离合器盖总成分离特性的仿真分析

周建兵

摘要：本文以膜片弹簧离合器盖总成为研究对象，利用有限元分析软件对其分离特性进行研究。首先，利用三维建模软件建立离合器盖总成的几何模型;在此基础上，导入有限元软件并通过定义材料属性、接触面属性、单元网格的划分、设置载荷步、边界条件以及载荷以建立离合器盖总成的有限元模型。最后对其进行求解以分析离合器盖总成的分离特性，即分离力、压盘升程与分离行程之间的关系。仿真结果表明，采用有限元软件研究离合器盖总成的分离特性是可行的。

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.

关键词：离合器盖总成;分离特性;有限元分析

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

中图分类号：U463.211                                   文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2020）21-0053-02

0  引言

离合器盖总成是汽车离合器上的重要部件，进行与其有关的一些基本特性的研究是非常有必要的。运用三维建模软件对离合器盖总成进行几何建模，并采用有限元分析的方法对其进行仿真研究，可以得出其仿真曲线，发现其变化规律，可以与理论结果进行比较。同时，这也可以促进离合器总成的设计与发展。

1  离合器盖总成几何模型的建立

1.1 离合器盖总成几何建模

离合器盖总成包括离合器盖、膜片弹簧、压盘等元件，其中，压盘和膜片弹簧分别通过传动片和铆钉安装在离合器盖内。离合器盖总成中的离合器盖与压盘都有着不规则的几何结构与形状[1]。压盘的形状为环形，并且在靠近膜片弹簧的部分有一些环状凸起的凸台。压盘上力的传递是通过传动片与连接在传动片上的分离钩进行的，传动片的两端分别装配在离合器盖和压盘上，分离钩和传动片用螺栓固定在压盘上，总共装有3组传动片和分离钩，结构大小完全相同。在对离合器盖总成进行研究中，不考虑从动盘的形变与受力问题，因此本次研究将从动盘总成进行省略处理。

离合器盖建模过程：在构造离合器盖的过程中，先对离合器盖的截面进行草图绘制，再通过旋转体命令绕Z轴对其进行旋转，画出大体离合器盖的形状[2]。因为离合器盖的几何模型形状大致是呈圆形三等份分布，所以在对其进行凸台与凹槽的命令之后，可以通过圆形矩阵的命令对其进行三等份旋转得出。

分离钩建模过程：先将分离钩分成两部分，扁平的部分和弯曲的部分。再分别对这两个部分进行草图绘制和凸台命令，最后绘制分离钩弯曲部分多余的草图并对其进行凹槽命令。

螺栓建模过程：先是画出螺栓截面的草图，利用旋转体命令以Z轴为旋转轴得出大致的螺栓模型。对其螺纹的设置可以通过螺纹的命令，对其深度、螺距、直径等方面进行设置来得到。最后通过倒角与凹槽来优化剩下的细节。

1.2 离合器盖总成几何模型的简化

将分离轴承简化成环形圆环，将其装配到膜片弹簧上方，与膜片弹簧分离指部分接触。由于仿真软件可以对离合器盖总成中零件的接触面定义进行绑定连接，因此可以把固定零件的螺栓与铆钉舍去（固定膜片弹簧的铆钉除外）。将建好的离合器总成几何模型保存为中性文件格式，方便导入ANSYS仿真软件中。将三维模型导入workbench模块后，对各个零件进行三维模型的几何诊断，以防止发生在建模过程中三维模型出现的边缘多角、多边等几何问题[3]。在不影响建立数值仿真模型的基础上，将三维模型中各个零件多余的角、边、面进行修正，并消除零件与零件之间存在的干涉问题，如图1。

2  离合器盖总成仿真模型的建立

2.1 定义材料属性

在建立离合器总成数值仿真模型之前，首先要做的就是导入每个零件所对应的材料属性，之后再导入模型并对各个零件相对应的材料属性进行更改，一般对于零件的材料属性定义有弹性模量、泊松比等材料属性。膜片弹簧一般的材料为60Si2MnA，弹性模量定义为2×105MPa，泊松比为0.3。压盘的材料一般为球墨铸铁，弹性模量定义为2×105MPa，泊松比为0.3。其余零件可以将材料属性定义为结构钢，定义弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。用此材料属性进行对离合器盖总成的仿真分析。

2.2 定义接触面属性

在离合器盖总成的工作过程中，零件与零件之间会发生一些摩擦，因此也有必要将参与工作过程的零件的接触面上定义摩擦系数[4]。零件接触之间定义的摩擦系数，主要的在于非线性零件的接触设置，离合器盖总成中非线性零件为膜片弹簧，所以与膜片弹簧的接触零件，如上支承圈、下支承圈、铆钉、分离轴承，需要对这些零件进行接触与摩擦属性定义。设置膜片弹簧与上支承圈、下支承圈之间的摩擦系数为0.18，由于铆钉在仿真过程中会对膜片弹簧存在干涉，所以在此仿真中不设置膜片弹簧与铆钉之间的接触，将分离轴承和膜片弹簧进行绑定接触，以防止在仿真过程中膜片弹簧受力不均。

2.3 单元网格划分

对结构与形状相对规则的零件可以采用六面体单元形状（即长方体）进行网格划分，对于结构与形状不规则的零件则采用四面体进行网格划分。网格划分后的离合器总成的模型如图2所示。

2.4 分析载荷步设置

根据离合器盖总成实际工作中接合完成的状态，膜片弹簧会产生变形。但是在三维建模软件中只能按照其自由状态下进行装配，这样会导致压盘装配后与膜片弹簧有相对的干涉出现，所以需要将膜片弹簧在三维建模软件中直接修正为变形后的角度模型，再进行装配步骤。考虑到在施加载荷后得出的是结果曲线，所以在设置仿真载荷步时需要关闭自动载荷步设置，一般设置为1秒中的时间内，分为30个载荷步的施加，方便结果曲线的生成。由于离合器盖总成中的受力零件为弹性元件膜片弹簧，在受到载荷时会产生比较大的变形量，因此在此载荷步设置时，需要打开大变形选项。

2.5 边界条件与载荷的分析与设置

根据实际离合器盖总成的约束情况，分离轴承对膜片弹簧的分离指施加10mm的位移载荷。此时受到上支承圈与下支承圈约束的膜片弹簧的碟簧部分会有向上的轴向运动，导致分离钩有一个向上的轴向位移，由于分离钩、传动片与压盘绑定在一起，所以分离钩给压盘一个向上的轴向位移，使压盘向膜片弹簧的方向位移，因此在分离状态下的压盘相对自由。安装在膜片弹簧上端的上支承圈是它的一个支撑点，它的轴向不能产生任何运动，其余方向自由。安装在膜片弹簧下端的下支承圈靠铆钉固定在一起，也作为膜片弹簧的一个支撑点，所以它的任何方向不能产生位移。由于离合器盖底部端面与飞轮固定，为了节省计算时间，所以将飞轮省略，即直接将离合器盖底部端面进行固定约束。

3  离合器盖总成仿真结果

建立完成数值仿真模型、仿真分析与仿真设置，对离合器盖总成的分离特性进行仿真计算，得出压盘行程与分离行程之间的关系、分离力与分离行程之间的关系曲线分别如图3和4所示。

从图3和图4可以看出，在离合器分离开始时，分离轴承开始向膜片弹簧的分离指施加载荷。此时，膜片弹簧的大端尚未变形，压盘不会产生轴向运动，但分离力将逐渐变大。当分离力达到峰值时，膜片弹簧此时将支撑环作为支点使其大端变形，从而驱动分离钩使压盘朝着膜片弹簧轴向移动，即压力板开始抬起，此时，传动板开始回弹。分离行程越大，压板升程越大。分离轴承推动膜片彈簧分离指的力呈非线性变化，与 Almen-Laszlo 公式相同[5]。

4  结论

本文对离合器盖总成进行几何模型的建立，并通过有限元仿真软件对离合器盖总成的分离特性进行仿真研究。在建立几何模型的基础上建立成数值仿真模型。对仿真模型进行了消除零件干涉、定义材料属性、定义接触属性、单元网格划分、设置分析载荷步、施加边界条件以及载荷，最后进行仿真计算，得出压盘行程与分离行程的关系曲线、分离力与分离行程的关系曲线。将研究结果与参考文献进行对比，最终得出可以采用有限元软件对离合器总成的分离特性进行仿真研究与分析。

参考文献：

[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]陈锡栋，杨婕，赵晓栋，等.有限元法的发展现状及应用[J].机械设计与制造工程，2010，39（11）：6-8.

[4]刘欣，张凯丁，殿磊，刘元杰.膜片弹簧离合器分离特性的分析计算与仿真[J].大连理工大学机械工程学院，2016（07）：7-10.

[5]潘毓学，何大志，胡静，等.捷达轿车离合器膜片弹簧的设计与研宄[J].长春理工大学学报（自然科学版），2008，31（3）：117-121.