北京吉普汽车离合器膜片弹簧的仿真设计

北京吉普汽车离合器膜片弹簧的仿真设计摘要：离合器是汽车传动系中重要的机构，为了保证汽车平稳起步，离合器使传动系在换档时能够平稳的工作。在各种各样的汽车离合器中，很大一部分离合器都是通过分离和结合主、从动盘来实现工作需求的。因此，本文以北京吉普汽车车用离合器膜片弹簧为设计目标，主要实现对离合器力学性能的分析和运动学仿真的工作。此毕业设计是以北京吉普BJ2020汽车离合器膜片弹簧的参数为相关参数。在满足工作性能的前提下，采用数学建模的方法，设计的目标函数。确定模型的约束条件后，建立数学模型，最后运用ANSYS有限元分析软件对实验对象建立运动学仿真。通过ANSYS运动学仿真，确定膜片弹簧工作时最大应力发生的区域。分析膜片弹簧材料的许用应力能否承受弹簧片所受的最大许用应力。通过膜片弹簧的运动仿真，确定力的分布并得出结论。设计过程中还借助PRO/E软件建立膜片弹簧实体模型，最后切出一个齿作为ANSYS运动学仿真的备用实验对象。关键词：膜片弹簧,数学模型,运动学仿真,有限元分析ITheSimulationDesignofBeijingJeepAutomobileClutchDiaphragmSpringAbstract：Clutchisanimportantinstitutionintheautomobiledrivetrain.Inordertoensuresmoothstartofthecar,theclutchallowsthetransmissiontoshiftsmoothly.Inallkindsofautomobileclutch,alargepartoftheclutchisaccomplishedbytheseparationandcombinationofthemainandsubordinatedrivenplatetoachievetheworkdemand.Therefore,thispapertakesBeijingjeepautomobileclutchdiaphragmspringasthedesignobjectives,mainlytoachievetheanalysisofmechanicalpropertiesandthekinematicssimulationofthework.ThisgraduationdesignisbasedontheparametersofBeijingJeepBJ2020Automobileclutchdiaphragmspringforrelatedparameters.Atthesametimetomeettheworkperformance,weusethemethodofmathematicalmodelingtodesignobjectivefunctions.Aftertheconstraintconditionsofthemodelareestablished,themathematicalmodelisestablished.Finally,thekinematicsimulationofANSYSisrealized.Bykinematicsimulation,theregionofmaximumstressoccurredinthespringwork.Theallowablestressofthediaphragmspringisthemaximumallowablestressofthediaphragm.Throughthekinematicsimulationofthediaphragmspring,thedistributionoftheforceisdeterminedandtheconclusionisdrawn.Inthedesign,thePRO/Esoftwareisusedtoestablishthesolidmodelofthediaphragmspring,finallycuttingatoothasanalternateobjectofANSYSkinematicsimulation.Keyword:Diaphragmspring,Mathematicalmodel,Kinematicssimulation,ThefiniteelementanalysisII目录1引言.12离合器概述.22.1汽车离合器功用.22.2汽车离合器结构的演变.22.3离合器的控制方式.32.4离合器从动盘.32.5离合器未来的发展.32.6膜片弹簧的利用.43膜片弹簧离合器.53.1膜片弹簧离合器的总体构成.53.2膜片弹簧离合器的工作原理.63.3离合器的种类.73.4膜片弹簧离合器存在的问题.83.5膜片弹簧离合器的优点及发展前景.84数学模型的建立.94.1膜片弹簧的强度计算.94.2建立目标函数.104.3确定约束条件.134.4建立数学模型.134.5求解.145膜片弹簧的有限元建模及分析.155.1ANSYS软件的简介.155.2ANSYS软件具备的分析类型.156膜片弹簧的三维建模.166.1膜片弹簧建模的具体步骤.166.2膜片弹簧的实体模型.237膜片弹簧的运动学仿真分析.257.1膜片弹簧的前处理.257.2膜片弹簧的网格划分.29III7.3膜片弹簧的运动学仿真.32结论.38参考文献.39致谢.4001引言19世纪末，世界上第一辆汽车在德国诞生。卡尔佛里特立奇本茨设计出了改变世界汽车工业的三轮车，从此汽车就在我们的生活起着无可替代的作用。目前，世界上汽车的数量按照增长的速度以及统计的误差估计在11亿辆左右。改革开放以后，我国汽车工业也为世界汽车工业的发展做着巨大的贡献，随着我国国民经济的迅速发展，汽车工程已经成为我国国民经济不可或缺的一部分，汽车工业己经成为了我国国民经济的支柱性产业。汽车技术的创兴与发展将起着至关重要的作用，而现在的缩小中国与发达国家该行业之间的距离、加快我国汽车工业发展的速度也成为我们要做的第一步，国家也要以加大创新科技的投入为出发目标，汽车企业也要以自主创新能力为生存手段。在汽车的传动机构中离合器作为汽车的核心部件是一个非常重要的部件，离合器主要是把发动机传出来的扭矩逐渐平稳转接到汽车的传动系上，实现汽车的平稳起步、换挡、停车。在汽车上，离合器和发动机飞轮连接，停止和平稳的实现变速器和发动机之间的扭矩动力的传递，从而保证汽车起步时能够将发动机与传动系平稳接合，保证汽车能够平稳起步；我们换挡时离合器又通过膜片弹簧实现发动机与传动系的分离再结合，从而减小变速箱中换挡齿轮之间的相互冲击；在出现很大惯性负荷的紧急制动时，离合器又可以传递有限转矩，防止传动系各机构因过载而损毁，实现了传动系中振动和噪声的减小。目前，汽车膜片弹簧离合器得到广泛的应用。汽车膜片弹簧离合器不但用于轿车上，也在货车上完成了普及应用。国产汽车开始依赖膜片弹簧离合器。在汽车膜片弹簧离合器的仿真设计中需考虑的因素很多、设计难度大、计算公式繁琐。以前基本采用试凑法，即按计算步骤得出相应结果，若结果不合适，就得修改繁琐的参数进行重新计算，直到计算结果符合设计要求为止。这样的设计方法繁琐而漫长，而且很难获得最优化结果。采用优化设计的方法，可以将以前简化过的参数都考虑到设计实验中去，通过ANSYS进行膜片弹簧的运动学仿真。以此确定离合器膜片弹簧所受压应力分布情况，从而确定所受压应力最大的点，我们就可以通过改变这个点的结构、材料来提高膜片弹簧的使用寿命以及工作性能。12离合器概述2.1汽车离合器功用离合器是汽车传动系的重要组成机构，在汽车传动过程中离合器的作用是：（1）离合器可以让汽车在换挡、起步以及停车时变得稳定顺畅；（2）离合器可以缓冲汽车传动系收到发动机传输的瞬间高强度转矩，保护传动系中的零件因过载而损坏；（3）离合器的使用可有效地减小传动系中的噪音和震动。2.2汽车离合器结构的演变最早的离合器是锥形离合器，该离合器操作难度大，很难保证汽车平稳起步、换挡以及停车的操作。1893年，摩擦片式离合器在法国诞生，从此以后摩擦片式多片离合器成为当时的主导离合器。好景不长，慢慢地多片湿式摩擦离合器片开始走向落寞。人们发现由于它易被油粘住，会使得换挡不彻底，起步不平稳。逐渐地它便被取缔。多片干式离合器由于接触面数多，结合分离也彻底而被人们认可。但因片数较多，从动部分的转动惯量很大，换挡时需要提供较大的操纵力；人们逐渐开始创新设计单片干式离合器，改善了上一代离合器从动部分转动惯量大的问题，散热效果也提升。而它唯一的缺点是它刚接合时不够平顺，人们还是感觉不满意。1911年后，由于上述问题的存在，人们根据压紧弹簧的不同设计出了三代离合器产品，并且经过不断优化改良。在降低成本的基础上提高了操控舒适性和驾驶可靠性。离合器发展历程中的三种离合器：螺旋弹簧离合器-1930年得到完善的的干式单片离合器,。推式膜片弹簧离合器-1937年美国通用汽车公司设计出来并将这种离合器用于雪拂兰轿车上。拉式膜片弹簧离合器-1959年原西德FS首先研制出来，1970国外的到广泛使用。21978年，克莱斯勒公司在自动变速器又开始开展新的创新，减小了汽车百公里耗油。80年代以来出现了新的、自动纯机械式变速器，通常比相同情况下的液力自动变速器省油15%30%。2.3离合器的控制方式离合器主要采用单参数控制法和最优控制法两个主要控制方式。熟练的司机可借其驾驶技巧和丰富的经验，流畅地完成汽车在不同路况下的迅速、平稳起步停车。最初的离合器为了避免接合时发动机熄火，通常采用模糊技术控制的手段，借助电子液压阀模糊控制，自动控制离合器平稳的接合。目的是在保证接合柔和，分离彻底的同时提高膜片弹簧的使用寿命。2.4离合器从动盘离合器从动盘在设计中存在的两个矛盾是：（1）设计者希望设计出尽可能大的从动盘直径，从而得到较好的传扭特性、减轻磨损使得使用寿命得以延长，（2）另一方面设计者们又想尽量减小从动盘的转动惯量，从而缩短同步变速的时间，实现变速器换档迅速平稳。为了形成轴向弹性，实现离合器接合柔和平稳，最初的离合器从动盘设计成波浪的形状，这些矛盾都是难以调解的。最后设计出来的离合器，从动盘既保留具有轴向弹性特，增大了本体从动盘的面积，在如此大的面积下摩擦片与从动盘可以粘接连接在一起，这样，摩擦片上可以省去原来预留的钉钢背的厚度，以便减小了离合器摩擦片厚度，节约成本。从动盘的轴的向尺寸可节约10%，但是转动惯量减小了约25%。2.5离合器未来的发展现在我国的汽车工业处于缓慢增长的常态发展时期，汽车离合器科技的发展与创兴制约着汽车工业的发展步伐，随着不可再生能源石油储备的不断减少，汽车能耗指标也成了制约汽车工业发展的一道坎，尤其在商务用车上。汽车离合器在可预见的未来很长一段期间内还将是汽车的基本配件机构。随着微电子技术的迅猛发展，人们就一直致力于将微电子技术引入汽车设计，想将汽车的操控完全智能化这样人类可以不费劳动力的驾驶汽车，人们还渴望通过创新汽3车的智能化以此提升驾驶质量和安全性能。目前高档轿车新型离合器操纵系统已经能完全实现这个目标。2.6膜片弹簧的利用膜片弹簧离合器的组成：如图3.1所示膜片弹簧离合器内部结构由离合器盖、压盘、膜片弹簧、分离轴承和传动片组成。图3.1所示膜片弹簧离合器控制性能比螺旋弹簧离合器好很多，而且它具有紧凑的结构、制造成本不高、司机操作舒适。膜片弹簧离合器工作时，膜片弹簧处于初始无受力结合状态的优点，两个压片将膜片弹簧压平，由于受压应力作用膜片把从动盘摩擦片压在飞轮与压盘中间，实现发动机扭矩动力与汽车传动系动力间的平稳对接；操做者踏下离合器时，膜片弹簧被继续压紧至超过压平位置，在这个过程中会产生瞬间的反推力，由于这个力作用在分离杠杆上，使得压盘上升，切断了发动机给动力系的动力传递。在汽车工业历史中膜片弹簧取代了螺旋弹簧。膜片弹簧离合器从此开始走上它的辉煌时期，膜片弹簧离合器中膜片弹簧接合前趋近自由状态，而在同样的情况下螺旋弹簧处于初始压缩状态。通常，设计者们首先要调解离合器膜片弹簧的初始轴向位置，保证膜片弹簧可以受到足够的压紧力，最初由于仪器不精确制造过程中这种位置误差非常大大约1.5mm，因此很大部分的膜片弹簧的弹性势能会白白损失浪费，抗磨损能力不能够充分发挥出来。飞轮与离合器盖的连接改为焊接方式后，在离合器装配允许做适当的调整，调整后相应的离合器抗磨损能力就可能提高4%-3%。改变膜片弹簧弹性特性和改善其结构对有效提高相应的离合器的抗磨损能力有很大帮助。随着汽车工业科学技术的飞速发展，创新的设计手段日益增加。本文运用ANSYS有限元分析软件主要完成膜片弹簧的运动学仿真，以此来确定膜片弹簧所受压应力最大的点，为改善该部分的结构和材料强度来提高膜片弹簧的耐用程度、使用寿命提供思路。43膜片弹簧离合器3.1膜片弹簧离合器的总体构成如图3.1所示，汽车离合器膜片弹簧离合器主要分为：1.离合器盖、24.支撑环、3.膜片弹簧、5.压盘、6.传动片。图3.1膜片弹簧离合器总成零件分解图1-离合器分离盖2、4-支承环3-膜片弹簧5-压盘6传动片7-分离钩8-铆钉9-支承铆钉（l)离合器盖如图3.1所示，我们可以看出离合器盖是轴对称形板壳状结构材料，它通过铆钉连接在发动机上。离合器盖主要是将离合器部件封闭起来，封闭离合器中弹簧的压紧力。（2)压盘5如图3.1压盘是盘状结构，离合器通过发动机与压盘连接在一起。压盘靠圆周处有环状支承台。（3)膜片弹簧如图3.2所示膜片弹簧是离合器中重要的压紧构件，在膜片弹簧内圆面内有若干个均匀分布的长槽，安装时将铆钉插入其中，以此来固定膜片弹簧和摩擦片。膜片弹簧为本毕业设计的主要研究对象。图3.2离合器膜片弹簧结构简图3.2膜片弹簧离合器的工作原理图3.1所示，螺栓把离合器盖l与发动机飞轮连接在一起，膜片弹簧3被预加压紧，使离合器处于接合状态，膜片弹簧底端对压盘5有压紧的力，摩擦力就在压盘与从动盘6摩擦片之间产生。离合器盖总成随飞轮旋转时（构成离合器主动部分），就摩擦片上的摩擦转矩带动从动盘总成和变速器一起转动来传递发动机动力扭矩。要分离离合器时，踏下离合器踏板，借助操纵机构，让分离轴承总成前进推动膜片弹簧分离指，此时膜片弹簧呈反锥形变形，膜片弹簧大端离开压盘，传动片的弹力作用使压盘离开摩擦片，这时从动盘总成在分离位置，切断了发动机扭矩动力的传递。63.3离合器的种类如下图3.3所示为行星式双质量飞轮（DMF）离合器：图3.3行星双质量飞轮如下图图3.4所示为磨损自动补偿离合器：图3.4自动补偿机构的工作原理73.4膜片弹簧离合器存在的问题膜片弹簧工作时时刻受到压应力的作用，随着离合器使用时间的增加，操纵者会感觉愈来愈不舒适。这是由于离合器的摩擦片工作时时刻发生着磨损现象，摩擦使得传统膜片弹簧离合器在工作中需要的工作力越来越大。当分离力达到一定值时，操纵的舒适性就受到了影响。而中、重型汽车中发动机功率大往往需要增加液力助力器，离合器结构因此复杂化，制造工业复杂，成本也随之增加。分析传统膜片弹簧离合器存在的弱点，设计出了一种新型膜片弹簧在汽车工业发展中有十分重要的意义。本文主要进行膜片弹簧的运动学仿真。为提高离合器膜片弹簧性能，从而改善汽车性能的提供思路。3.5膜片弹簧离合器的优点及发展前景膜片弹簧离合器中，离合器的工作性能主要取决于膜片弹簧的结构材料。因此在离合器的设计过程中，膜片弹簧的设计尤为重要。膜片弹簧与传统弹簧离合器对比有以下优点。（1）传递的转矩较大，机构的动能损失小，而且频率稳定（2）结构紧凑简单散热通风较好分离效果彻底（3）减轻驾驶疲劳强度。膜片离合器有质量较轻、操作轻便、离合平衡、承载能力强、性能可靠、结构简易、使用寿命长等优点。膜片离合器一投入使用在国产重型汽车行业，就以迅猛的速度得推广应用。膜式离合器未来还将具有更美好的发展空间和广泛的市场前景。84数学模型的建立4.1膜片弹簧的强度计算建立4.1图示坐标系，则断面上任意一点（x，y）的切向应力为txeyEt212式中，为从自由状态时起碟簧子午断面之间的转角，为自由状态时圆锥面跟碟簧面形成的底脚；e为中性点半径，。rReln当转角一定时，一定的切向应力在工xoy坐标系内可见总呈线性分布，t当时:0t，因很小，零应力在过O点xy222tan2而与x轴成角的直线上。实际上，当x=-e时，无论是多少，均存在t即对一定的转角，等应力线都相交于点K，其坐标为ey2切向应力在子午断面中切的分布万OK为零应力直线。由此,x可见，碟簧部分与分离指连接位置应力最大。当K点的纵坐标时，2heA点的切向拉应力为极大值；当2时，的切向拉应力为e,A极大值。上述分析表明，月点的应力值越高，我们就计算月点的应力来校核碟簧的强度性能。将月点坐标代入公式，可得月点的应力:2,hyrexBt，令可求出达到极21rEBt0/dtBt大值时的转角。式表明，B点最大压应力发生在比碟簧压preh平位置再移动一个角度的位置处。re2/arctn9当离合器彻底分离时，膜片弹簧子午断面的实际转角，计算计算pf，其值为：Bt式中，n为分离指数目；为一个分离指根部宽度。26hbFrftrb考虑到弯曲应力是与切向压应力互相垂直的拉应力，根据最大切应BtBt力强度理论，B点的当量应力为trBj试验表明，裂纹在碟簧所受压应力最大的月点产生，通过查找资料，对于裂纹会不会影响到膜片弹簧的工作性能，裂纹容不容易破损问题的答案是否定的。在点由于拉应力产生细小裂纹，这些细小裂纹随时间逐渐扩大，最后碟,A簧破坏。在实际过程中，当膜片弹簧采用64Si2MnA时，要求。MPajB1705图4.1切向应力在子午断面中的分布4.2建立目标函数设计目标函数时，首先要考虑膜片弹簧离合器能否顺畅承接发动机的最大转矩，设计成本，膜片弹簧的使用寿命和工作性能，还要考虑减轻驾驶员操纵的费力情况。离合器现在存在的最大问题就是它的使用寿命达不到要求，这与10参数选择，所受应力最大点的结构、材料有关。因此本设计是以应力最小为设计的目标函数。如图4.2所示，在碟形弹簧分离指尖处作用外加载荷P2时，碟形弹簧指底的变形和的关系如下12P21121226lnheLrRHeLrRreLREhp图4.2膜片弹簧分离指尖受载时变形示意图式中E为弹性模量，对于钢材E=2.1MPa；h为弹簧厚度（mm）；510为大端变形量（mm）；为碟簧部分外半径（大端半径mm）；r为碟簧部1R分内半径（mm）；泊松比，对于钢材=0.3；L为膜片弹簧与压缩接触半径（mm）；e为支承环平均半径（mm）；为分离轴承作用半径（mm）；为prH碟簧部分内截锥高度（mm）。大端处的载荷通过下式计算：1P12erLp膜片弹簧在受压应力而变形时，如图4.3所示，B点应力大于其他点。设为切向压缩应力，为弯曲应力，它们的最大值在离合器分离过程中互相垂tr直。11图4.3膜片弹簧应力最大点因此，按照最大切应力强度理论，B点的最大量应力式eLrheLrRHrEhrpB1122221ln13中：为分离指底部的宽度系数，；是分离指根部的切槽宽2crn2度(mm)；膜片弹簧分离指的个为n；为分离指尖最宽处的半径（mm）。cr令6.23071,5.208316,3EEeLhRBreLhAzrRyhHxp经整理得；,221ln11ererRHrTR，为x、y、z的5.0l05.1283yBzxyBzxAzP2P函数12于是得目标函数计算公式：zyxfP、2RpBThrz92.307614.3,24.3确定约束条件根据北京吉普BJ202汽车离合器结构性能要求，查阅资料得以下约束条件：（1）膜片弹簧的弹性变形特性是非线性的，的特性曲线随1fPhH值不同而不同，要求正确选择值以获得最佳使用特性。一般汽车膜片弹簧hH的值取1.52.5。hH（2）值的大小关系到碟片材料的利用及碟形弹簧存储弹性能力的大小。rR对于汽车汽车离合器膜片弹簧来说，并步要求存储大量的弹性能，根据结rR构布置与压紧力的需要而定，通常rR1.5，一般取1.25左右，即1.2y1.3。(3)膜片弹簧离合器的工作变形量B根据离合器结构确定，2.8z5.2。4.4建立数学模型根据上面分析，可建立求应力最小的数学模型：RpThyrzxP92.307614.3,min21340.2,901812,.1zyxPzyxtsB4.5求解确定部分尺寸：h=3mm，R=100mm，L=100mm，e=82mm，n=18，mrrcp70,25，得出优化结果x=1.937，y=1.2813，z=2.800，进而可得H=xh=4.5，m1起始圆锥底脚，其所受最大应力值。19.0MPaB.19145膜片弹簧的有限元建模及分析5.1ANSYS软件的简介ANSYS是由美国ANSYS公司开发的，1971年，由美国匹茨堡大学的JohnSwanson博士创建，该公司总部位于就位于当地。该软件在分析结构、磁场、电场、声场、流体、方面是目前世界最专业的。目前世界上CAE行业最大的公司就是美国ANSYS公司。ANSYS以端口对接的形式来完成与CAD数据信息的转换与共享，该毕业设计主要就就是用Pro/Engineer跟ANSYS软件端口对接来进行运动学仿真设计。该课题涉及到的ANSYS是现代产品设计分析顶级CAE工具之一。ANSYS是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）编写的参数分析软件，是一套由产品的分析设计到生产制造的自动化机械软件。ANSYS有限元软件包是用计算机设计程序编写的多用途参数化软件，通过参数我们可以用来解觉电磁场、声场、结构、流体、以及碰撞等问题。1软件主要包括三个部分：1).前处理模块简单的说，前处理模块可以根据参数来建立自己需要的实体模型。2).分析计算模块ANSYS的分析计算模块就是通过对实体模型给予一定的或是不定的变量，ANSYS就通过计算模块向用户反映出模型参数或是结构变化的趋势。3).后处理模块后处理模块主要将分析计算模块分析出的信息以容易理解的形式表现出来，真正实现分析结果的直观化。155.2ANSYS软件具备的分析类型：1.结构静力分析2.结构动力学分析3结构非线性分析4动力学分析5热分析6电磁场7流体动力学分析8声场分析9压电分析6膜片弹簧的三维建模6.1膜片弹簧建模的具体步骤该篇设计采用的是北京吉普装备的汽车离合器膜片弹簧，对于参数方面，本人经过实际测量得出如下膜片弹簧的参数：膜片弹簧的厚度为3mm,膜片弹簧的碟簧部分外圆环直径为200mm，,内圆环直径是160mm，分离指数为18个,分离指的顶端宽为5mm，分离指底端间的长曹两端半圆直径为10mm，长曹中间的长方形宽就是小半圆直径为10mm长为15mm，分离指顶端到圆心的距离为21mm(小内圆直径为42mm)，膜片弹簧的高为18mm，分离指上的凹槽长方形长20mm，宽10mm，两个小半圆直径=宽=10mm,以上为实际测量的膜片弹簧片的主要参数，下面将详细介绍膜片弹簧片的三维建模的步骤。（1）选择RIGHT面为草绘初始基准界面，点击草绘按钮进入草绘界面，然后用命令画出一个直径为200mm的圆，如图6.1所示：16图6.1草绘出直径200mm的圆（2）用工具栏的画出长直径为160mm的同心圆，建立如图6.2所示的两个同心圆：17图6.2直径200mm和160mm的两个同心圆（3）点击工具栏中的命令，完成同心圆环的建立，然后点击拉伸按钮，对同心环进行拉伸如图6.3a所示，拉伸量为3mm,点击得到如图6.3b所示模型：图6.3a对同心环进行拉伸18图6.3b同心圆环拉伸3mm后所得图形（4）再次选择top平面进行草绘，在此平面在圆环上叠圆锥，圆锥的高为18mm，得到如图6.4a，6.4b所示模型：图6.4a圆环上叠圆锥后的图形19图6.4b在圆环上叠圆锥后的图形（4）再以上图的RIGHT为工作平面进行草绘操作，画一个与圆环同圆心的d=42mm的圆，运用命令去除以该圆拉伸后的圆柱的模型材料。得到如图6.5所示模型：20图6.5去除d=42的圆形材料后所得模型（5）接着以RIGHT为工作平面进行草绘操作，在圆台面上做利用四次旋转和四次拉伸一系列命令做出两个直径d=10mm的小半圆，两个小半圆之间与一个长10宽15的长方形。最后以360度为工作度数，再利用整列命令整列出18个这样的图形，再将这部分材料去除，如图6.6a,图6.6b所示：21图6.6a,利用旋转阵列在圆台侧面去除材料后的图形图6.6b,利用旋转阵列在圆台侧面去除材料后的图形22（6）以RIGHT平面为工作平面进行草绘操作，在圆台的两个凹槽外边界为边做出角平分线，以角平分线为中线确定出做分离指时去除材料的位置，以这一条角平分线为中线，用两次旋转两次拉伸命令在圆锥面上做两个小圆中间接一个长方形的槽，再将这个槽与圆台顶圆连起来，两条线距离5mm,接着以这个槽形为对象，去除槽形全部材料，再以360度为工作度数，以18为参数进行阵列命令。最后得到如图6.7所示的模型：图6.7a去除槽形材料并阵列后所得模型（顶面）23图6.7b去除槽形材料并阵列后所得模型（底面）6.2膜片弹簧的实体模型北京吉普汽车离合器膜片弹簧的实体模型如图6.8a和6.8b所示图6.8a（顶面）图6.8b（底面）（1）膜片弹簧实体模型在建立过程中参照具体的实物稍作简化：24圆台面上的小凹槽尺寸不精确。因为离合器膜片弹簧圆台面的小凹槽不1分担离合器工作时的压应力，也不影响后期对膜片弹簧的有限元分析。省略膜片弹簧的小倒角。因为这些小倒角在后期的分析中不会影响数据结果，并且小倒角的存在会使后期模型导入ANSYS中时出现错误的特征面。（2）由于膜片弹簧工作时主要是分离指受到压应力的作用，而膜片弹簧有18个局部的分离指，如果我们选取整个膜片弹簧作为仿真分析对象，会使分析过程复杂化，而且运动仿真不够直观。理论上来说由于离合器膜片弹簧是轴对称图形，所以当它工作受压时，膜片分离指均分所受压力，因而每个分离指工作时所受力的作用和运动状态都是一样的所以只需以一个分离指为研究对象进行实体模型分析就行。所以在指导老师的建议下，在已经完成的三维实体模型中割出一个分离指。如图6.9所示：图6.9三维离合器膜片弹簧实体模型中的一个分离指（3）保存模型利用Pro/e软件将三维模型绘制完成后，选主菜单中的文件项，在弹出的下拉菜单中选保存副本命令，在弹出的对话框中将拓展名由*.prt改为*.igs的IGES格式的文件。在后期的分析时只要将IGES文件导入ANSYS软件就可以完成了膜片弹簧的力学分析的第一步。257膜片弹簧的运动学仿真分析7.1膜片弹簧的前处理(1)将已经建立好的活塞模型IGES文件导入ANSYS软件打开ANSYS软件，依次点击UtilityMenuFileImportIGES,这时会出现如图7.1所示的对话框，点击OK。然后在弹出的ImportIGESfile对话框（图7.2）内点击Browse,然后选择用Pro-e建模保存的*.igs格式的文件，单击OK，图形即被导入ANSYS中，如图7.3所示。图7.1模型导入第一步图7.2模型导入第二步26图7.3成功导入ANSYS中的文件(2)导入模型成功后，我们首先定义单元的类型，如图所示在命令栏中选择Material-props-Material-Models-structural-linear-Elastic-Isotropic填入模型的弹性模量2.6e11泊松比0.3单击OK完成该步骤，再单击Material，选择EXIT退出命令。如下图7.4,7.5所示：27图7.4填入弹性模量泊松比图7.5填入弹性模量泊松比28（3）增加热膨胀系数：如图示在命令栏中继续MaterialModels的命令选择Structural再选择ThermalExpansion-secant-coefficient-Isotropic然后得到如图7-6所示，输入热膨胀系数0.652e4单击OK完成命令编辑。步骤如下图图7-6a，7-6b所示：图7.6a输入泊松比步骤29图7.6b输入泊松比（4）参考温度在MaterialModels的命令里选择MaterialModelNumber1选择下面的ThermalExpansion在ALPX（热膨胀系数）里面填上58，然后点OK再点EXIT关闭命令。如图7-7所示：图7.7参考温度的选择7.2膜片弹簧的网格划分将要划分模型的单元类型设置为八节点六面体单元，精度等级四级，用智能网格划分，步骤如图7-8a,图7-8b图7.8c所示，划分结果如图7.9所示。步骤如下：在命令栏中依次点击Preprocessor-Meshing-MeshToll的到如图示划分表格，然后选择Mesh(加载)，加载后跳出如图示表格，再选择PickAll,ANSYS就开始对实体模型进行智能划分网格。智能划分结束后的得到网格划分图如7.9所示。30图7.8a网格划分步骤31图7.8b网格划分步骤图7.8c网格划分步骤32图7.9网格划分图形7.3膜片弹簧的运动学仿真：（1）首先对碟簧部分进行约束，在给个方向加载力约束碟簧固定不动，如图7.10a，7.10b所示33图7.10a对碟簧部分进行约束34图7.10b对碟簧部分进行约束（2）给分离指从上方加载压应力如图7.11所示：35图7.11在分离指上加载压应力（3）运动学仿真：通过上面给分离指加载的力，会使分离指发生一定形变，最终运动学仿真如下图图7.12a,7.12b所示：36图7.12a分离指未受力时37图7.12b分离指受压应力而压平（4）分析总结：通过上述力学有限元分析，确定应力最大点在图7.12b的分离指尖红色区域位置上，数值为159.2MPa。参照膜片弹簧所选材料为64Si2MnA，要求，而在图7-12a,7-12b所示运动学分析中，膜片弹簧所受MPajB1705压应力最大为159.2MPa，该数值没有超过材料的许用应力，膜片弹簧可承受该强度应力，所以该设计合理可行。运动仿真时，我们可以得到结论：1.膜片弹簧所受压应力最大的位置在分离指指尖上；2.由指尖到指根位置，所受压应力逐渐减小；3.分离指与碟簧相连位置所受压应力最小趋近于零。38结论该毕业设计以车用离合器膜片弹簧作为研究对象，主要是对膜片弹簧的工作特性进行仿真设计。根据离合器膜片弹簧实际参数运用Pro/e建立膜片弹簧的三维模型。同时借助ANSYS软件进行膜片弹簧的运动学有限元分析，将膜片弹簧的三维模型切出一个齿保存为IGES文件格式，再将实体的有限元模型导入ANSYS软件里进行网格划分和完成膜片弹簧受力工作的仿真设计。分析弹簧所受压紧力时压应力在分离指上的分布情况和分离指变形情况。通过分析膜片弹簧的运动学仿真，可以得到如下结论，1.膜片弹簧所受压应力最大的位置在分离指指尖上2.由指尖到指根位置，所受压应力逐渐减小3.分离指与碟簧相连位置所受压应力最小趋近于零。由于水平有限且缺乏实际的的实验校验条件，测量膜片弹簧的参数存在误差，论文结论无法在实际的膜片弹簧变形实验中得到检验是否可行，该优化设计仅存在于理论阶段。同时，有限元分析和建模中存在着约束条件和模型结构的简化，分析结果与实际膜片弹簧的实际数据有偏差。这些问题希望可以在以后实际的工作中相应得到分析解决。通过ANSYS有限元分析对膜片弹簧受压紧力工作进行了膜片弹簧的运动学仿真，使我对膜片弹簧的工作原理有了跟深刻的理解与认识。39参考文献1孙恒.机械设计（第八版）M.西安：高等教育出版社，2012.72濮良贵.机械原理（第七版）M.北京：高等教育出版社，2010.63林宁.Pro/ENGINEER中文野火版5.0快速入门教程M.北京：机械工业出版社，1999.74詹友刚.汽车设计.北京：机械工业出版社,2012.75王国权.汽车现代设计制造.北京：人民交通出版社，2011.16龚微寒，龚国庆.汽车设计课程指导书.北京：机械工业出版社，19897张洪欣.膜片弹簧与螺形弹簧离合器设