干式双离合器膜片弹簧的有限元分析

尹宗军 汪帆 王玲芝 陈晨 苏蓉 刘雨

摘 要：离合器是汽车结构中重要的零部件之一，它主要用来传递和切断动力。离合器有很多种，其中膜片弹簧离合器应用最为广泛。文章利用软件UG建立了膜片弹簧三维实体模型，将三维实体模型以STP格式导入到Hypermesh软件中进行网格划分。针对某一工况下的受力，利用ABAQUS对膜片弹簧进行有限元计算，最后得到了膜片弹簧Mises应力云图。

关键词：干式双离合器膜片弹簧;有限元分析;应力云图

中图分类号：U262.31+1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-152-02

Abstract： The clutch is one of the important parts in automobile structure. It is mainly used to transfer and cut off power. There are many kinds of clutches， among which the diaphragm spring clutch is the most widely used. In this paper， the three-dimensional solid model of diaphragm spring is established by using UG software， and is imported into HyperMesh software in STP format for mesh generation. According to the stress under a certain working condition， it is submitted to ABAQUS for finite element calculation， and finally the Mises stress nephogram of diaphragm spring is obtained.

Keywords： Diaphragm spring; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U262.31+1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-152-02

前言

膜片彈簧离合器结构简单、制造成本低等优点，使其广泛应用于乘用车上。双离合器自动变速器作为一种新型的自动变速器，综合了液力变矩器和机械自动变速器的优点，能够实现换挡过程动力不间断，减少换挡时间，提高换挡品质，增加汽车舒适性，已成为当今汽车领域内研究的热点[1，2]。

赵金璐[3]阐述了干式离合器的组成与工作机理，同时对膜片弹簧小端的分离特性进行了仿真分析，对膜片弹簧的结构参数进行了仿真分析，重点探究了膜片弹簧的力学特性。浦宇斌[4]研究了干式双离合器摩擦副在接合过程中的温升对提高控制精度以及使用寿命的影响，同时基于温升仿真结果，计算得到了压盘和摩擦片的应力及变形情况。薄小斌[5]通过HyperMesh仿真膜片弹簧的接合和分离过程，验证了膜片弹簧满足材料强度要求，并得出膜片弹簧若在实际工作中分离指部分刚度偏低，会造成分离行程偏长的现象。战东红[6]对干式双离合器的参数化设计及热分析展开研究，以CATIA三维建模系统为平台实现了对干式双离合器结构中关键零件的参数化设计，并进一步实现了装配参数化设计。宋宏斌[7]使用MATLAB中的遗传算法工具箱优化了膜片弹簧在磨损范围内优化前后压紧力变化减少，提高了压紧力的稳定性。

本文以某干式双离合器自动变速器为研究对象，分别针对双离合器内膜片弹簧的工作特性，对膜片弹簧进行了静力学分析。

1 膜片弹簧有限元分析模型建立

1.1 干式双离合器膜片弹簧受力分析膜片弹簧所受载荷F计算公式如下：

（1）

式中E为弹性模量（Mpa），取2.06×105Mpa;μ为泊松比，取0.290。膜片弹簧I和膜片弹簧II的基本参数如表1所示，其中R为摩擦片外径（mm），r为摩擦片内径（mm），L为压盘接触半径（mm），rf为弹簧小端半径（mm），H为碟簧部分的原始内截锥高，h为弹簧片厚。

膜片弹簧的基本参数和离合器与压盘间隙为1mm，把这些基本参数代入上述公式，可以计算出在膜片弹簧I在没有发生变形时所受到力0N，在膜片弹簧II发生形变时所受到的力1263N，此时压盘所受到的力5225.5N。再计算膜片弹簧I分离指端的压力为1263N，膜片弹簧II分离指端所受到的压力为1276N，膜片弹簧分离指端所受到的总压力F1=1518N，F2=2539N。

1.2 几何模型建立

用软件UG建立膜片弹簧三维实体模型，将三维实体模型以STP格式导入到Hypermesh软件中进行有限元网格划分。其中为方便边界条件加载，用圆环替代支撑部位。对膜片弹簧分析主要关注其强度是否合格。网格划分图如下图1所示，网格类型选择C3D8R，C表示为实体单元，3D表示为三维，8是这个单元所具有的节点数目，R指这个单元是缩减积分单元。

1.3 材料模型的建立

本文膜片弹簧材料选取的是60Si2MnA。假设其材料为各向同性材料，其选取材料参数如表2所示。

1.4 初边界条件的确定

依据弹簧的工作特性，膜片弹簧I小端施加载荷为1518N，膜片弹簧II小端施加载荷2539N。具体施加方式为，在膜片弹簧中心处建立RB3主控制点，从控制点为载荷施加区域，加载力施加到主控制点上。

2 膜片弹簧计算结果分析

图2是膜片弹簧Mises应力云图。从云图可以看出膜片弹簧I和膜片弹簧II最大应力都出现在膜片弹簧分离指和碟簧交界处的圆形窗口附近，最大应力分别为77Mpa、202Mpa。由膜片弹簧的最大应力小于其材料屈服极限，说明膜片弹簧符合强度设计要求。

3 结论

双离合器自动变速器作为一种新型自动变速器，已成为当今汽车领域内研究的热点。针对双离合器常开式膜片弹簧的工作特性，对膜片弹簧进行静力学分析，可以为双离合器的结构设计及优化分析提供了一定的实用依据。本文首先对某膜片弹簧进行实体建模，并在Hypermesh软件中进行网格划分，确定荷载后，用ABAQUS软件对膜片弹簧进行有限元分析，验证了该膜片弹簧未超过屈服极限且满足设计的强度要求。

参考文献

[1] 彭书志.重载机械膜片弹簧离合器的优化设计[J].光机电信息， 1998，18 （07）：23-25.

[2] 夏长高，朱茂桃.汽车离合器膜片弹簧优化设计的数学模型分析[J].汽车技术， 1996， 9（12）：14-17.

[3] 赵金璐.干式离合器操纵舒适性仿真与试验研究[D].重庆理工大学，2018.

[4] 浦宇斌.干式双离合器摩擦副接合过程温升研究[D].江苏大学， 2017.

[5] 薄小斌.离合器膜片弹簧结构优化及特性仿真研究[D].太原理工大学，2015.

[6] 战东红.离合器膜片弹簧优化设计及仿真[D].吉林：延边大学， 2017.

[7] 宋宏斌.离合器膜片弹簧优化设计及仿真[D].延边大学，2017.