机械设计与制造 ３８ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第６期 ２０１０年６月 文章编号：１００１－３９９７（２０１０）０６—００３８—０２ 基于Ｓｏｌｉｄ ｗｏｒｋｓ摩擦片式离合器有限元分析术 王会刚 国善龙 赵微丽 马恒宇 （ 唐山学院机电工程系，唐山０６３０００）（ 沧洲中铁装备制造材料有限公司，沧洲０６１１１３） （ 辽宁省机械研究院有限公司，沈阳１ １００３２） ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｌａｔｅ ｃｌｕｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｌｉｄ ｗｏｒｋｓ ＷＡＮＧ Ｈｕｉ—ｇａｎｇ ，ＧＵＯ Ｓｈａｈ—ｌｏｎｇ２，ＺＨＡＯ Ｗｅｉ—ｌｉ ，ＭＡ Ｈｅｎｇ－ｙｕ （。Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｎｇ Ｓｈａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０００，Ｃｈｉｎａ） （ Ｃａｎｇ Ｚｈｏｕ ＺｈｏｎｇＴｉｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｌｔｄ．，Ｃａｎｇｚｈｏｕ ０６ １ １ １ ３，Ｃｈｉｎａ） （ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ ｌ １００３２，Ｃｈｉｎａ） 【摘 要】汽车离合器具有传递扭拒、减振和防止传动系统过载的作用。基于有限元理论，运用ＡＮ— ＳＹＳ软件对摩擦片式离合器进行了三维造型及数值分析，得到了使用不同材料的摩擦片时离合器中关键 件的应力、应变分布规律，分析结果可为汽车离合器设计提供理论依据。 关键词：汽车离合器；摩擦片；膜片弹簧；有限元；应力 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｃｌｕｔｃｈ ｏｆ ｃａｔ＂ｉｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｏｖｅｒｌｏａｄ ｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｃｌｕｔｃｈ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃ 一 ｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉｌａｓｆｒｉｃｔｉｏｎｐｌｔａｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｏｔ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｉ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆｃａｒ ｃｌｕｔｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃａｒ ｃｌｕｔｃｈ：Ｆｒｉｃｔｉ０ｎ ｐｌａｔｅ；Ｆｉｌｍ ｓｌｉｃｅ ｓｐｒｉｎｇ ｃｏｉｌ；ＦＥＭ；Ｓｔｒｅｓｓ 中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ １弓Ｉ言 配合关系的相邻零件，其中可以添加间隙与过盈关系。 离合器是设置在发动机与变速器之间的动力传递机构，其功 用是能够在必要时中断动力的传递，保证汽车平稳地起步，保证 传动系换档时工作平稳，防止传动系过载而产生破坏等。在现代 汽车设计中，膜片弹簧式离合器应用越来越广泛。 基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ，建立了离合器三维模型，对其关键件进行 了应力等分析，分析结果可为离合器设计提供理论参考。 ２实体模型建立 建立三维模型所需原始数据，如表１所示。首先对离合器的 图１摩擦片式离合器实体模型 主体结构即壳体内部结构进行造型，主要包括摩擦片、从动盘、膜 片弹簧、压盘、分离轴承等，然后进行其他零件的三维造型，最后 ３摩擦片与飞轮接触分析 进行整体装配，最终三维模型，如图１所示。 ３．１石棉基摩擦片 表１离合器原始及已知数据 ３．１．１有限元模型 单元类型：六面体单元在划分时要求结构比较规则。而用四 ７５ＫＷ 面体单元分析三维结构，单元划分是很灵活的，可以逼近较复杂 发动机最大转速 ４５００ｒ／ｍｉｎ 发动机最大扭矩 ≥ｌ７ＯＮ／ｍ 的几何形状。因此，计算时。采用四面体单元Ｓｏｌｉｄ９２。单元数为 离合器形式 干式、单片、膜片弹簧 １４９５个，节点数２９５８个，如图２所示。 摩擦片最大外径 ｆ＿２２５ｍｍ 踏板行程 （８Ｏ～１５０）ｍｉｌｌ 材料模型：石棉基摩擦片，主要制造材料为石棉，各项参数为： 建模过程需要注意的关键点有： 弹Ｉ生模量Ｅ＝１６ＯＧＰａ，泊松比ｎ－－Ｏ．－Ｓ，材料抗拉强度ｔｒ￣２０６８．５ ＭＰａ。 （１）分析的是拉式膜片弹簧离合器，整体形状似一个圆盘体， 载荷及约束：约束加在飞轮底部，载荷通过公式即。（ ） 并且多为旋转件，呈圆心对称分布。故可以先绘制前视图，再利用 （１一Ｃ ３）／１８计算得出单个突台所承受压力，加载于突台上表面 旋转、阵列、拉伸切除、倒圆角、钻螺钉孔等特征，从而逐个完成三 １．８８ｘ１０ ＭＰａ，如图３所示。 维造型。 接触对：为了简化刚性接触工作面的网格划分面积，在不影 （２）以飞轮或离合器壳作为固定零件，之后逐一加入与之有 响柔性件位移范围的条件下绘制成一个简单的圆盘作为刚性面， ★来稿日期：２００９—０８—２０－Ａ－基金项目：唐山市机电一体化重点实验室基金资助（０４３６０８０１Ｂ一２） 第６期 王会刚等：基于Ｓｏｌｉｄ ｗｏｒｋｓ摩擦片式离合器有限元分析即与扇形面积接触的面，柔性面为摩擦片即扇形区域，突台底面 表面。 与圆盘接触的面，摩擦系数 ０．２，建立接触对。 图２有限元模型 图３载荷与约束 ３．１－２分析结果 石棉基摩擦片应力云图，如图４所示。石棉基摩擦片应力曲 线图，如图５所示。取摩擦片应力集中最大的两节点分别为节点 ６与节点９２０绘制中间应力过渡曲线。 （１）由曲线可知，摩擦片内外径上所受最大应力分别为２１２ ＭＰａ和２０５ＭＰａ，中间最低应力１７６ＭＰａ。 （２）摩擦片最大位移为２ｒａｍ。 图４石棉基摩擦片应力云图 ｆＸ１０ ５１ ２１２２．４６５ ２０８６．１８５ ２Ｏ４９．９０５ ２０ｌ２ ６２５ １９７７．３４５ 』 １９４１．０６５ ｆ １９０４．７８５ Ｊ １８６８．５０５ 【 Ｊ １ ８３２．２２５ ｜ ， １７９５ ９４５ 、 ， １７５９．６６５ ／ ０ ５ Ｏ６ ｌ０ ｌ２ ｌ５．１８ ２Ｕ．２４ ２５．３０４ ２ ５３ ７．５９ １２．６５ １７．７１ ２２．７７ Ｄ１ＳＴ 图５石棉基摩擦片应力曲线图 ３－２氧化铝摩擦片 ３．２．１有限元模型 单元及网格：采用的单元类型为ｂｒｉｃｋ４５，自由划分网格，模 型单元数为１９６７个，节点１６３８个。 材料模型：该摩擦片材料为９５％氧化铝陶瓷，材料参数为：弹 性模量Ｅ＝３１０ＧＰａ，泊松比 ０．２２，材料抗断裂强度 ＝３６００ＭＰａ。 确定接触面与约束： （１）为了简化刚性接触工作面的网格划分面积，在不影响柔 性件位移范围的条件下绘制一个简单的圆盘作为刚性面，即与扇 形面积接触的面，柔性面为摩擦片即扇形区域，建立接触对。 （２）约束加在飞轮底部，静压力通过公式．．１＇．ｒｒｐ。（ 一ｒ２）计算 ‘Ｌ 得出单个突台所受压力为９．２６ｘｌ０ ＭＰａ，加载于摩擦片突台上 ３．２．２分析结果 氧化铝陶瓷摩擦片应力云图，如图６所示。氧化铝摩擦片应 力曲线图，如图７所示。可知： （１）应力最大分别为９７５ＭＰａ和９４６ＭＰａ，中间最低应力 ８３２ＭＰａ。 （２）摩擦片最大位移为１．２ｍｍ。 图６氧化铝陶瓷摩擦片应力云图 ｆＸ１ ９７４８ ５０６ ９６０５ ７６７ ９４５３．０２５ ９３２０．２８３ Ｉ ９ｌ７７．５４１ ＼ ９０３４ ７９９ ８８９２．０５７ ／ ８７４９．３１５ ／ ８６０６．５７３ Ｉ ８４５３．８３ ｌ １ ｛ ８３２１．０８９ 。’ Ｏ ５ ８７８】】．７５６ １７．６３４ ２３．５１２ ２９．３９２ ２．９３９ ８．８ｌ７ １４ ６９５ ２０．５７３ ２６．４５１ ＤＩＳＴ 图７氧化铝摩擦片应力曲线 ４膜片弹簧受力分析 ４．１有限元模型 单元及网格：单元类型为ｂｒｉｃｋ４５，自由划分网格，模型单元 数１６７６４，节点数２３５４６，如图８所示。 材料模型：膜片弹簧材料为６０Ｓｉ２ＭｎＡ。有关参数为：泊松比 ／ｚ－－Ｏ．３；弹性模量Ｅ＝Ｉ．９ｘｌ０ＳＭＰａ；屈服极限ｅＬ＝９６０ＭＰａ； 载荷及约束：模型约束加在膜片底边，因为此边与离合器壳 接触，是拉式离合器的主要承载受力边界。 图８膜片弹簧网格划分 ４．２分析结果 膜片弹簧顶端压下位移１０ｍｍ时的俯视受力云，如图９所 示。可以得出： （１）零件受作用于上碗口周侧分离轴承的拉力，应力集中在 切槽中间部分。 机械设计与制造 第６期 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ２０１０年６月 文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０６—００４０—０３ 折叠变体飞行器风洞试验特种模型设计 李强李周复刘铁中 （中国航空工业空气动力研究院，哈尔滨１５０００１） Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｍｏｄｅＩ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｎｅ ｍｏｒｐｈｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ ｗｉｔｈ ｆｏｌｄｉｎｇ ｗｉｎｇ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｔｅｓｔ ＬＩ Ｑｉａｎｇ，ＬＩ Ｚｈｏｕ－ｆｕ，ＬＩＵ Ｔｉｅ－ｚｈｏｎｇ （Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｅｒｏｄｙｎａｎ ｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） ｊ 【摘要】特种高速风洞试验模型设计一直是风洞试验领域的难点问题。针对某变体飞行器高速风ｉ 洞试验任务提出的运动性能指标，设计开发了可控的折叠变体试验模型，对其设计方案及工作原理进行； ｛了阐述，对折叠变体传动机构进行了优化和角度误差的分析与计算。结果表明该试验模型能够对机翼折 叠变体角度进行连续、稳定和精确控制，完全达到了设计要求的各项指标。 ｊ 关键词：变体飞行器；折叠；风洞模型；角度误差 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｔｅｓｔ ｍｏｄｅＺ ｉｓ ０ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ａｖｉ￣ｉｏｎｆｉｅｌｄ． Ａ ｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｔｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｏｎｅ ｍｏｒｐｈｉｎｇ ａｉｒｃｒ＠ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｃｏｎ— ；ｔｒｏｌｌａｂｌｅ－ｆｏｌｄｉｎｇ ｍｏｒｐｈｉｎｇ ｔｅｓｔ ｏｍｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ；Ｔｈｅ ｄｅｓｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｏｐｅｒｔａｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｊ ｆｏＺｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ；Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｇｕｌａｒ ｅｒｒｏｒ ＷＨＳ ａｎａｌｙｚｅｄ ｒｅ ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． ｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｉｎｇ ａｎｇｕｌｒａ ｆｏｔｈｅｆｏｌｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ｍｏｄｅｌ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｎａｄ ｓｔａｂｌｙ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｏｄｅｌ ｍｅｅｔｓ ｄｅｓｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ－Ｍｏｒｐｈｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ；Ｆｏｌｄｉｎｇ ｗｉｎｇ；Ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ；Ａｎｇｌｅ ｅｒｒｏｒ 中图分类号：ＴＨ１２，Ｖ２１５文献标识码：Ａ １弓ｌ言 位、控制以及风洞试验过程中自身运动带来的相关问题。而对于 任何飞行器在初期的研制阶段都必须进行风洞试验，而风洞 某些特种模型，在风洞试验过程中，其自身各零件之间是一个相 试验所需的一定比例飞行器模型是必不可少的。在航空、航天等 对运动的状态，因而在模型内部必须设置传动机构，又由于气动 领域中，风洞试验模型是进行实物仿真的关键硬件设备，在飞行 方面对模型的状态控制精度要求比较高，因而在设计过程中，对 器的风洞实验研制过程中起着极为重要的作用。仿真测试的模型 机构的运动控制、定位精度必须予以足够的重视。 可以模拟飞行器在空间实际飞行时的各种姿态，复现其运行时的根据某变体飞行器高速风洞试验研究任务的要求，设计了能 运动学和动力学特征，获得重要的实验数据。模型性能的优劣直 够在风洞中可控的、实时变体的飞行器特种模型，以测量飞行器变 接关系到仿真和测试实验的可靠性和置信度，是保证航空、航天体过程中的气动力，并对传动机构进行了优化设计与角度误差分析。 型号产品和新型飞行器研发的基础［１］。 ２设计方案与原理 对于常规风洞试验模型而言，其自身各零件之间是一个相对 风洞试验模型的变体方案为机翼折叠变形，内翼部分能够绕 固定的状态，并不需设置传动机构，不需考虑模型自身运动的定 纵向铰链轴按一定的角速度旋转，而外翼部分应始终保持与机身 ★来稿１３期：２００９—０８—１０ （２）膜片弹簧在位移１０ｍｍ的情况下产生最大应力为 ３０８ＭＰａ，小于材料本身屈服极限９６０ＭＰａ。 ５结论 （１）摩擦片选用石棉基与氧化铝材料，可保证其有足够的强 度和耐磨性、热稳定性、磨合性，不会发生粘着现象。 （２）对石棉基摩擦片与氧化铝陶瓷摩擦片分别进行接触受力 分析，两者都能满足设计要求，应力集中现象未超出材料自身许 用值。 （３）对弹簧膜片进行静力分析也表明设计满足强度要求。 参考文献 １刘鸿文．材料力学．北京：高等教育出版社，１９８５ ２徐石安，江发潮．汽车离合器［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５ ３王勖成，邵敏有限单元法基本原理和数值计算．北京：清华大学出版社，１９９６ 图９膜片弹簧顶端压下位移１０ｌｌａｎｌ时应力云图 ４祝凌云，习￡斌ＰＲＱ／Ｅ运动仿真和有限元分析北京：人民邮电出胚Ｉ丰土，２ｏｏ４（３）
