離合器膜片彈簧有限元分析

離合器膜片彈簧有限元分析1膜片彈簧介紹1.1膜片彈簧結(jié)構(gòu)及工作原理1.1.1主動部分其主動部分包括飛輪、壓盤和離合器蓋等零部件組成，并與發(fā)動機曲軸相連。離合器蓋與飛輪用螺栓連接，壓盤和離合器蓋則通過傳力片傳遞力。1.1.2從動部分從動部分則是將主動部分傳來的力傳遞給變速器的輸入軸。從動盤主要由摩擦片、從動盤轂和從動盤本體構(gòu)成。為了使汽車能夠起步平穩(wěn)，離合器也接合柔和，從動盤則需要在軸向方向具有一定的軸向彈性。而從動盤部分要能承受較高的壓盤作用載荷，在離合器結(jié)合過程中表現(xiàn)出良好的性能。要能夠抵抗高轉(zhuǎn)速下大的離心力載荷而不會被破壞，且在傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)矩時，要具有足夠的剪切強度和具有小的轉(zhuǎn)動慣量，材料的加工性能要良好。從動盤本體要加工沿徑向的切槽，這樣在從動盤被壓縮的時候，壓緊力能夠非常柔和，從而達(dá)到離合器接合柔和的效果。1.1.3壓緊機構(gòu)壓緊機構(gòu)則主要是膜片彈簧通過支撐環(huán)和支承柳釘一起作用，將主動部分和從動部分相接合和分離。它的作用非常重要，是膜片彈簧離合器里不可或缺的元件。1.1.4膜片彈簧離合器這種彈簧圓形、扁平、形狀又及其簡單并具有分離指。與其它形式的離合器相比較它有很多的優(yōu)點，它的形式簡單，結(jié)構(gòu)對稱，裝配空間又小。又可以以較低的分離力來滿足必要的負(fù)荷要求。這種膜片彈簧回轉(zhuǎn)中心與離合器中心重合，因此它在旋轉(zhuǎn)時它的其壓緊力絕對不會受到離心力的影響。膜片彈簧具有較理想的線性特性，彈簧壓力在摩擦片范圍內(nèi)大致保持不變。當(dāng)摩擦片變薄的時候，彈簧的彈性相應(yīng)的下將，但是彈簧的壓力卻幾乎不變，它可以自動調(diào)節(jié)壓緊力的特點與壓力而與轉(zhuǎn)速無關(guān)，它有高速的時候壓緊力穩(wěn)定的特點。因此，他的應(yīng)用非常廣泛，而對于膜片彈簧的研究則也是非常重要的。 1.2膜片彈簧力學(xué)物理模型 膜片彈簧離合器工作過程中，膜片彈簧的受力情況為下列三種工作狀態(tài)，如圖1-2所示。(1)自由狀態(tài)即當(dāng)離合器蓋總成尚未和發(fā)動機飛輪裝配前，膜片彈簧處于自由狀態(tài)。(2)接合狀態(tài)當(dāng)離合器蓋總成與飛輪裝配時，離合器蓋通過后支承環(huán)對膜片彈簧中部施加壓緊力，而膜片彈簧大端與壓盤接觸處有支承反力與之平衡。接合狀態(tài)時，膜片彈簧被壓緊到趨近于壓平狀態(tài)的預(yù)加壓縮狀態(tài)，從而將從動盤摩擦片壓緊在飛輪與壓盤之間，離合器處于接合位置，此時只有碟簧部分受載，而分離指部分不受載。(3)分離狀態(tài)將分離軸承向前推向飛輪時，作用在膜片彈簧小端加載半徑處的分離力使膜片彈簧以中部處前支承環(huán)為支點，繼續(xù)受到壓縮。此時，膜片彈簧大端對壓盤的壓緊力逐漸減小使從動盤分離，離合器處于分離狀態(tài)。膜片彈簧受壓縮超過壓平位置后，呈反錐形的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖1-2膜片彈簧受力模型2膜片彈簧膜片彈簧由彈簧鋼板沖壓而成，它在結(jié)構(gòu)形狀上分為兩部分，第一部分為在膜片彈簧的大端處，是一完整的截錐體，它的形狀則像一個無底的碟子，是膜片彈簧實際起彈性作用的部分，它和一般機械上所用的碟形彈簧完全類似，所以把它稱為膜片彈簧的碟簧部分；膜片彈簧的另一部分就是它的徑向開槽部分，它像一圈伸出的手指，其作用是作為分離桿。離合器的分離正是利用這些徑向開槽部分作為“杠桿”，使其碟簧部分脫開與壓盤的接觸，因此，又稱其為分離指。2.1膜片彈簧的彈性特性膜片彈簧實際起彈性作用的部分為碟簧部分。碟簧部分的彈性變形特性和螺旋彈簧的不一樣。它是一種非線性的彈簧。其特性和碟簧的原始內(nèi)截錐高度H及彈簧厚度h之比H/h有關(guān)。一般分成下列四種情況。（1）載荷P的增加,變形總是不斷的增加。這種彈簧剛度很大,可以承受很大的載荷,適合與作為緩沖裝置中的行程限制器。（2）彈性特性曲線在中間有一段很平直,隨變形的增加,載荷P則幾乎不變.這種彈簧叫做零剛度彈簧.（3）彈簧的特性曲線中有一段負(fù)剛度區(qū)域,當(dāng)變形增加時,載荷P反而減少。具有這種選擇安全系數(shù)為1.3，那么膜片彈簧的最大應(yīng)力為199.16MPa。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于膜片彈簧鋼的屈服極限1176MPa。因此。膜片彈簧安全。按照以上方法再分析出膜片彈簧其它工作點也做相同分析，可以得出相應(yīng)的應(yīng)力和位移變形，如圖2-4所示。結(jié)果可以知道膜片彈簧大部分的應(yīng)力都在300MPa以下，而一般大應(yīng)力區(qū)都是應(yīng)力集中點，所以設(shè)計是非常合理的。膜片彈簧的應(yīng)力最大為159.3MPa，變形最大是0.0226mm，所以變形量很小，即膜片彈簧自身的變形量可以忽略不計。圖2-4膜片彈簧各工作的的預(yù)應(yīng)力和位移3.2膜片彈簧的自由模態(tài)分析模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)和機器零部件的振動特性(固有頻率和振型)，模態(tài)分析也是其他動力學(xué)分析(如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析以及譜分析等)的基礎(chǔ)。利用模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)。模態(tài)分析(ModalAnalysis)亦即自由振動分析，是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報、結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。因此模態(tài)分析應(yīng)用范圍可歸結(jié)為：評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性；

2）在新產(chǎn)品設(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計；

3）診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；

4）控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；

5）識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。由于模態(tài)分析的前面的基本設(shè)置，導(dǎo)入幾何體，添加材料庫，劃分網(wǎng)格等操作與靜力學(xué)分析的操作大致相同，這里不再仔細(xì)介紹。這里膜片的彈簧的材料為60Si2MnA，它的彈性模量為2.06e11，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3，單元類型使用系統(tǒng)默認(rèn)的Solid187單元類型。網(wǎng)格劃分的精度我設(shè)置的單元大小為5mm，然后劃分網(wǎng)格，圖2-5為膜片彈簧劃分好的的網(wǎng)格圖。圖2-5膜片彈簧的網(wǎng)格劃分 進(jìn)行模態(tài)分析，劃分完網(wǎng)格就可以進(jìn)行模態(tài)分析，點擊Solution，然后點擊Solve按鈕，系統(tǒng)則開始進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)的階數(shù)為12階。前6階為模型的剛體模態(tài)，本文略去介紹，只考慮第7～12階的彈性體模態(tài)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動前六階彈性體模態(tài)振型如圖2-6所示。第7階振型 第8階振型圖2-6膜片彈簧振型接著通過對膜片彈簧進(jìn)行有限元模態(tài)分析，就得到了系統(tǒng)的前六階彈性體模態(tài)頻率與振型，為分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和其他動力學(xué)問題提供理論依據(jù)，再通過表中的數(shù)據(jù)，就可以得出以下結(jié)論：由于膜片彈簧的振動激勵主要來自發(fā)動機，而發(fā)動機的最高扭矩轉(zhuǎn)速和最大功率轉(zhuǎn)速分別為3500rpm和5600rpm，對應(yīng)的頻率為58.33Hz、93.33Hz，因此，均不會與膜片彈簧產(chǎn)生共振。4結(jié)論本次主要對膜片彈簧離合器的膜片彈簧進(jìn)行了力學(xué)分析和模態(tài)分析，而分析結(jié)果表明膜片彈簧在有限元力學(xué)分析里達(dá)到一般要求，而膜片彈簧的有限元模態(tài)分析則表明了膜片彈簧不會與主要激勵發(fā)生共振。即得出以下兩點：在對膜片彈簧進(jìn)行了力學(xué)分析和模態(tài)分析可以知道，膜片彈簧的變形位移量很小，可忽略不計，位移變形和載荷都很合理，符合要求。來自發(fā)動機的主要振動激勵不會影響膜片彈簧，而產(chǎn)生可怕的共振。參考文獻(xiàn)：[1]徐石安，江發(fā)潮．汽車離合器[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005．[2]楊橙．汽車離合器膜片彈簧的有限元分析[J]．機電技術(shù)，2009（1）．[3]朱冒濤，夏長高，高翔．膜片彈簧疲勞斷裂的實驗分析[J]．汽車工程，2010，23．[4]葉玉春．熱處理硬度對汽車離合器膜片彈簧性能的影響[J]．機械工程師，2009（8）．[5]張金樂，馬彪，張英．鋒濕式換擋離合器溫度場和應(yīng)力場影響因素分析[J]．北京理工大學(xué)報，2010,30（6）．[6]楊是明，陶文全．熱穿學(xué)．北京：高等教育出版社，2009．[7]陳璐，張立軍，孟德建．汽車制動盤熱翹曲與影響因素仿真分析[J]．汽車工程，2010,32（7）．[8]陳家瑞．汽車構(gòu)造（下冊）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009．[9]陳云飛．機械設(shè)計基礎(chǔ)．北京．高等教育出版社，2008,5．[10]張朝暉.ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高．北京．清華大學(xué)出版，.2010,10．[11]王豐元，馬明星．汽車設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書．北京．中國電力出版社，2009．[12]王國權(quán)．汽車設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書．北京．機械工業(yè)出版社，2009,11．[13]吳天雙離合器的設(shè)計與開發(fā)．上海交通大學(xué)，2009．[14]劉濤．汽車膜片彈簧離合器設(shè)計方法．全國工程機械博士學(xué)術(shù)論壇，2009．[15]張民．基于罰函數(shù)混合點的離合器膜片彈簧優(yōu)化設(shè)計．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程期刊，2011．[16]尹飛鴻．有限元法基本原理及應(yīng)用．北京：高等教育出版社，2011.12．[17]劉紅欣．膜片彈簧應(yīng)力分布的實驗和有限元分析[J]．力學(xué)與實踐，1997．[18]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(xué)學(xué)報,2010．[19]吳志輝．膜片彈簧的力學(xué)性能