件對離合器總成的分離特性進行仿真研究與分析。

參考文獻：

[1]Haug E J. Computer-aided kinematics and dynamics of mechanical systems[M]. Allyn and Bacon， Boston，1989.

[2]Shabana A A. Computational dynamics[M]. Wiley， New York， 1994.

[3]陳錫棟，楊婕，趙曉棟，等.有限元法的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造工程，2010，39（11）：6-8.

[4]劉欣，張凱丁，殿磊，劉元杰.膜片彈簧離合器分離特性的分析計算與仿真[J].大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，2016（07）：7-10.

[5]潘毓學(xué)，何大志，胡靜，等.捷達轎車離合器膜片彈簧的設(shè)計與研宄[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，31（3）：117-121.