膜片彈簧分離特性仿真與試驗分析

任洪海，張志剛，石曉輝，易 鵬

(1.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054;

2.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 400000)

膜片彈簧分離特性仿真與試驗分析

任洪海1，張志剛1，石曉輝1，易 鵬2

(1.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054;

2.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 400000)

為研究離合器膜片彈簧分離指在不同環(huán)境溫度下的載荷－變形特性，建立了離合器膜片彈簧熱傳遞模型，分析了膜片彈簧工作過程中熱邊界條件。利用ANSYS有限元軟件建立了膜片彈簧有限元模型，分析了膜片彈簧在不同環(huán)境溫度下小端載荷－變形特性，并通過試驗驗證了有限元分析結(jié)果的正確性和有效性。仿真與試驗結(jié)果表明：離合器膜片彈簧小端載荷隨溫度升高呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。

離合器;膜片彈簧;分離特性

膜片彈簧是離合器蓋總成的核心部件，其特性不僅影響離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩特性，而且決定著離合器操縱特性。離合器撥叉分離力、壓盤壓緊力、分離軸承行程及壓盤升程均取決于膜片彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸和彈性特性［1］。目前，國內(nèi)外學(xué)者對膜片彈簧的研究主要集中在大端載荷－變形特性分析方面。例如，楊橙［2］基于非線性有限元法，研究了膜片彈簧軸對稱模型、板殼模型及實體模型，并得出實體模型用于仿真分析更為精確的結(jié)論。林恩等［3］建立了膜片彈簧大端受載的精確有限元模型，并通過試驗驗證了有限元分析方法優(yōu)于傳統(tǒng)的A－L公式計算結(jié)果。Nam等［4］利用試驗研究了熱處理條件對膜片彈簧的疲勞耐久特性的影響規(guī)律，并找出了疲勞裂紋與應(yīng)力集中范圍的關(guān)系。Kaya［5］利用遺傳算法研究了膜片彈簧分離指窗孔最優(yōu)形狀及其對大端載荷－變形特性的影響。然而，對膜片彈簧小端載荷－變形特性的研究相對較少。陳宏偉等［6］建立了離合器靜力學(xué)模型，研究了膜片彈簧小端的載荷－變形特性，并運用Matlab編程計算得到了膜片彈簧小端的載荷－變形特性曲線。但是，離合器靜力學(xué)模型未能綜合考慮膜片彈簧工作時環(huán)境溫度對其載荷－變形特性的影響，同時離合器工作方式?jīng)Q定離合器處于溫度相對較高的工作環(huán)境，因此溫度對離合器分離特性的影響不容忽略。

本文以汽車離合器膜片彈簧小端載荷－變形特性為研究對象，結(jié)合某型號離合器膜片彈簧的3-D模型，計入環(huán)境溫度的影響，運用非線性有限元方法對膜片彈簧小端載荷－變形特性進(jìn)行了熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，研究了溫度對膜片彈簧的Von Mises等效應(yīng)力分布特點及小端載荷－變形特性的影響規(guī)律，并利用試驗驗證了熱－結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果的正確性，從而為離合器的設(shè)計和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 膜片彈簧的傳熱模型及熱邊界條件

1.1 膜片彈簧傳熱模型

膜片彈簧工作過程中傳熱較為復(fù)雜，本文建立的膜片彈簧傳熱簡化模型如圖1所示。離合器在工作時，主、從動摩擦副相互滑磨使離合器摩擦產(chǎn)生大量的熱量，離合器工作溫度升高。為了準(zhǔn)確地表征溫度對離合器膜片彈簧工作產(chǎn)生的影響，對比分析離合器工作過程中膜片彈簧小端載荷隨溫度變化的影響。先利用有限元軟件ANSYS在多物理場模塊中對膜片彈簧進(jìn)行熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，得到膜片彈簧載荷特性;再通過離合器試驗臺進(jìn)行離合器分離接合試驗以對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。由于實際工作中離合器蓋等零部件在外力作用下的變形和支撐接觸處間隙的存在，離合器在分離的過程中會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。因此，離合器在工作中受到的影響因素較復(fù)雜，為了便于有限元分析和計算，做如下假設(shè)：

1)材料性能參數(shù)不隨工作條件的變化而變化，即材料各向同性。

2)分離軸承與膜片彈簧、壓盤與膜片彈簧在分離的過程中沒有相對滑動和摩擦。

3)忽略離合器工作過程中相變帶走的熱量，即產(chǎn)生的熱量完全被壓盤和摩擦片吸收。

圖1 膜片彈簧傳熱模型

熱傳遞根據(jù)不同的機(jī)理分為3種不同的方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。根據(jù)上述假設(shè)，膜片彈簧溫度場視為穩(wěn)態(tài)熱分析，其導(dǎo)熱微分方程可表示為

1.2 熱邊界條件

穩(wěn)態(tài)熱分析初始條件為離合器蓋體內(nèi)的初始溫度［7－8］：

第一類邊界條件：膜片彈簧接觸邊界上的溫度值，即壓盤表面溫度為

第三類邊界條件：膜片彈簧表面的對流換熱情況為

式(4)中：hc為對流換熱系數(shù);Tf為流體溫度。

式(5)～(7)中：Ka為空氣導(dǎo)熱系數(shù)(見表1);D為流體特性尺寸;Re為雷諾數(shù);V為流體速度;ρ為流體密度;L為特征尺寸;μ為流體動力黏度。以上流體參數(shù)均可由標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣物理參數(shù)表查出。

表1 空氣導(dǎo)熱系數(shù)Ka

對于同時存在對流和輻射換熱的邊界也可以簡化為第三類邊界條件：

式(8)中：σ為波爾茲曼常數(shù);F為常數(shù)，與邊界表面和環(huán)境的發(fā)射率、空間角系數(shù)以及它們的面積比因素有關(guān)。

2 膜片彈簧有限元分析與試驗

2.1 膜片彈簧熱－結(jié)構(gòu)耦合分析

建立有限元分析模型，并用ANSYS對膜片彈簧進(jìn)行分析。膜片彈簧和壓盤材料分別選用60Si2Mn和HT250。材料屬性和模型參數(shù)見表2。

以某型離合器膜片彈簧為研究對象進(jìn)行有限元分析。為便于模型在ANSYS中的網(wǎng)格劃分和節(jié)省運算時間及計算機(jī)資源，對膜片彈簧進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚?，忽略膜片彈簧過渡小圓角和尖角。根據(jù)文獻(xiàn)［9］對膜片彈簧單元選擇的研究，本文選用的熱分析單元為20節(jié)點的實體單元Solid90，并用ANSYS自帶網(wǎng)格劃分工具自動劃分網(wǎng)格，得到單元數(shù)為6 474，節(jié)點個數(shù)為37 396，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

表2 模型材料屬性和尺寸

圖2 膜片彈簧1/4有限元模型

由于膜片彈簧熱－結(jié)構(gòu)耦合分析中存在熱輻射(高度非線性分析)和結(jié)構(gòu)大變形的情況，因此離合器分離特性的熱－結(jié)構(gòu)耦合求解是強(qiáng)非線性問題求解，從而選用靜力大變形模式和Full-N-R迭代方程進(jìn)行求解。

由于壓盤與膜片彈簧的接觸為線接觸，故熱傳導(dǎo)對膜片彈簧的溫升影響可以忽略不計［10］，壓盤與膜片彈簧之間主要以熱對流和熱輻射兩種方式傳遞熱量。根據(jù)實際工況，分別給壓盤施加50℃、100℃及200℃的穩(wěn)態(tài)溫度場，根據(jù)式(5)～(7)求出相應(yīng)溫度下的對流系數(shù)，在膜片彈簧表面施加強(qiáng)制對流邊界條件，并將膜片彈簧與壓盤相對的表面設(shè)置為熱輻射面。

膜片彈簧熱－結(jié)構(gòu)耦合分析時采用間接分析法，在碟形彈簧斷面兩側(cè)施加對稱約束，并在分離指小端圓周沿著指向壓盤軸向方向施加位移載荷，約束膜片彈簧支撐環(huán)的所有自由度，設(shè)置參考溫度為20℃，施加載荷后進(jìn)行耦合求解。將分析結(jié)果處理后得到如圖3所示的膜片彈簧軸向變形云圖。

圖3 膜片彈簧軸向變形云圖

利用上述方法對膜片彈簧在不同工作溫度下進(jìn)行熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，得到對應(yīng)的分析結(jié)果。圖4(a)～(f)分別為膜片彈簧在不同環(huán)境溫度下外表面和內(nèi)表面的等效應(yīng)力云圖。隨著環(huán)境溫度的升高，膜片彈簧受到的最大等效應(yīng)力隨之增大。最大Von Mises等效應(yīng)力發(fā)生在分離指根部靠近蝶形彈簧附近窗孔的圓角處，且膜片彈簧外表面與內(nèi)表面的應(yīng)力集中的面積也隨之增大。

圖4 膜片彈簧等效應(yīng)力

通過后處理提取不同溫度下膜片彈簧小端載荷的大小，得到膜片彈簧小端載荷－變形特性仿真曲線。如圖5所示，由上至下依次為50℃、100℃、200℃下膜片彈簧小端所受載荷大小與變形關(guān)系曲線。在曲線的前段部分溫度對小端(分離指)分離載荷影響較小，而在膜片彈簧小端位移大于3.4 mm后，小端載荷受溫度影響較大。膜片彈簧小端載荷隨溫度升高呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。

圖5 小端載荷－變形特性仿真曲線

2.2 膜片彈簧分離特性試驗

為驗證有限元分析結(jié)果，進(jìn)行離合器分離特性試驗。試驗臺結(jié)構(gòu)和實物如圖6、7所示。試驗時固定離合器飛輪端，控制離合器分離，利用驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動慣性飛輪和從動盤至設(shè)定轉(zhuǎn)速，停止驅(qū)動電機(jī)，結(jié)合離合器制動慣性飛輪停止，一次滑摩過程結(jié)束。重復(fù)上述過程直至壓盤溫度升至設(shè)定溫度。利用安裝在分離軸承處的力傳感器和位移傳感器測得離合器分離時膜片彈簧小端的壓緊力和行程。試驗分別測得壓盤溫度為50℃、100℃及200℃時膜片彈簧小端壓緊力及其對應(yīng)的變形。

圖6 離合器試驗臺架

圖7 離合器試驗臺實物

根據(jù)上述試驗方法測得的試驗數(shù)據(jù)，得到離合器膜片彈簧在不同工作溫度下的小端載荷－變形特性試驗曲線如圖8所示。

圖8 小端載荷－變形特性試驗曲線

通過分析圖5和圖8可知：隨著壓盤溫度的升高，膜片彈簧小端載荷呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律，并且在變形大于5 mm時載荷急劇增加，這是由于離合器分離執(zhí)行機(jī)構(gòu)限位裝置引起的。仿真與試驗結(jié)果在數(shù)值上存在一定誤差，但總體趨勢較為一致。仿真與實驗結(jié)果的這種差別是由于模型測繪誤差所引起的。

3 結(jié)論

1)利用有限元軟件ANSYS對膜片彈簧分離特性進(jìn)行了熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，得出膜片彈簧在工作過程中的最大應(yīng)力分布在分離指根部，并得到了不同溫度下離合器膜片彈簧的小端載荷－變形特性曲線。

2)通過仿真與試驗可知：膜片彈簧分離載荷隨著壓盤溫度升高而減小。

3)對比仿真與試驗結(jié)果可知：本文采用的有限元分析方法能有效分析膜片彈簧工作時的分離特性，從而為離合器的優(yōu)化設(shè)計提供一條有效途徑。

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Experiment Analysis and Simulation of Separation
Characteristics of Diaphragm Spring

REN Hong-hai1，ZHANG Zhi-gang1，SHI Xiao-hui1，YI Peng2
(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China;
2.Chongqing Academy of Science and Technology，Chongqing 400000，China)

In order to study the load-deflection characteristics of the diaphragm spring release finger under different ambient temperature，the heat transfer model of the clutch diaphragm spring was established and thermal boundary conditions during diaphragm spring work process were analyzed.The finite element model of the diaphragm spring was established by using ANSYS software.And then the load-deflection characteristic of the diaphragm spring small end was analyzed at different ambient temperatures.The correctness and effectiveness of the finite element analysis results are verified by the experiment.Simulation and experimental results show that the load of diaphragm spring small end decreases with temperature rise.

clutch;diaphragm spring;release characteristic

format：REN Hong-hai，ZHANG Zhi-gang，SHI Xiao-hui，et al.Experiment Analysis and Simulation of Separation Characteristics of Diaphragm Spring［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：24 －28.

U463.211

A

1674－8425(2014)04－0024－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.005

2013－12－18

重慶市教委科技項目(KJZH10211);重慶市科技攻關(guān)計劃項目(cstc2012gg-yyjsB30002，cstc2011ggB60010)

任洪海(1988—)，男，碩士研究生，主要從事汽車零部件檢測技術(shù)研究。

任洪海，張志剛，石曉輝，等.膜片彈簧分離特性仿真與試驗分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014(4)：24 －28.

(責(zé)任編輯 劉 舸)