离合器膜片弹簧有限元分析

离合器膜片弹簧有限元分析

1 膜片弹簧介绍

1.1 膜片弹簧结构及工作原理

1.1.1 主动部分

其主动部分包括飞轮、压盘和离合器盖等零部件组成，并与发动机曲轴相连。离合器盖与飞轮用螺栓连接，压盘和离合器盖则通过传力片传递力。

1.1.2 从动部分

从动部分则是将主动部分传来的力传递给变速器的输入轴。从动盘主要由摩擦片、从动盘毂和从动盘本体构成。为了使汽车能够起步平稳，离合器也接合柔和，从动盘则需要在轴向方向具有一定的轴向弹性。而从动盘部分要能承受较高的压盘作用载荷，在离合器结合过程中表现出良好的性能。要能够抵抗高转速下大的离心力载荷而不会被破坏，且在传递发动机转矩时，要具有足够的剪切强度和具有小的转动惯量，材料的加工性能要良好。从动盘本体要加工沿径向的切槽，这样在从动盘被压缩的时候，压紧力能够非常柔和，从而达到离合器接合柔和的效果。

1.1.3 压紧机构

压紧机构则主要是膜片弹簧通过支撑环和支承柳钉一起作用，将主动部分和从动部分相接合和分离。它的作用非常重要，是膜片弹簧离合器里不可或缺的元件。

1.1.4 膜片弹簧离合器

这种弹簧圆形、扁平、形状又及其简单并具有分离指。与其它形式的离合器相比较它有很多的优点，它的形式简单，结构对称，装配空间又小。又可以以较低的分离力来满足必要的负荷要求。这种膜片弹簧回转中心与离合器中心重合，因此它在旋转时它的其压紧力绝对不会受到离心力的影响。膜片弹簧具有较理想的线性特性，弹簧压力在摩擦片范围内大致保持不变。当摩擦片变薄的时候，弹簧的弹性相应的下将，但是弹簧的压力却几乎不变，它可以自动调节压紧力的特点与压力而与转速无关，它有高速的时候压紧力稳定的特点。因此，他的应用非常广泛，而对于膜片弹簧的研究则也是非常重要的。

1.2 膜片弹簧力学物理模型

膜片弹簧离合器工作过程中，膜片弹簧的受力情况为下列三种工作状态，如图1-2所示。

(1)自由状态即当离合器盖总成尚未和发动机飞轮装配前，膜片弹簧处于自由状态。

(2)接合状态当离合器盖总成与飞轮装配时，离合器盖通过后支承环对膜片弹簧中部施加压紧力，而膜片弹簧大端与压盘接触处有支承反力与之平衡。接合状态时，膜片弹簧被压紧到趋近于压平状态的预加压缩状态，从而将从动盘摩擦片压紧在飞轮与压盘之间，离合器

处于接合位置，此时只有碟簧部分受载，而分离指部分不受载。

(3)分离状态将分离轴承向前推向飞轮时，作用在膜片弹簧小端加载半径处的分离力使膜片弹簧以中部处前支承环为支点，继续受到压缩。此时，膜片弹簧大端对压盘的压紧力逐渐减小使从动盘分离，离合器处于分离状态。膜片弹簧受压缩超过压平位置后，呈反锥形的翻转状态。

图1-2膜片弹簧受力模型

2 膜片弹簧

膜片弹簧由弹簧钢板冲压而成，它在结构形状上分为两部分，第一部分为在膜片弹簧的大端处，是一完整的截锥体，它的形状则像一个无底的碟子，是膜片弹簧实际起弹性作用的部分，它和一般机械上所用的碟形弹簧完全类似，所以把它称为膜片弹簧的碟簧部分；膜片弹簧的另一部分就是它的径向开槽部分，它像一圈伸出的手指，其作用是作为分离杆。离合器的分离正是利用这些径向开槽部分作为“杠杆”，使其碟簧部分脱开与压盘的接触，因此，又称其为分离指。

2.1膜片弹簧的弹性特性

膜片弹簧实际起弹性作用的部分为碟簧部分。碟簧部分的弹性变形特性和螺旋弹簧的不一样。它是一种非线性的弹簧。其特性和碟簧的原始内截锥高度H及弹簧厚度h之比H/h 有关。一般分成下列四种情况。

（1）载荷P的增加,变形 总是不断的增加。这种弹簧刚度很大,可以承受很大的载荷,适合与作为缓冲装置中的行程限制器。

（2）弹性特性曲线在中间有一段很平直,随变形的增加,载荷P则几乎不变.这种弹簧叫做零刚度弹簧.

（3）弹簧的特性曲线中有一段负刚度区域,当变形增加时,载荷P反而减少。具有这种

特性的膜片弹簧适合用于作为离合器的压紧弹簧,因为它可利用其负刚度区,达到分离离合器时载荷下降,操纵省力的目的,当然负刚度过大也不适宜,以免弹簧工作位置略微变动造成弹簧压紧力过大.

（4）这种弹簧的的特性曲线中具有更大的负刚度不稳定工作区域,而且有载荷为负值的区域.这种弹簧一般用于汽车液力传动中的锁止机构。

2.2膜片弹簧作用力方式

膜片弹簧是收到分离轴承的作用力经过支撑环和支承柳钉的相互作用来传递力的，膜片弹簧主要收到这种方式的挤压和翘变力的影响。因此，在进行膜片弹簧有限元分析的时候，我们要进行力学分析，分析膜片弹簧在各种力的作用下，它的有限元应力图和相应的位移变形图。此外，为了了解膜片弹簧与发动机是否会发生共振，还要做模态分析。根据结果，表明膜片弹簧是否合格。

3 膜片弹簧有限元分析

3.1膜片弹簧力学分析

首先启动workbench并建立分析项目，并导入膜片弹簧几何体，准备进行膜片弹簧的力学分析。膜片弹簧料为60Si2MnA，弹性模量为2.06e11，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3，而支撑环使用的是系统默认的结构钢。压盘的材料选择的是灰铸铁，它的弹性模量为1.5e11，泊松比为0.27，密度为7800kg/m3，分离轴承与膜片弹簧接触的部分材料选择的是GCr15，它的弹性模量为2.07e11，泊松比为0.3，密度为7810kg/m3。

利用ANSYS下的Workbench对膜片弹簧进行网格划分，选用10节点四面体来划分网格。划分后共得到1573个单元，有限元模型图如图2-1所示。

图2-1 膜片弹簧有限元模型

根据膜片弹簧的变形，在膜片弹簧的上表面与支撑环相接触的圆周位置上，施加零位移约束；在膜片弹簧的下面接触圆周上则施加2mm的位移约束来表明膜片弹簧的变形情况。

膜片弹簧在工作点位置B处，收到的载荷为6112N，而由此作出的有限元应力分析图如图2-2所示。而膜片弹簧变形图如图2-3所示。

图2-2 膜片弹簧应力分析图

图2-3 膜片弹簧变形位移图

经过软件分析表明，膜片弹簧的最大应力为153.2MPa。根据第一强度理论可以知道，