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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，选择安全系数为 1.3，那么膜片弹簧的最大 应力为 199.16MPa。远远小于膜片弹簧钢的屈服极限 1176MPa。因此。 膜片弹簧安全。按照以上方法再分析出膜片弹簧其它工作点也做相同分析，可以 得出相应的应力和位移变形，如图2-4 所示。结果可以知道膜片弹簧大部分的应力都在 300MPa 以下，而一般 大应力区都是应力集中点，所以设计是非常合理的。

膜片弹簧的应力最大为 159.3MPa，变形最大是 0.0226mm，所以 变形量很小，即膜片弹簧自身的变形量可以忽略不计。图2-4 膜片弹簧各工作的的预应力和位移3.2 膜片弹簧的自由模态分析(模态分析主要用于确定结构和机器零部件的振动特性 固有频率)( 和振型 ，模态分析也是其他动力学分析 如谐响应分析、瞬态动力学) 分析以及谱分析等 的基础。利用模态分析可以确定一个结构。模态分析(Modal Analysis)亦即自由振动分析，是研究结构动力特 性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态 是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼 比和模态振型。模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算 或试验分析过程称为模态分析。模态分析的最终目标是识别出系统的 模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构 动力特性的优化设计提供依据。因此模态分析应用范围可归结为：1）评价现有结构系统的动态特性；2）在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3）诊断及预报结构系统的故障；4）控制结构的辐射噪声；5）识别结构系统的载荷。由于模态分析的前面的基本设置，导入几何体，添加材料库，划 分网格等操作与静力学分析的操作大致相同，这里不再仔细介绍。

这 里膜片的弹簧的材料为 60Si2MnA，它的弹性模量为 2.06e11，泊松比 为 0.3，密度为 7850kg/m3，单元类型使用系统默认的 Solid187 单元类 型。网格划分的精度我设置的单元大小为5mm，然后划分网格，图2-5 为膜片弹簧划分好的的网格图。图2-5 膜片弹簧的网格划分进行模态分析，划分完网格就可以进行模态分析，点击 Solution， 然后点击 Solve 按钮，系统则开始进行模态分析，模态的阶数为 12 阶。 前 6 阶为模型的刚体模态，本文略去介绍，只考虑第 7～12 阶的弹性 体模态。系统的结构振动前六阶弹性体模态振型如图2-6 所示。第 7 阶振型第 8 阶振型图2-6 膜片弹簧振型接着通过对膜片弹簧进行有限元模态分析，就得到了系统的前六 阶弹性体模态频率与振型，为分析结构的动力响应和其他动力学问题 提供理论依据，再通过表中的数据，就可以得出以下结论：由于膜片弹 簧的振动激励主要来自发动机，而发动机的最高扭矩转速和最大功率 转速分别为 3500rpm 和 5600rpm，对应的频率为 58.33Hz、93.33Hz，因 此，均不会与膜片弹簧产生共振。

4 结论本次主要对膜片弹簧离合器的膜片弹簧进行了力学分析和模 态分析，而分析结果表明膜片弹簧在有限元力学分析里达到一般要求， 而膜片弹簧的有限元模态分析则表明了膜片弹簧不会与主要激励发 生共振。即得出以下两点：（1）在对膜片弹簧进行了力学分析和模态分析可以知道，膜片弹 簧的变形位移量很小，可忽略不计，位移变形和载荷都很合理，符合要 求。（2）来自发动机的主要振动激励不会影响膜片弹簧，而产生可怕 的共振。参考文献：[1] 徐石安，江发潮．汽车离合器[M]．北京：清华大学出版社，2005．[2] 杨橙．汽车离合器膜片弹簧的有限元分析[J]．电技术，2009 （1）．[3] 朱冒涛，夏长高，高翔．膜片弹簧疲劳断裂的实验分析[J]．汽车工程，2010，23．[4] 叶玉春．热处理硬度对汽车离合器膜片弹簧性能的影响[J]． 械工程师，2009 （8）．[5] 张金乐，马彪，张英．锋湿式换挡离合器温度场和应力场影响 因素分析[J]．北京理工大学报，2010,30 （6）．[6] 杨是明，陶文全．热穿学．北京：高等教育出版社，2009．[7] 陈璐，张立军，孟德建．汽车制动盘热翘曲与影响因素仿真分 析[J]．汽车工程，2010,32 （7）．[8] 陈家瑞．汽车构造（下册）[M]．北京：机械工业出版社，2009．[9] 陈云飞．机械设计基础．北京．高等教育出版社，2008,5．[10] 张朝晖.ANSYS 工程应用范例入 门与提高．北京．清华大学 出版，.2010,10．[11] 王丰元，马明星．汽车设计课程设计指导书．北京．中国电 力出版社，2009．[12] 王国权．汽车设计课程设计指导书．北京．机械工业出版社， 2009,11．[13] 吴天 双离合器的设计与开发．上海交通大学，2009．[14] 刘涛．汽车膜片弹簧离合器设计