（论文）膜片弹簧分离特性仿真与试验分析.pdf

第 2 8卷 vo 1 2 8 第 4期 no 4 重 庆 理 工 大 学 学 报 自然科 学 j o u rnal o f c h o n g q i n g u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y n a t u r a l s c i e n c e 2 01 4年 4月 ap r 2 01 4 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 4 8 4 2 5 z 2 0 1 4 0 4 0 0 5 膜片弹簧分离特性仿真与试验分析 任洪海 张志刚 石晓辉 易 鹏 1 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室 重庆4 0 0 0 5 4 2 重庆市科学技术研究院 重庆4 0 0 0 0 0 摘 要 为研 究离合器膜片弹簧分 离指在不 同环境温度下的载荷 一变形特性 建立了离合 器膜片弹簧热传递模型 分析 了膜片弹簧工作过程 中热边界条件 利 用 a n s y s有限元软件建 立了膜 片弹簧有限元模型 分析 了膜片弹簧在 不同环境温度 下小端载荷 一变形特性 并通过试 验验证了有限元分析结果的正确性和有效性 仿真与试验结果表明 离合器膜片弹簧小端载荷 随温度升 高呈现出减小的变化规律 关键词 离合器 膜 片弹簧 分 离特性 中图分类号 u 4 6 3 2 1 1 文献标识码 a 文章编号 1 6 7 4 8 4 2 5 2 0 1 4 0 4 0 0 2 4 0 5 ex p e r i me n t an a l y s i s a n d s i mu l a t i o n o f s e p a r a t i o n ch a r a c t e r i s t i c s o f di a p hr a g m s pr i n g ren ho n g h a i zhang zh i g a n g s hi xi a o h u i yi p e n g 1 k e y l a b o r a t o r y o f a d v a n c e d ma n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y f o r a u t o m o b i l e p a r t s mi n i s t r y o f ed uc a t i o n cho n g q i n g 4 0 0 05 4 ch i n a 2 c h o n g q i n g a c a d e m y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o gy c h o n g q i n g 4 0 0 0 0 0 c h i n a abs t r a c t i n o r d e r t o s t ud y t he l o a d d e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e di a p h r a g m s p rin g r e l e a s e fin g e r u n d e r di f f e r e n t a mb i e n t t e mp e r a t u r e t h e h e a t t r a ns f e r mo de l o f t h e c l u t c h d i a ph r a g m s p ring wa s e s t a b l i s h e d a n d t h e r ma l b o u n d a ry c o n d i t i o n s d u ri n g d i a p h r a g m s p r i n g w o r k p r o c e s s w e r e a n a l y z e d t h e f i ni t e e l e me n t mo d e l o f t h e d i a p h r a g m s p r i n g wa s e s t a bl i s h e d b y u s i n g ans ys s o f t wa r e an d t h e n t h e l o a d de f l e c t i o n c h a r a c t e ris t i c o f t h e d i a ph r a g m s p r i n g s ma l l e n d wa s a n a l y z e d a t d i f f e r e n t a mb i e n t t e m p e r a t u r e s t h e c o r r e c t n e s s a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s a r e v e ri fi e d b y t h e e x p e r i me n t si mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l r e s ul t s s h o w t h a t t h e l o a d o f d i a p hr a g m s p ring s ma l l e nd de c r e a s e s wi t h t e mp e r a t u r e r i s e ke y wo r d s c l u t c h d i a p h r a g m s p ri n g r e l e a s e c h a r a c t e ri s t i c 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 8 基金项 目 重庆市教委科技项 目 k j z h1 0 2 1 1 重庆市科技攻关计划项 目 c s t c 2 0 1 2 g g y y j s b 3 0 0 0 2 c s t c 2 0 1 l g g b 6 0 0 1 0 作者简介 任洪海 1 9 8 8 一 男 硕士研究生 主要从事汽车零部件检测技术研究 引用格式 任洪海 张志刚 石晓辉 等 膜片弹簧分离特性仿真与试验分析 j 重庆理工大学学报 自然科学版 2 0 1 4 4 2 4 2 8 ci t a t i o n f o r ma t re n ho n g h a i zhan g z h i g a n g s hi xi a o h u i e t a1 ex p e ri me n t a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n o f s e p a r a t i o n c h a r a c t e ri s t i c s o f d i a p h r a g m s p ri n g j j o u r n a l o f c h o n g q i n g u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o gy n a t u r a l s c i e n c e 2 0 1 4 4 2 4 2 8 任洪海 等 膜片弹簧分 离特性仿真与试验分析 2 5 膜片弹簧是离合 器盖总成 的核心部件 其特 性不仅影响离合 器的传 递转矩特性 而且决定 着 离合器操纵特性 离合器拨叉分离力 压盘压紧 力 分离轴承行程及压盘升程均取决于膜 片弹簧 的结构尺寸和弹性特性 目前 国内外学者对 膜片弹簧的研究主要集中在大端载荷 一变形特性 分析方面 例如 杨橙 基于非线性有限元法 研 究了膜片弹簧轴对称模型 板壳模型及实体模型 并得出实体模 型用 于仿真分 析更 为精 确的结论 林恩等 建立了膜片弹簧大端受载的精确有限元 模型 并通过试验验证 了有限元分析方法优 于传 统 的 a l公式计算结果 n a m等 利用试验研 究 了热处理条件对膜片弹簧 的疲劳耐久特性的影 响规律 并找出了疲 劳裂 纹与应力集 中范 围的关 系 k a y a 利用遗传算法研究了膜 片弹簧分离指 窗孔最优形状 及其对大端 载荷 一变 形特性 的影 响 然而 对膜片弹簧小端载荷 一变形特性 的研 究相对较少 陈宏伟等 建立了离合器静力学模 型 研究 了膜片弹簧小端的载荷 一变形特性 并运 用 m a t l a b编程计算得到了膜片弹簧小端 的载荷 一 变形特性曲线 但是 离 合器静力学模 型未能综 合考虑膜片弹簧工作时环境温度对其载荷 一 变形 特性的影响 同时离合器 工作方式决定 离合器处 于温度相对较高的工作环境 因此温度对离合器 分离特性的影响不容忽略 本文以汽车离合器膜片弹簧小端载荷 一变形 特性为研究对象 结合某 型号离合器膜 片弹簧的 3 一 d模型 计人环境温度的影 响 运用非线性有限 元方法对膜片弹簧小端载荷 一变形特性进行 了热 一 结构耦合分析 研究 了温 度对膜片 弹簧 的 v o n mi s e s 等效应力分布特点及小端载荷 一变形特性 的影响规律 并利用试验验证 了热 一结 构耦 合分 析结果的正确性 从而为离合器 的设计 和优 化提 供参考依据 1 膜片弹簧的传热模型及热边界条件 1 1 膜片弹簧传热模型 膜片弹簧工作过程 中传热较 为复杂 本文建 立 的膜片弹簧传热简化模型如 图 1所示 离合器 在工作时 主 从动摩擦副相互滑磨使离合器摩擦 产生大量 的热量 离合器工作 温度升高 为了准 确地表征温度 对离合 器膜 片弹簧 工作产 生 的影 响 对比分析离合器工作 过程 中膜片弹簧小端载 荷随温度变化的影响 先利用有限元软件 a n s y s 在多物理场模块 中对膜片弹簧进行热 一结构耦合 分析 得到膜片弹簧载荷特性 再通过离合器试验 台进行离合器分离接合试验以对仿真结果进行验 证 由于实际工作 中离合器盖等零部件在外力作 用下的变形 和支撑接 触处间 隙的存在 离合器在 分离的过程 中会产生滞 后现象 因此 离合器在 工作 中受到的影 响因素较复杂 为了便于有 限元 分析和计算 做如下假设 1 材料性能参数不随工作条件的变化而变 化 即材料各向同性 2 分离轴承与膜片弹簧 压盘与膜 片弹簧在 分离的过程 中没有相对滑动和摩擦 3 忽略离合器工作过程 中相变带走的热量 即产生的热量完全被压盘和摩擦片吸收 图 1 膜 片 弹 簧 传 热模 型 热传递根据 不 同的机理 分为 3种 不 同的方 式 热传导 热对流和热辐射 根据上述假设 膜 片弹簧温度场视为稳态 热分析 其导热微分方 程 可表示为 0 2 t 磐 譬 0 1 a a a z 1 2 热边界条件 稳态热分析初始条件为离合器盖体 内的初始 温度 一 t l 0 y z 2 第一类边界条件 膜片弹簧接触边界上 的温 度值 即压盘表面温度为 2 6 重 庆 理 工 大 学 学 报 y 3 第三类边界条件 膜 片弹簧表面 的对流换 热 情况为 一 a o a n r 一 4 式 4 中 h 为对流换热系数 为流体温度 re v p l f 5 1 0 7 r e o 55 r e 2 4 10 6 o o 4 r e 2 4 0 7 式 5 7 中 为空气 导热系数 见表 1 d 为流体特性尺寸 r e 为雷诺数 v为流体速度 p 为流体密度 l为特征尺寸 为流体动力黏度 以上流体参数均可由标准大气压下的空气物理参 数表查 出 表 1 空气导热系数 对于同时存在对流和辐射换热的边界也可以 简化为第三类边界条件 一 a h c 一 o f 一 8 式 8 中 o r 为波尔兹曼常数 f为常数 与边界表 面和环境的发射率 空 间角系数 以及 它们 的面积 比因素有关 2 膜片弹簧有限元分析与试验 2 1 膜片弹簧热 一结构耦合分析 建立有限元分析模型 并用 a n s y s对膜片弹 簧进行 分 析 膜 片 弹 簧 和 压 盘 材 料 分 别 选 用 6 0 s i 2 mn和 h t 2 5 0 材料属性和模型参数见表 2 以某 型离合器膜片弹簧为研究对象进行有 限 元分析 为便 于模型在 a n s y s中的网格 划分和 节省运算时间及计算 机资源 对膜 片弹簧进行 了 适 当的简化处理 忽略膜 片弹簧 过渡小 圆角和尖 角 根据文献 9 对膜片弹簧单元选择 的研究 本 文选用的热分析单元为 2 0节点的实体单元 s o 1 i d 9 0 并用 a n s y s自带 网格划分工具 自动划分 网 格 得到单元数为 6 4 7 4 节点个数 为 3 7 3 9 6 划分 网格后的有限元模型如图 2所示 袁 2 模型材料属性和 尺寸 图 2 膜 片弹簧 1 4有 限元模 型 由于膜片弹簧热 一结构耦合分析 中存在热辐 射 高度非线性分析 和结构大变形 的情况 因此 离合器分离特性的热 一结构耦合求解是强非线性 问题求解 从 而选 用静力 大变形模 式和 f u l l n r 迭代方程进行求解 由于压盘与膜片弹簧 的接触 为线接触 故热 传导对膜片弹簧 的温升影响可 以忽略不计 压 盘与膜片弹簧之间主要 以热对流和热辐射两种方 式传递 热 量 根 据 实 际工 况 分 别 给 压 盘施 加 5 0 1 0 0 及 2 0 0 c c的稳态温度场 根据式 5 7 求出相应温度下的对流系数 在膜片弹簧表面 施加强制对流边界条件 并将膜片弹簧 与压盘相 对的表面设置为热辐射面 膜片弹簧热 一结构耦合分析时采用间接分析 法 在碟形弹簧断面两侧施加对称约束 并在分离 2 8 重 庆 理 工 大 学 学 报 2 通过仿真与试验可知 膜片弹簧分离 载荷 随着压盘温度升高而减小 3 对比仿真与试验结果可知 本文采用的有 限元分析方法能有效分析膜片弹簧工作时的分离 特性 从 而 为离 合 器 的优 化设 计 提 供一 条 有 效 途径 图7 离 舍器 试验台实物 参考文献 根据上述试验方法测得 的试 验数据 得到 离 合器膜片弹簧在不 同工作温度下的小端载荷 一变 形特性试验曲线如图 8所示 图8 小端载荷 一变形特性试验曲线 通过分析 图 5和 图 8可知 随着压盘温度 的 升高 膜片弹簧小端载荷呈现出减小的变化规律 并且在变形大于 5 m m时载荷急剧增加 这是 由于 离合器分离执行机构限位装置引起的 仿真与试 验结果在数值上存在一定误差 但总体趋势较为 一 致 仿真与实验结果 的这种差别是 由于模型测 绘误差所引起 的 3 结论 1 利用有限元软件 a n s y s对膜片弹簧分离 特性进行了热 一结构耦合 分析 得 出膜 片弹簧在 工作过程中的最大应力分 布在分离指根部 并得 到了不同温度下离合器膜片弹簧 的小端载荷 一变 形特性 曲线 1 徐世安 江发潮 汽车 离合器 m 北京 清华大学出 版社 2 0 0 5 2 杨澄 汽车离合器膜片弹簧的有限元分析 j 机电技 术 2 0 0 5 1 3 7 3 8 3 林恩 桂 良进 范子杰 膜片弹簧力学特性有限元分析 j 汽车工程 2 0 1 0 3 2 1 0 8 9 2 8 9 6 4 n a m w h l e e c y c h a i y s e t a 1 a s t u d y o n f a t i g u e a n d d u r a b i l i t y c h a r a c t e ri s t i c s o f c l u t c h d i a p h r a g m s p ri n g a c c o r d i n g t o t e m p e ri n g c o n d i t i o n j s a e p a p e r no 20 0 0 0 501 3 3 5 k a y a n o p t i m a l d e s i g n of an a u t o m o t i v e d i a p hra g m s p r i n g