某430型膜片彈簧離合器蓋零件的變形分析

張萬盛

摘要：汽車膜片彈簧離合器蓋零件是車輛制動系統的關鍵部件，對其進行受力和變形分析有助于深入掌握零件形變對汽車制動過程的影響，提高汽車安全性能。本文采用UG6.0軟件對蓋零件進行三維建模，再用ANSYS Workbench14.5軟件平臺對蓋零件進行有限元分析。構建了精確的三維實體模型，解決了以往有限元分析對模型的大幅度簡化，導致用于分析的模型與實物差別很大，分析結果可信度低的問題。

關鍵詞：膜片彈簧離合器蓋零件;靜力學分析;變形分析

中圖分類號：U468.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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的螺旋彈簧及其分離桿機構而構成的離合器，主要分推式和拉式兩種類型。膜片上面的彈簧以及壓盤會通過整個圓周的接觸部位，來讓彈簧的壓力分布逐漸變得均勻起來，并且對于膜片彈簧來說，其具有非線性彈性的一個特點，能夠在動盤的摩擦片開始被磨損之后，還依然可以穩定的傳遞發動機轉矩。膜片彈簧通過鉚釘與蓋零件連接在一起。彈簧與蓋零件之間有支撐環，起到支點作用。蓋零件又通過傳動片，將壓盤連接在蓋總成上。在離合器結合狀態，膜片彈簧幾乎處于壓平狀態，從而使壓盤與從動盤，從動盤與飛輪緊密相連，實現發動機扭矩的傳遞。在離合器分離時通過推壓膜片彈簧小端，實現膜片彈簧錐角的反轉，使膜片彈簧大端升起，減輕對壓盤的壓力，壓盤因受傳動片升力作用而升起，實現離合器的分離。而所有這些壓力和升力，最終都是來自于離合器蓋零件，所以對蓋零件的變形情況進行分析，就顯的格外重要了。

對于膜片的彈簧離合器來說，一些重點的零件設計能夠讓彈簧離合器在各個方面都有所改進，并且從這幾年中，也有大部分的學者對其進行了分析。比如，在長春理工大學的任濤等專業人士，就共同建立了離合器膜片的三維模型，隨后對其進行了分析，最后經過長期的研究，得到了一個與工廠實驗值很接近的膜片彈簧有限元分析的變形曲線。與此同時，陳國金、殷小亮等人也通過使用有限元技術來對離合器的摩擦片進行了深入的分析，并對熱傳導物理模型，開始了有限元分析，最后經過努力，得到了在熱載荷條件之下的摩擦片的溫度和應力分布的情況。嚴正峰、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頂部材料來拓展平面的方法，減小零件的變形量。金衛東通過使用ANSYS Workbench這一個軟件來對膜片彈簧開展了有限元分析，與此同時，針對靜力分析也逐漸的找到了膜片彈簧應力變化的規則。付建蓉通過對離合器蓋上面的有限元建模，也逐漸的進行了精力分析，同時在分析的過程中又進行了疲勞分析，給企業單位的研究改進離合器蓋提供了有效的模擬數據。曾環曾經對某一家公司的膜片癱瘓開展了三維建模。與此同時，在Hypermesh這一個軟件當中進行了六面體的網格劃分。通過用ANSYS/LS-DYNA這一個軟件，來對彈簧進行隱式和顯式的求解。在對膜片彈簧開始進行預載荷子之后，就可以通過模擬出來的膜片小端來進行運動仿真。這同時，也有效的驗證了這一膜片彈簧并沒有超過屈服極限，并且其滿足的條件就是需要設計的強度要求。最后，通過對均勻優化的使用方式，來對膜片彈簧的結構開始進行離散優化，一次能夠有效的讓膜片彈簧工作性能逐漸的提高起來。王文娟、周家婕等學者通過所給到的性能參數，來有效設計膜片彈簧離合器，隨后通過離合器的組成和設計要求等，來選擇結構分析形勢，最后保證其相關的參數可以被確定下來，通過使用 CATIA 軟件來對離合器的3D模型進行繪制。劉從權、陳照中等專業認識，通過使用UG軟件成功建立出來了一個離合器模型彈簧的三位模型。隨后，通過使用NX nastran軟件有限元分析功能，來對膜片彈簧開始進行了在危險工況條件之下的靜應力計算，找出了其危險疲勞點。

1? 膜片彈簧離合器介紹

膜片彈簧離合器位于發動機和變速箱之間的飛輪殼中，離合器組件通過螺釘固定在飛行器上。在車輪的后平面上，離合器的輸出軸是變速器的輸入軸。與此同時，在進行開車的時候，駕駛員也能夠通過踩下或者松開離合器的踏板，來讓發動機和變速箱分離，隨后再進行接合，讓發動機的輸入動力能夠傳遞到變速器中。該系統的功能是：使汽車平穩起步、中斷動力系統、匹配變速、防止傳動過載。膜片式彈簧離合器是近年來在汽車和輕型卡車中廣泛使用的一種離合器。作為彈簧，它還可以用作釋放桿，從而簡化了離合器的結構并使得離合器的軸向尺寸減小。其次，因為膜片彈簧和壓板在整個圓周上的接觸，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動機的扭矩而不會滑動。離合器分離時，離合器踏板易于操作，并減輕了駕駛員的勞動強度。另外，因為隔膜是一種對稱零件，平衡性好，在高速下，其壓縮力減小得很少，而周圍的彈性離合器則在高速下布置，當彈簧嚴重鼓脹時，由于離心力引起的側向偏斜，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，輕型汽車的膜片組合器的設計與研究對提高汽車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“無底板”，薄壁隔膜是一個圓錐臺，圓錐形表面的小端開有許多徑向凹槽，以形成彈性杠桿，大端截頭圓錐的其余部分（沒有凹槽）起著彈簧的作用。并且，膜片彈簧的兩邊都有一個支撐環，其定位就是根據固定的離合器蓋上面的鉚釘進一步實現出來的。將離合器蓋用螺栓固定在飛輪上時，因為離合器蓋朝向飛輪，所以支撐環被壓在薄膜彈簧上，彈簧使其發生彈性變形，錐尖角變大，膜片彈簧幾乎變平。同時，大端向壓盤產生壓力，使離合器處于結合狀態。當離合器分離時，釋放軸承向前移動，膜片彈簧壓住前支撐環并將其作為支撐點進行反錐形變形，從而使得膜片彈簧的大端向后移動，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，即使在摩擦板上經過磨損之后，依舊會保持一個恒定的狀態，并且分離離合器時，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稱的，所以，整個離心力也絲毫不會給壓縮力帶來影響。除此之外，對于膜片彈簧自身來說，還可以被當成壓縮彈簧，以使離合器結構簡化，零件數量減少，質量減少，軸向尺寸大大縮短。另外，由于隔膜彈簧和壓板接觸整個圓周，使壓力分布均勻，摩擦板接觸良好，摩擦均勻，也容易實現良好的通風和散熱。

2? 膜片彈簧離合器蓋零件工作狀態

膜片彈簧離合器由蓋總成（包括：蓋零件、膜片彈簧、支承環、支承環鉚釘、壓盤、蓋鉚釘、傳動片等零件）和從動盤總成（包括：摩擦片、波形片、支承盤、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，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就是自由狀態，因此在經過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近似壓平的接合狀態，并且離合器蓋也會隨著外側的支承環來給彈簧進行加壓，并和彈簧大端的支承反力互相保持一個平衡狀態。在這樣的過程中，蓋零件上所受的力也隨之變化。如果蓋零件強度不夠，在承受峰值載荷時就會產生很大的變形，從而減小壓盤的升程，使離合器產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

在對其進行靜態應力分析之前，精確的創建零件的三維模型是必不可少的。以往的研究者們，多因實踐經驗不足，繪圖軟件使用不精等原因，對像離合器蓋這類復雜零件總是簡化再簡化，構建的三維模型和零件實物相差甚大，實際參考意義不大。而作者熟練掌握UG6.0軟件，所以可以精確的構建各類復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，因為蓋零件就是用普通的3-7mm厚的鋼板沖壓而成，所以作者將蓋零件的材料設置為Workbench默認的結構鋼，其材料參數不需要設置。在載荷加載時，作者將蓋鉚釘安裝面作為固定面，對其施加固定約束，再將膜片彈簧壓縮產生的彈性張力與實驗設備模擬離合器分離時施加在膜片彈簧小端的力作為支撐環對蓋零件施加的壓力;在此要注意，在膜片彈簧離合器安裝狀態下，膜片彈簧處于壓平狀態，其對蓋零件是有一個向上的壓緊力的;而在對膜片彈簧小端施加載荷時，其對蓋零件的壓緊力實際上是向下的，在本文中，我們通過加載一個比膜片彈簧壓平狀態的壓緊力與小端加載壓力之和稍大的力，來達到在ANSYS軟件中分析出來的變形量和實驗結果在關鍵點處變形量誤差不大于11%的模型，該合力為66500N。

4? 結論

通過有限元分析作者得出以下結論：

①由于理想模型與實際零件的差異，取點的不準確性和實驗時設備與人員的誤差，圖樣狀態分析結果與實際測量結果有一定的差距，但是重要點A2、A3、B2、B3、C2、C3、D1、D2的誤差均不超過11%，故判定此分析結果有效。

②從六個改進方案來看，在機械設計中，不管是關鍵零件強度的改進還是整機結構的合理性改進，都不會一蹴而就，而是在一點一滴的改進中達到作者想要的目標。

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

1）合理的改進零件的結構，改善蓋零件的應力分布情況，目的是使蓋零件的應力分布更均勻;

2）加強零件關鍵位置的強度，如可以在關鍵位置增設加強筋等結構，使關鍵位置的變形量減小;

3）加強零件的整體強度，如可以將零件的厚度加厚。

④ANSYS Workbench協同平臺軟件為分析膜片彈簧離合器關鍵零件提供了有利的工具，分析結果貼近工程實際。

⑤本文中分析結果所得到的膜片彈簧離合器蓋零件的等效應力分布狀態及變形情況可為汽車膜片彈簧離合器設計者提供一定的理論參考。

參考文獻：

[1]任濤，文大化，何大志，等.膜片彈簧有限元分析[J].長春理工大學學報，2010（4）：92-94.

[2]陳國金，殷小亮，等.離合器摩擦片的熱-應力耦合分析[J].機電工程，2008，12（12）：100-102.

[3]嚴正峰，顏東，等.？準430重型車拉式膜片彈簧離合器的開發[J].重型汽車，2007，4（03）：11-12，21.

[4]金衛東.基于ANSYS Workbench協同平臺的汽車膜片彈簧有限元分析[J].機械傳動，2012，36（05）：71-73，80.

[5]付建蓉.某重型卡車離合器蓋總成有限元分析[D].北京：北京林業大學，2013.