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        自調(diào)式離合器力感應(yīng)碟形彈簧力學(xué)特性分析

        2015-12-24 01:52:38侯秋豐陳浩王善南張瓊?cè)~
        關(guān)鍵詞:碟形膜片離合器

        侯秋豐,陳浩,2,王善南,張瓊?cè)~

        (1.寧波宏協(xié)離合器有限公司,浙江寧波315807;2.西南交通大學(xué),四川成都610031)

        自調(diào)式離合器力感應(yīng)碟形彈簧力學(xué)特性分析

        侯秋豐1,陳浩1,2,王善南1,張瓊?cè)~1

        (1.寧波宏協(xié)離合器有限公司,浙江寧波315807;2.西南交通大學(xué),四川成都610031)

        自調(diào)式離合器依靠安裝在自調(diào)機(jī)構(gòu)中的力感應(yīng)碟形彈簧,使膜片彈簧離合器的摩擦片產(chǎn)生磨損后能夠自動(dòng)補(bǔ)償并保持分離力不變。在自調(diào)式離合器開(kāi)發(fā)過(guò)程中,利用有限元方法對(duì)自調(diào)式離合器力感應(yīng)碟形彈簧受力情況進(jìn)行模擬,得到載荷—位移曲線,并將結(jié)果與A-L理論公式計(jì)算的結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。結(jié)果表明:相比于理論計(jì)算結(jié)果,有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小,能比較準(zhǔn)確地反映出碟形彈簧的力學(xué)特性。

        自調(diào)式離合器;力感應(yīng)碟形彈簧;力學(xué)特性;有限元分析

        自調(diào)式離合器是一種安裝了自調(diào)機(jī)構(gòu)的新型離合器,相比于傳統(tǒng)離合器,該種離合器在摩擦片產(chǎn)生磨損后,分離力大小保持不變,具有延長(zhǎng)使用壽命的優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)槽碟形彈簧因具有在變形到達(dá)壓平點(diǎn)附近時(shí)載荷可保持基本不變的特點(diǎn),被廣泛用于力感應(yīng)彈簧。在自調(diào)式離合器中,力感應(yīng)碟形彈簧作為膜片彈簧的支點(diǎn),始終以恒定的支承力支承膜片彈簧,因而是自調(diào)式離合器實(shí)現(xiàn)恒定分離力的關(guān)鍵部件,對(duì)力感應(yīng)碟形彈簧力學(xué)特性的分析也是自調(diào)式離合器開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-6]。

        在自調(diào)式離合器研發(fā)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),利用傳統(tǒng)的A-L理論公式[1-2]計(jì)算出的力感應(yīng)碟形彈簧的載荷—位移曲線與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果差距明顯,難以準(zhǔn)確的反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。因此,本文中根據(jù)力感應(yīng)彈簧的實(shí)際受力情況,建立有限元模型,對(duì)其進(jìn)行力學(xué)特性分析。并將計(jì)算結(jié)果與A-L公式計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證有限元分析的精確性。

        1 載荷—變形理論計(jì)算

        1.1 A-L理論公式計(jì)算

        20世紀(jì)30年代以來(lái),經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的研究,碟形彈簧的計(jì)算方法大致可分為解析計(jì)算法和數(shù)值計(jì)算法。本文中使用最具代表性且應(yīng)用最廣的近似計(jì)算法——A-L法。其公式為[1]

        力感應(yīng)碟形彈簧是具有零剛度特性的開(kāi)槽碟形彈簧,當(dāng)在壓平點(diǎn)附近變形時(shí),其載荷可保持基本不變,它裝在膜片彈簧離合器內(nèi)時(shí)處于預(yù)壓狀態(tài)。力感應(yīng)碟形彈簧位于膜片彈簧的底面,始終以恒定的支承力支承著膜片彈簧,在離合器分離過(guò)程中,需要保持對(duì)膜片彈簧支承力在一定范圍內(nèi)保持恒定。碟形彈簧結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        圖1 碟形彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 高厚比對(duì)載荷—變形曲線的影響

        在載荷—變形特性曲線中,各點(diǎn)的斜率dF/dλ即表示碟形彈簧在不同變形量λ時(shí)的彈簧剛度K,對(duì)式(1)求導(dǎo)可得力感應(yīng)碟形彈簧剛度公式:

        式中:K1為計(jì)算系數(shù)。為了求得當(dāng)彈簧剛度K為0時(shí)的變形量λ,可將式(2)方括號(hào)內(nèi)函數(shù)取0,得:

        圖2 碟形彈簧載荷—變形特性曲線

        2 有限元建模與分析

        2.1 有限元建模

        針對(duì)寧波宏協(xié)離合器有限公司自調(diào)式離合器力感應(yīng)碟形彈簧進(jìn)行研究,該力感應(yīng)碟形彈簧材料為楊氏模量2.07×106MPa、泊松比0.29的彈簧鋼。

        力感應(yīng)碟形彈簧整體結(jié)構(gòu)如圖3a所示。鑒于力感應(yīng)碟形彈簧為典型的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),為減少運(yùn)算時(shí)間,節(jié)約計(jì)算資源,可僅分析1/12的力感應(yīng)碟形彈簧。圖3b為力感應(yīng)碟形彈簧1/12模型。

        對(duì)1/12模型使用六面體二階單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,共得到4551個(gè)單元,24324個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖3c所示。

        圖3 力感應(yīng)碟形彈簧幾何模型及有限元模型

        2.2 約束與加載

        為保證模擬精度,使用接觸算法模擬力感應(yīng)碟形彈簧在工作時(shí)的負(fù)載情況。由于模型為軸對(duì)稱(chēng)模型,在模型對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束。建立一剛性平面在加載與卸載過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)向性節(jié)點(diǎn)施加位移,用來(lái)模擬摩擦片磨損后膜片彈簧對(duì)力感應(yīng)碟形彈簧施加負(fù)載,并于模型外緣施加軸向與切向約束,如圖4所示。

        圖4 力感應(yīng)碟形彈簧加載與約束有限元建模

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 實(shí)驗(yàn)方法

        本實(shí)驗(yàn)使用TLS-W2000型微機(jī)控制彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)將力感應(yīng)碟形彈簧大端放置于環(huán)形夾具上固定,試驗(yàn)機(jī)下端平面對(duì)力感應(yīng)碟形彈簧小端施加負(fù)載,并記錄所受反力與變形信息。實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。

        圖5 力感應(yīng)碟形彈簧實(shí)驗(yàn)原理示意圖

        3.2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

        將理論計(jì)算結(jié)果、有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較(圖6)。將有限元計(jì)算得到的曲線和試驗(yàn)曲線相較,可以看出:用有限元軟件得到的特性曲線更接近于試驗(yàn)值,只是在曲線的整段在6~10 mm變形區(qū)間內(nèi)的載荷比試驗(yàn)值稍大一點(diǎn),曲線的峰值會(huì)比試驗(yàn)值略大一點(diǎn),但曲線的谷值與試驗(yàn)值差異并不是很大,尾部的曲線的走向與試驗(yàn)值一致。

        引起上述誤差的原因主要有:

        1)該型離合器材料涉及到熱處理,材料特性參數(shù)可能有誤差。

        圖6 力感應(yīng)碟形彈簧載荷—位移特性分析結(jié)果

        2)由于建模時(shí)會(huì)忽略一些相對(duì)較小的圓弧,致使有限元模型力學(xué)特性與實(shí)際有差異。

        3)建模過(guò)程中無(wú)法描述生產(chǎn)工藝條件對(duì)力感應(yīng)碟形彈簧的影響。因此,對(duì)于圓錐度誤差和底面平面度誤差問(wèn)題,計(jì)算模型難于處理。

        4)邊界與載荷的施加與實(shí)際有差異,由于力感應(yīng)碟形彈簧的內(nèi)外支撐半徑是一個(gè)準(zhǔn)確值,而劃分單元時(shí)將節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確定位有一定困難,所以約束和加載位置將存在一定的誤差;而且實(shí)際力感應(yīng)碟形彈簧加載過(guò)程中的內(nèi)外支撐半徑存在少量的變化,由此也將導(dǎo)致有限元法計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。

        5)在力感應(yīng)碟形彈簧仿真過(guò)程中沒(méi)有考慮摩擦力,力感應(yīng)碟形彈簧的有限元分析中,摩擦力產(chǎn)生的變形并未考慮在內(nèi),而且在力感應(yīng)碟形彈簧位移約束中,也沒(méi)有對(duì)摩擦面進(jìn)行約束,限制位移。所以力感應(yīng)碟形彈簧的摩擦力和摩擦面應(yīng)該是影響力感應(yīng)碟形彈簧特性曲線的重要因素。

        將有限元計(jì)算得到的曲線與理論計(jì)算曲線相比較,發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算曲線始終高于有限元計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線,但趨勢(shì)基本相同,總體而言,有限元分析的結(jié)果更接近試驗(yàn)值。

        4 結(jié)論

        通過(guò)力感應(yīng)碟形彈簧的仿真分析,理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較與分析,有限元仿真可以應(yīng)用于力感應(yīng)碟形彈簧的應(yīng)力分布計(jì)算,模擬整個(gè)變形的應(yīng)力變化過(guò)程,從而對(duì)力感應(yīng)碟形彈簧的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。按照上述方法建立的有限元模型較好地反應(yīng)出該產(chǎn)品力感應(yīng)碟形彈簧的載荷—變形特性。

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        Mechanical Properties Analysis of Force-sensing Diaphragm Spring for Self-adjusting Clutch

        Hou Qiufeng1,Chen Hao1,2,Wang Shannan1,Zhang Qiongye1
        (1.Ningbo Hongxie Clutch Co.Ltd.,Ningbo 315807,China;2.Southwest Jiaotong University,Chendu 610031,China)

        The force-sensing diaphragm spring is installed in the self-adjusting clutch(SAC)to realize automatic compensation and keep separating force constant while the friction plate of the diaphragm spring clutch is worn.In the process of development of SAC,the force condition of diaphragm spring was analyzed by the finite element method(FEM),and the load-displacement curve was got.Comparing the simulation curve with Almen-Laszlo(A-L)theory result and test data,the result shows that the FEM results are close to the test data,which can reflect the mechanical properties of force-sensing diaphragm springmoreexactly.

        SAC;force-sensing diaphragm spring;mechanical property;FEM

        U463.211

        A

        1008-5483(2015)01-0006-03

        10.3969/j.issn.1008-5483.2015.01.002

        2015-01-25

        侯秋豐(1987-),男,河北唐山人,碩士,主要從事汽車(chē)動(dòng)力總成NVH研究。E-mail:11406282@qq.com

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