基于有限元分析的農(nóng)用運輸車離合器設(shè)計

沈文浩

（電子科技大學(xué)中山學(xué)院，廣東 中山 528402）

隨著農(nóng)用運輸車輛在性能上不斷發(fā)展，發(fā)動機的功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，使得安全性能對離合器的要求也越來越高。因此，提高離合器的可靠性和延長其使用壽命，適應(yīng)發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速，增加離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力和簡化操作，已成為離合器目前發(fā)展趨勢。文章將結(jié)合有限元分析技術(shù)和三維設(shè)計方法，進行CAD和CAE的協(xié)同設(shè)計，在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，模擬離合器在不同狀況下的應(yīng)力和變形狀況，并將計算結(jié)果應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計，從方法上對農(nóng)用運輸車離合器設(shè)計進行有益的探索，并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的參考和借鑒。

1 前言

離合器位于發(fā)動機和變速箱之間的飛輪殼內(nèi)，用螺釘將離合器總成固定在飛輪的后平面上，它的輸出軸就是變速箱的輸入軸。在摩托車行使過程中，駕駛員可根據(jù)需要踩下離合器或松開離合器踏板，使發(fā)動機與變速箱暫時分離或逐漸接合，以切斷或傳遞發(fā)動機向變速器輸入的動力。其構(gòu)造一般由主動部分（飛輪、離合器蓋、壓盤）、從動部分（從動盤）、壓緊機構(gòu)（壓緊彈簧）、分離機構(gòu)（分離拉桿、分離叉、分離套筒、分離軸承、分離杠桿等）和操縱機構(gòu)（離合器踏板）五大部分組成。摩擦離合器按從動盤的數(shù)目分為：單片離合器和雙片離合器；按壓緊彈簧的結(jié)構(gòu)形式分為：螺旋彈簧離合器和膜片彈簧離合器。

2 離合器的設(shè)計與尺寸選擇

2.1 摩擦片的材料選擇

摩擦片的材料應(yīng)滿足以下要求：

（1）具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，對溫度、壓力、滑動速度變化不敏感，動靜摩擦系數(shù)差值小。對于濕式摩擦片摩擦系數(shù)值的波動不應(yīng)超過±20%。

（2）具有足夠的強度和耐磨性。

（3）導(dǎo)熱性好，熱容量大，能夠經(jīng)受較高的溫度而無明顯的變化或碳化、腐蝕等引起材質(zhì)的改變。

（4）抗膠合性能好，不宜對相對的摩擦表面形成擦傷，易跑合，耐油無腐蝕。

（5）工藝性好，摩擦?xí)r無噪聲，無振蕩，無異味，無污染物，成本低。

2.2 主動摩擦片尺寸設(shè)計

主動摩擦片外徑D＝110mm。內(nèi)外徑比值C謖=0.589，內(nèi)徑d＝92mm，厚度 h＝3.5mm。

工作情況系數(shù)K=2，理論轉(zhuǎn)矩T=13.,7Nm，離合器的接合頻率系數(shù)Km=0.72，滑動速度系數(shù)KV=1.00，摩擦系數(shù)μ=0.15，摩擦面修正系數(shù)KZ=0.79，摩擦片的數(shù)目Z=6。主動摩擦片的表面結(jié)構(gòu)采用比較常用的徑向溝槽，因為該溝槽冷卻效果好，有利于減少磨損。

2.3 從動摩擦片尺寸設(shè)計

從動摩擦片的外徑d1=D1=110mm，從動摩擦片的內(nèi)徑d2=D2=92mm，從動摩擦片的數(shù)目n=z-1=6-1=5，從動摩擦片的厚度2mm，從動片的表面形狀采用方形溝槽，該種溝槽承載能力較大，和主動片的徑向溝槽配合可以得到很好的綜合性能，即摩擦系數(shù)大，冷卻散熱快。

3 離合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

離合器的設(shè)計要考慮的因素不僅僅是所設(shè)計離合器的各項性能要符合要求，而且要考慮到所設(shè)計的離合器本身的重量，離合器材料來源是否方便，離合器的成本等等，目前市場上所銷售的濕式多片式離合器的外形尺寸、材料基本一樣，而離合器彈簧根數(shù)有區(qū)別，分別有4根、6根等情況，因而成本上有著明顯的區(qū)別。離合器彈簧決定了離合器輪轂上摩擦片組的受力分布狀況，進而影響離合器壽命，所以通過有限元方法研究在不同彈簧根數(shù)下輪轂的受力狀況，可以進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 不同彈簧根數(shù)下離合器變形量比較

圖1 離合器位移云圖

3.3 模擬結(jié)果討論

通過上述對不同根數(shù)彈簧的離合器有限元模擬可以看出：對于不同根數(shù)彈簧，輪轂邊緣的變形量基本相等，且變形均勻，而對輪轂底部與側(cè)面交界處的影響比較大。而顯然6根彈簧受力更理想，。因此綜合考慮，采用6根彈簧比較理想，而彈簧根數(shù)確定后，輪轂、壓盤的形狀和尺寸可以完全確定。

4 結(jié)語

本文根據(jù)使用環(huán)境和設(shè)計條件，參考設(shè)計手冊，對農(nóng)用運輸車離合器進行了型式、材料和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計和選擇。并使用有限元方法對離合器輪轂在不同根數(shù)承載彈簧的條件下的受力情況和變形情況進行了數(shù)值模擬，由結(jié)果綜合考慮優(yōu)化選擇6根彈簧均布的形式作為設(shè)計結(jié)果。通過輔助設(shè)計方法和數(shù)值模擬的方法相結(jié)合，對離合器設(shè)計進行了有益的探索，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的參考和借鑒。

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