波形片特性仿真及其疲劳可靠性分析*

严正峰1 段亚林2 全世平2 ( 1.合肥工业大学,合肥 230009;2.合肥工业大学 智能制造技术研究院,合肥 230009)

Automobile Technology - - 汽车技术 -

【摘要】为研究波形片特性及验证其疲劳可靠性,构建了波形片轴向压缩特性数学分析模型和有限元分析模型,通过仿真分析得到其载荷-位移特性曲线。将有限元分析结果导入ANSYS nCode Design Life中对波形片进行了疲劳可靠性分析,获得了波形片各节点的疲劳寿命云图,并通过试验验证了仿真分析结果的可靠性,该分析为改善离合器波形片设计提供了理论参考。 主题词:波形片 分离特性 疲劳可靠性 载荷-位移特性U463.211 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20170571中图分类号: 文献标识码: DOI: Simulation of Cushion Spring Characteristics and Its Fatigue Reliability Analysis Yan Zhengfeng1, Duan Yalin2, Quan Shiping2 1. Hefei University of Technology,Hefei, 230009;2. Intelligent Manufacturing Institute, Hefei University of Technology, ( Hefei,230009) Abstract In order to study the characteristics of cushion spring and verify its fatigue reliability, the axial【 】compression characteristic mathematics analysis model and finite element analysis model were established, and its loaddeflection characteristic curve was obtained through simulation analysis. The results of the FE analysis were imported into ANSYS nCode Design Life for fatigue reliability analysis, and the fatigue life and damage cloud chart of every node of the cushion spring were obtained. The reliability of the simulation analysis results were verified by experiments. The analysis provides theoretical reference to improve design of clutch cushion spring. Key words: Cushion spring, Disengagement characteristic, Fatigue reliability, Load- deflection characteristic 1 前言

离合器的作用是传递发动机扭矩,并在起步和换挡时切断动力、减缓传动系统冲击等[1]。为减缓离合器在结合与分离过程中沿轴向产生的冲击,要求从动盘具有良好的轴向弹性,而波形片是从动盘中关键性的受力部

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件之一,其非线性“载荷 位移”弹性曲线对离合器扭矩传递有重要影响,因此对波形片轴向压缩特性的研究对改善汽车换挡品质等具有实际意义。

Vasca F国内外学者对波形片进行了相应研究,如

等[2]阐述了波形片的弹性特性对于输出扭矩的影响; Sfarni S

等[3]通过数值分析方法对不同结构波形片的弹性特性进行了研究,并分析了如何利用波形片表面接触

Cappctti N压力分布预测摩擦片磨损情况; 等[4]对波形片弹性特性对于自身主要几何参数的敏感程度进行了分

-析,并研究了温度变化对于波形片载荷 位移特性曲线的影响。

本文在前人研究的基础上,构建了典型汽车从动盘总成波形片三维模型和有限元模型,分析了波形片轴向压缩特性及其疲劳寿命,为改进离合器波形片的设计提供理论参考。 2 从动盘总成及波形片轴向压缩特性2.1 从动盘总成结构1

从动盘总成结构见图 。波形片为整体式,材料为65Mn,沿半径方向开槽,在外缘部分呈现出许多具有波

2浪形状的扇形结构,如图 所示。

2.2 波形片轴向压缩特性

在摩擦片压缩波形片的过程中,波形片会发生周向伸展变形,波形片与摩擦片有效接触面积的变化量与波形片轴向伸缩量之间呈非线性关系,使得波形片有一个非线性的轴向压缩特性,且随压缩行程的增加,波形片

3所受到的载荷先缓慢增加之后再迅速增加,如图 所示。

3 波形片特性的理论计算

3

波形片可以简化为 个部分,与摩擦片表面接触部

4分及非接触部分(左右两部分) [5],如图 所示。波形片与摩擦片表面接触部分为平面,可不考虑其弹性变形,波形片左右两侧与摩擦片表面非接触部分可假设为悬臂板,依据力学公式可推导出其变形与载荷的关系。 Euller- Bernoulli采用自然坐标并利用 方程建立悬臂板的挠曲方程:

4 波形片特性仿真分析4.1 实体模型建立

10本文所研究的整体式波形片由 个叶片组成,每0.8 mm,

个叶片厚度为 因每个叶片几何尺寸、材料及加10 -工方法完全一致,因此假设 个叶片具有相同的载荷

1

位移特性,并取其中 个叶片进行建模。考虑到实际工作过程中只有叶片波浪形部分提供轴向弹性刚度,因此5只针对波形部分进行建模分析,其三维实体模型如图所示。

4.2 有限元模型建立

1

波形片的材料如表 所列。为了模拟波形片实际

工作状况,建立了两个摩擦片的三维模型,并与波形片workbench组成装配体后导入有限元分析软件 中。定义上、下两个摩擦片为刚体,将各材料参数输入有限元分析软件并采用四面体进行网格划分,定义波形片网格大0.6 mm

小为 。依据从动盘总成的实际工况设定约束Z为:下摩擦片固定;波形片铆接孔处具有沿 轴方向移Z 0.7 mm, 6动自由度;上摩擦片沿 轴负方向移动 如图

7

所示。图 为最后得到的波形片有限元仿真模型(为方便观察隐去上摩擦片)。

4.3 波形片轴向压缩特性

对上摩擦片施加时间序列载荷谱(载荷为位移载荷),设定自动调节子步数,通过有限元仿真分析可得出每个子步对应的波形片轴向位移及与之对应的波形片轴向载荷,经数据处理可得波形片载荷与轴向压缩位移

8 8

之间的关系[6],如图 所示。从图 可看出,波形片所承受载荷与位移之间呈非线性关系。

5 波形片的疲劳可靠性分析5.1 静力学分析

根据上述的边界及约束条件,采用位移时间载荷步 ANSYS workbench

的加载方式,利用 软件获得的波形片9 9

应力云图如图 所示,从图 可看出,在波形片轴向压缩0.7 mm

的过程中,最大应力发生在波形片波形翘曲位840.2 MPa

置,为 。

5.2 载荷谱定义

载荷谱的准确定义对疲劳分析结果的准确性具有1 s,很大影响。本文采用的时间步载荷谱其时长为 在1s 0.7 mm,时长内上摩擦片沿Z轴负方向位移 将波形318

片逐渐压平,载荷子步为 步。

5.3 波形片材料S-N曲线

以材料的S-N曲线为基础,通过名义应力法对波形65Mn片进行疲劳寿命分析。将材料参数( 的屈服强度785 MPa 980 MPa) ncode、抗拉强度 输入疲劳分析软件中,生成S-N曲线,由于受加工及零件外形影响,零件与标准试件S-N曲线会有一定误差,所以需要对所得S-N 10

曲线进行修正[7],修正后S-N曲线如图 所示。

5.4 疲劳可靠性分析

nCode将静力学计算结果导入疲劳分析软件

Design Life

中,通过求解得到波形片的寿命云图,如图11

所示。 11

由图 可知,波形片损伤较严重的区域位于波形片的波形翘曲部分,这与有限元分析结果相吻合,而波形片在实际使用过程中的破坏部分也集中在此位置,该

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