基于ANSYS的离合器分离拔叉结构优化设计

李孝先　罗平　秦滔

摘 要：针对混凝土搅拌运输车离合器分离拔叉断裂的故障，根据离合器工作原理，应用ANSYS软件对分离拔叉的强度进行有限元分析，根据仿真结果对分离拔叉的结构进行了优化设计，并通过应力测试对优化结构进行试验测试。结果表明：极限工况下，分离拔叉受到的最大应力超过材料的屈服强度，导致分离拔叉开裂，优化后的结构满足极限工况下使用要求。

关键词：搅拌车;ANSYS;分离拔叉;试验测试

离合器位于发动机之后、传动系的始端，是汽车传动系统中直接与发动机相联系的部件，汽车上采用比较广泛的是用弹簧压紧的摩擦离合器（通常简称为摩擦离合器）。摩擦离合器又分为推式离合器和拉式离合器，其组成和工作原理基本相同，都由主动部分、从动部分、压紧装置、分离机构和操纵机构五大部分组成。

发动机飞轮是离合器的主动件。带有摩擦片的从动盘和从动盘毂借滑动花键与从动轴（即变速器的主动轴）相连。压紧弹簧将从动盘压紧在飞轮端面上。发动机转矩即靠飞轮与从动盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘上，再由此经过从动轴和传动系统中一系列部件传给驱动车轮。弹簧的压紧力愈大，则离合器所能传递的转矩也愈大。

目前，国内绝大多数商用车仍采用手动变速箱，在车辆起步和变速箱进行选换档操纵时，离合器操纵系统必须保证离合器分离，使发动机动力中断。分离拨叉在离合器操纵系统属于执行机构，一旦分离拨叉断裂，离合器将无法分离，导致车辆无法行驶。对于混凝土搅拌运输车而言，将对客户造成重大的经济损失，甚至影响驾驶员及汽车的安全。因此，分离拨叉的改进设计必须充分考虑疲劳强度要求，以满足混凝土搅拌运输车使用要求[1-3]。

1 离合器分离拨叉结构及故障现象

拉式离合器操纵系统结构如图1所示，离合器分离拨叉一端与分离轴承接触，另一端球窝与推杆接触。中间可以绕轴承转动，形成杠杆结构。当离合器踏板传递过来的推力作用在分离拨叉下端球窝上时，分离拨叉绕中间轴转动，从而拉开离合器压盘，使离合器分离。

通过市场调研发现车辆行驶到50000公里到60000公里区间，在一些极限施工工况下，离合器分离拨叉会出现突然断裂。断裂位置如图2所示。

初步分析导致离合器分离拨叉突然断裂的原因有：（1）材料因素，拨叉本身材质或结构有问题，由于拨叉是铸钢件，若拨叉有气孔、缩松和裂纹等铸造缺陷或杂质元素偏聚和夹杂物的存在而形成早期裂纹源，导致拨叉断裂。（2）结构因素，拨叉本身抗拉强度、抗疲劳强度等力学性能未达标，特别是拨叉在热处理过程中工艺没有控制好造成组织未细化，使拨叉过硬过脆，导致拨叉断裂。

为此采用肉眼宏观观察、化学分析等手段对断裂拨叉进行了失效分析，发现材料及热处理符合设计要求。

2 离合器分离拨叉仿真分析

ANSYS 软件具有良好的参数建模、前后处理智能网络划分、优化设计、强大的有限元求解功能，广泛应用于机械制造、石油化工、轻工造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电的一般工业及科学研究[4]。

2.1 离合器分离拨叉模型建立

利用Pro/E软件建立前桥三维模型如图3所示，分离拨叉材料为铸钢ZG310-570，其屈服强度为310MPa，抗拉强度为570MPa，强度仿真分析时定义拨叉材料为线弹性材料，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

2.2 边界条件及仿真结果

改进前分离拨叉结构见图3，离合器最大分离力为7400N，分离拨叉杠杆比为1.75，则其两端受力分别为7400N和4228.6N;按照汽车设计原理，离合器部分的推荐后备系数为1.75～2.25（载货车），2.0～3.0（重型車及牵引车），则分离拨叉两端最大作用力取7400N和4228.6N的1.75～2.25倍（取系数2），即14800N和8457.2N[1-3]。

对分离拨叉销孔内壁节点自由度进行约束，约束除绕X轴旋转以外的其他自由度。分别对拨叉两端按上述工况进行加载。对改进前分离拨叉进行有限元强度分析，可知其最大应力为240MPa，应力集中位于加强筋中部偏下区域（图4），与实际断裂位置一致（图2）。

通过优化离合器分离拨叉加强筋，使其圆滑过渡，改进后分离拨叉如图5所示，并按边界条件进行强度分析（图5），可知其最大应力为132MPa（图5）。

2.3 结果分析

对上述改进前后的分离拨叉强度分析结果对比如上表1。通过分析可知改进前分离拨叉结构不合理，其最大应力大于材料疲劳极限，存在疲劳断裂的可能;不考虑加工等因素影响，在相同材质、相同工况下，改进后分离拨叉强度更高，其最大应力远小于材料疲劳极限。

3 试验测试

分别对改进前和改进后的分离拨叉进行相同工况下的应力测试，参考仿真分析结果，在分离拨叉应力集中区域贴应变片（图6）。

通过应力测试可知，改进前后分离拨叉最大应力如表2所示。由试验结果可知，改进后分离拨叉最大应力小于材料疲劳强度。

由仿真结果与试验测试结果对比（图7）可知，二者所得分离拨叉最大应力值比较接近，仿真结果具有一定可信度。因此，在分离拨叉的设计中，可采用强度仿真分析判断其结构的合理性。

4 结语

由上述分析可知，改进前分离拨叉在混凝土搅拌车上使用时强度不足;而改进后分离拨叉能满足使用要求，不会产生疲劳断裂，切换之后的售后市场反馈正常，无断裂故障发生;仿真分析方法可有效的判断分离拨叉结构的合理性，从而为分离拨叉的设计提供有效的参考。

参考文献：

[1]刘维信.汽车设计.[M]北京：清华大学出版社2001.7.

[2]陈家瑞.汽车构造（下册）.[M]北京：机械工业出版社2000.10.

[3]徐石安.汽车离合器（汽车设计丛书）[M].北京：清华大学出版社2004.12.

[4]倪栋等.通用有限元分析ANSYS7.0 实例精解[M].北京：电子工业出版社，2003.9.