农用车离合器盖有限元分析
2011-09-21刘从权陈照中
刘从权，陈照中
（霍邱县农机校，安徽 霍邱 237400）
离合器盖工作性能的优劣直接影响着整个离合器的工作情况和整车传动系统的使用寿命。根据材料的强度理论可知，当任何零件的应力值达到材料的强度极限或屈服极限时材料就会发生断裂破坏或塑性变形，离合器盖作为一个机械结构件，首先应该保证它的结构强度，即离合器盖在正常工作时，盖各部分的应力值不能超过材料的许用应力极限，因此在离合器的设计过程中对离合器盖进行强度分析、模态分析计算是非常必要的。本文采用有限单元法综合分析离合器盖的所有结构参数，全面掌握它们的受力大小、应力水平以及变形状况，盖的耐久性以及固有模态频率，以便为离合器的设计提供依据。
1 离合器盖静力学
（1）离合器盖有限元模型。离合器盖采用的材料为08#钢，在结构上属于薄壳结构，中间凸筋面处的结构相对比较简单，但是四周的螺栓紧固孔处的结构很复杂，因此建立离合器盖有限元建模时要注意其在结构和工作上的特点，把握网格划分的精度，力图保证模型与离合器盖真实的工作状态吻合。计算所用的离合器盖为冲压件，由厚度3.0mm的08#钢冲压而成，利用UG软件建立的离合器盖有限元模型，模型采用10节点四面体单元，共划分了29786个单元，60797个节点。在离合器分离时，离合器盖主要承受分离轴承传来的分离力的作用。在离合器盖的凸筋上加载3300N的压力，力的方向沿XC方向。其次正确的约束是有限元计算的关键，离合器盖与飞轮装配的端面螺钉孔处不能产生轴向移动，故限制这些点的轴向平移自由度，同时在实际的工作过程中，由于有螺栓孔的压紧力在表面产生的摩擦力的作用，也使得离合器盖在六个紧固孔处的周向和径向的移动受到了约束，因此，在对盖进行有限元约束处理的时候也限制了这些点的周向和径向平移自由度，如图1所示：
图1 离合器盖有限元模型及加载状况
（2）离合器盖静态位移及应力计算结果云图输出。约束及加载处理后，提交Nastran软件求解器进行计算处理，读结果文件到程序内存数据库。在离合器接合状态时，盖的轴向变形会使膜片弹簧的实际变形量减小，从而使膜片弹簧的工作点位置偏离设计值，造成产品质量不能满足设计要求，甚至不合格；此外，盖的变形使膜片弹簧分离指尖部向分离轴承方向移动，使分离轴承与分离指尖部的间隙减小甚至消失，严重时造成离合器不能平稳传递动力，并加速分离轴承的磨损。在离合器分离状态时，盖的变形量会使分离轴承的无效行程增加，由于离合器的分离行程是设计时给定的，盖的变形使得有效分离行程减小，造成离合器的压盘行程过小甚至会产生分离不彻底的现象，因此，要尽量减少其轴向变形。综上，本次研究中我们最关心的就是凸筋的轴向位移。通过Nastran后处理功能，得到离合器盖静态轴向位移分布，如图2所示；离合器盖静态应力分布如图3所示。
图2 离合器盖分离工况静态轴向位移云图
图3 离合器盖静态应力云图
由图2离合器盖分离工况静态轴向位移云图可以看出，离合器盖的轴向位移主要在其顶面，在侧面及螺钉孔附近几乎没有位移分布条纹，说明此处基本不产生轴向变形。轴向变形量在内圈最大，沿径向由内向外逐渐减小，沿周向变化不大，这也与离合器盖受力后的实际情况相符。离合器盖在分离载荷作用下，该处最大轴向位移量为0.468mm。
由图3可以看出，离合器盖工作过程中在凸筋处受到3300N的压力作用下，在离合器盖开口处部产生应力集中，且静应力达到最大值；离合器盖最大应力发生在这部分的第60757号节点上，大小为201.4MPa，而材料的许用应力为253MPa，节点应力值小于材料的许用应力，因此此离合器盖在设计上是安全的。
2 离合器盖模态分析
根据离合器盖材料特性参数，运用Nastran进行求解，得到离合器盖模态分析的结果。整个模态分析提取了离合器盖的前7～12阶弹性体模态（1～6为刚体模态），模态频率分别为324、325、681、766、1007、1008。 图 4～图 6 列举离合器盖第七阶、第十阶、第十二阶对应的弹性模态变形图。
图4 第七阶模态变形图
图5 第十阶模态变形图
图6 第十二阶模态变形图
分析结果显示，各阶模态下均表现为离合器盖不同状态下的弯曲变形。由于该离合器适用的汽车发动机的最高转速为6500r/min，因此其危险频率应该在110Hz左右，该频率低于离合器盖的固有频率范围，因此离合器盖的设计是合理的。
3 离合器盖耐久性分析
离合器盖的耐久性分析是建立在静力学分析基础上的拓展性分析，主要用应力图的形式展现所分析零件的危险疲劳点，为后续设计提供理论参考。
3.1 解题参数设置
应力安全因子：极限强度；应力类型：VonMises；疲劳安全因子：无限寿命
疲劳强度因子：(kf)：1.000000；疲劳寿命准则：应力寿命；解算方案步骤：Subcase-Static Loads 1；缩放因子：1.000000；循环次数：1000000；缩放函数：半个单位周期。
3.2 结果显示
经Nastran软件分析后，离合器盖的疲劳应力云图如图7所示。
图7 离合器盖疲劳应力云图
由图可知，离合器盖的最危险的疲劳点出现在盖边缘的21112号节点处，为提高离合器盖的使用寿命，在后续设计时应考虑这一因素。
4 结语
论文建立了一款离合器盖的三维有限元模型，并基于有限元模型对离合器盖进行了静力学分析和模态分析，在对离合器盖分析时，我们关心的是它的受力凸筋面处在其轴向所产生的位移。研究结果表明离合器盖的强度、刚度均符合设计的要求。经安装约束条件下的模态分析，得到了离合器盖前6阶弹性模态变形图及其固有频率，为避开发动机共振点提供了理论设计依据。
