某430型膜片弹簧离合器盖零件的变形分析

张万盛

摘要：汽车膜片弹簧离合器盖零件是车辆制动系统的关键部件，对其进行受力和变形分析有助于深入掌握零件形变对汽车制动过程的影响，提高汽车安全性能。本文采用UG6.0软件对盖零件进行三维建模，再用ANSYS Workbench14.5软件平台对盖零件进行有限元分析。构建了精确的三维实体模型，解决了以往有限元分析对模型的大幅度简化，导致用于分析的模型与实物差别很大，分析结果可信度低的问题。

关键词：膜片弹簧离合器盖零件;静力学分析;变形分析

中图分类号：U468.4                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0081-02

0  引言

膜片弹簧离合器是用膜片弹簧替代传统的螺旋弹簧及其分离杆机构而构成的离合器，主要分推式和拉式两种类型。膜片上面的弹簧以及压盘会通过整个圆周的接触部位，来让弹簧的压力分布逐渐变得均匀起来，并且对于膜片弹簧来说，其具有非线性弹性的一个特点，能够在动盘的摩擦片开始被磨损之后，还依然可以稳定的传递发动机转矩。膜片弹簧通过铆钉与盖零件连接在一起。弹簧与盖零件之间有支撑环，起到支点作用。盖零件又通过传动片，将压盘连接在盖总成上。在离合器结合状态，膜片弹簧几乎处于压平状态，从而使压盘与从动盘，从动盘与飞轮紧密相连，实现发动机扭矩的传递。在离合器分离时通过推压膜片弹簧小端，实现膜片弹簧锥角的反转，使膜片弹簧大端升起，减轻对压盘的压力，压盘因受传动片升力作用而升起，实现离合器的分离。而所有这些压力和升力，最终都是来自于离合器盖零件，所以对盖零件的变形情况进行分析，就显的格外重要了。

对于膜片的弹簧离合器来说，一些重点的零件设计能够让弹簧离合器在各个方面都有所改进，并且从这几年中，也有大部分的学者对其进行了分析。比如，在长春理工大学的任涛等专业人士，就共同建立了离合器膜片的三维模型，随后对其进行了分析，最后经过长期的研究，得到了一个与工厂实验值很接近的膜片弹簧有限元分析的变形曲线。与此同时，陈国金、殷小亮等人也通过使用有限元技术来对离合器的摩擦片进行了深入的分析，并对热传导物理模型，开始了有限元分析，最后经过努力，得到了在热载荷条件之下的摩擦片的温度和应力分布的情况。严正峰、颜东等为保证某型430拉式膜片弹簧离合器盖的平面尺寸，采用了反向镦压填补顶部材料来拓展平面的方法，减小零件的变形量。金卫东通过使用ANSYS Workbench这一个软件来对膜片弹簧开展了有限元分析，与此同时，针对静力分析也逐渐的找到了膜片弹簧应力变化的规则。付建蓉通过对离合器盖上面的有限元建模，也逐渐的进行了精力分析，同时在分析的过程中又进行了疲劳分析，给企业单位的研究改进离合器盖提供了有效的模拟数据。曾环曾经对某一家公司的膜片瘫痪开展了三维建模。与此同时，在Hypermesh这一个软件当中进行了六面体的网格划分。通过用ANSYS/LS-DYNA这一个软件，来对弹簧进行隐式和显式的求解。在对膜片弹簧开始进行预载荷子之后，就可以通过模拟出来的膜片小端来进行运动仿真。这同时，也有效的验证了这一膜片弹簧并没有超过屈服极限，并且其满足的条件就是需要设计的强度要求。最后，通过对均匀优化的使用方式，来对膜片弹簧的结构开始进行离散优化，一次能够有效的让膜片弹簧工作性能逐渐的提高起来。王文娟、周家婕等学者通过所给到的性能参数，来有效设计膜片弹簧离合器，随后通过离合器的组成和设计要求等，来选择结构分析形势，最后保证其相关的参数可以被确定下来，通过使用 CATIA 软件来对离合器的3D模型进行绘制。刘从权、陈照中等专业认识，通过使用UG软件成功建立出来了一个离合器模型弹簧的三位模型。随后，通过使用NX nastran软件有限元分析功能，来对膜片弹簧开始进行了在危险工况条件之下的静应力计算，找出了其危险疲劳点。

1  膜片弹簧离合器介绍

膜片弹簧离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳中，离合器组件通过螺钉固定在飞行器上。在车轮的后平面上，离合器的输出轴是变速器的输入轴。与此同时，在进行开车的时候，驾驶员也能够通过踩下或者松开离合器的踏板，来让发动机和变速箱分离，随后再进行接合，让发动机的输入动力能够传递到变速器中。该系统的功能是：使汽车平稳起步、中断动力系统、匹配变速、防止传动过载。膜片式弹簧离合器是近年来在汽车和轻型卡车中广泛使用的一种离合器。作为弹簧，它还可以用作释放杆，从而简化了离合器的结构并使得离合器的轴向尺寸减小。其次，因为膜片弹簧和压板在整个圆周上的接触，压力分布是均匀的。另外，由于膜片弹簧的非线性弹性特性，可以在摩擦片磨损后，弹簧仍然可以可靠地传递发动机的扭矩而不会滑动。离合器分离时，离合器踏板易于操作，并减轻了驾驶员的劳动强度。另外，因为隔膜是一种对称零件，平衡性好，在高速下，其压缩力减小得很少，而周围的弹性离合器则在高速下布置，当弹簧严重鼓胀时，由于离心力引起的侧向偏斜，压力板的压缩减小，使离合器传递的扭矩容量下降。因此，可以看出，轻型汽车的膜片组合器的设计与研究对提高汽车离合器的性能具有重要意义。所谓的膜片弹簧，作为压缩弹簧，由弹簧钢制成，形状为“无底板”，薄壁隔膜是一个圆锥台，圆锥形表面的小端开有许多径向凹槽，以形成弹性杠杆，大端截头圆锥的其余部分（没有凹槽）起着弹簧的作用。并且，膜片弹簧的两边都有一个支撑环，其定位就是根据固定的离合器盖上面的铆钉进一步实现出来的。将离合器盖用螺栓固定在飞轮上时，因为离合器盖朝向飞轮，所以支撑环被压在薄膜弹簧上，弹簧使其发生弹性变形，锥尖角变大，膜片弹簧几乎变平。同时，大端向压盘产生压力，使离合器处于结合状态。当离合器分离时，释放轴承向前移动，膜片弹簧压住前支撑环并将其作为支撑点进行反锥形变形，从而使得膜片弹簧的大端向后移动，用释放钩向后拉压力板以分离离合器。膜片式的弹簧离合器所具有的特点就是：首先，膜片弹簧是具有非线性特性的，因此，即使在摩擦板上经过磨损之后，依旧会保持一个恒定的状态，并且分离离合器时，可以减小踏板力，使操作轻巧;其次，膜片弹簧的安装位置相反，组合轴的中心线是对称的，所以，整个离心力也丝毫不会给压缩力帶来影响。除此之外，对于膜片弹簧自身来说，还可以被当成压缩弹簧，以使离合器结构简化，零件数量减少，质量减少，轴向尺寸大大缩短。另外，由于隔膜弹簧和压板接触整个圆周，使压力分布均匀，摩擦板接触良好，摩擦均匀，也容易实现良好的通风和散热。

2  膜片弹簧离合器盖零件工作状态

膜片弹簧离合器由盖总成（包括：盖零件、膜片弹簧、支承环、支承环铆钉、压盘、盖铆钉、传动片等零件）和从动盘总成（包括：摩擦片、波形片、支承盘、减振大弹簧、减振小弹簧、阻尼弹簧片、阻尼片、摩擦片铆钉、阻尼弹簧座等零件）组成。与此同时，在离合器盖上和飞轮装配之前，膜片弹簧和飞轮安装面之间存在的间隙十分的微小，并且由于膜片弹簧所处于的状态就是自由状态，因此在经过离合器盖以及飞轮的装配之后，膜片弹簧也始终都能够处于一个近似压平的接合状态，并且离合器盖也会随着外侧的支承环来给弹簧进行加压，并和弹簧大端的支承反力互相保持一个平衡状态。在这样的过程中，盖零件上所受的力也随之变化。如果盖零件强度不够，在承受峰值载荷时就会产生很大的变形，从而减小压盘的升程，使离合器产生分离不清或分离滞后的故障。

3  盖零件的有限元分析

3.1 三维建模

在对其进行静态应力分析之前，精确的创建零件的三维模型是必不可少的。以往的研究者们，多因实践经验不足，绘图软件使用不精等原因，对像离合器盖这类复杂零件总是简化再简化，构建的三维模型和零件实物相差甚大，实际参考意义不大。而作者熟练掌握UG6.0软件，所以可以精确的构建各类复杂的零部件三维模型。在本文中，作者使用UG6.0作为三维绘图软件，使用其钣金功能，構建出了430型膜片弹簧离合器的盖零件三维模型。

3.2 载荷的加载

在本次分析中，因为盖零件就是用普通的3-7mm厚的钢板冲压而成，所以作者将盖零件的材料设置为Workbench默认的结构钢，其材料参数不需要设置。在载荷加载时，作者将盖铆钉安装面作为固定面，对其施加固定约束，再将膜片弹簧压缩产生的弹性张力与实验设备模拟离合器分离时施加在膜片弹簧小端的力作为支撑环对盖零件施加的压力;在此要注意，在膜片弹簧离合器安装状态下，膜片弹簧处于压平状态，其对盖零件是有一个向上的压紧力的;而在对膜片弹簧小端施加载荷时，其对盖零件的压紧力实际上是向下的，在本文中，我们通过加载一个比膜片弹簧压平状态的压紧力与小端加载压力之和稍大的力，来达到在ANSYS软件中分析出来的变形量和实验结果在关键点处变形量误差不大于11%的模型，该合力为66500N。

4  结论

通过有限元分析作者得出以下结论：

①由于理想模型与实际零件的差异，取点的不准确性和实验时设备与人员的误差，图样状态分析结果与实际测量结果有一定的差距，但是重要点A2、A3、B2、B3、C2、C3、D1、D2的误差均不超过11%，故判定此分析结果有效。

②从六个改进方案来看，在机械设计中，不管是关键零件强度的改进还是整机结构的合理性改进，都不会一蹴而就，而是在一点一滴的改进中达到作者想要的目标。

③对于类似于本文中的盖零件，要想使其支承环安装面的变形量得以减小，主要可以从以下方面着手：

1）合理的改进零件的结构，改善盖零件的应力分布情况，目的是使盖零件的应力分布更均匀;

2）加强零件关键位置的强度，如可以在关键位置增设加强筋等结构，使关键位置的变形量减小;

3）加强零件的整体强度，如可以将零件的厚度加厚。

④ANSYS Workbench协同平台软件为分析膜片弹簧离合器关键零件提供了有利的工具，分析结果贴近工程实际。

⑤本文中分析结果所得到的膜片弹簧离合器盖零件的等效应力分布状态及变形情况可为汽车膜片弹簧离合器设计者提供一定的理论参考。

参考文献：

[1]任涛，文大化，何大志，等.膜片弹簧有限元分析[J].长春理工大学学报，2010（4）：92-94.

[2]陈国金，殷小亮，等.离合器摩擦片的热-应力耦合分析[J].机电工程，2008，12（12）：100-102.

[3]严正峰，颜东，等.？准430重型车拉式膜片弹簧离合器的开发[J].重型汽车，2007，4（03）：11-12，21.

[4]金卫东.基于ANSYS Workbench协同平台的汽车膜片弹簧有限元分析[J].机械传动，2012，36（05）：71-73，80.

[5]付建蓉.某重型卡车离合器盖总成有限元分析[D].北京：北京林业大学，2013.