汽車離合器踏板有限元設(shè)計(jì)

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【摘要】文章針對(duì)離合器踏板的剛度與強(qiáng)度特性，采用有限元的方法對(duì)離合器踏板的踏板臂方面進(jìn)行分析。通過對(duì)多種踏板臂變化的分析，獲得了踏板臂幾種變化的情況下離合器踏板的剛度與強(qiáng)度的變化情況，反映了踏板的強(qiáng)度與應(yīng)力變化規(guī)律，最后得出了兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，可為離合器踏板設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供一定參考。

【關(guān)鍵詞】離合器踏板；有限元分析

引言

離合器作為發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)相連的部件[1][2]，汽車通過離合器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的連接與斷開，駕駛員通過離合器踏板來操作離合器的連接狀態(tài)。踏板的設(shè)計(jì)是否合理、踏板本身的強(qiáng)度和剛度是否滿足不同工況下的需求，都直接影響著整個(gè)離合器總成的工作性能[3]。使用有限元分析對(duì)某離合器踏板進(jìn)行了受力分析[4][5]，并分析了離合器踏板形狀變化下應(yīng)力對(duì)應(yīng)的變化情況。實(shí)驗(yàn)得出，針對(duì)需要對(duì)應(yīng)的剛度和強(qiáng)度性能要求，得出了不同優(yōu)化方式，希望能為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1建立離合器踏板模型

采用SOLIDWORKS軟件建立離合器踏板的三維模型，如圖1所示。將其導(dǎo)入SolidWorks的有限元分析插件simulation中，材料選擇合金鋼，然后分析其在600N的載荷下的性能。通過實(shí)驗(yàn)得知，應(yīng)力最大點(diǎn)主要集中于圖1中A與B點(diǎn)上，A與B點(diǎn)為踏板臂直線與圓弧相交處，所以標(biāo)記A、B兩點(diǎn)記錄其應(yīng)力變化。通過分析得出，離合器踏板的最大位移為3.336mm，其中A點(diǎn)的應(yīng)力190.0MPa，B點(diǎn)的應(yīng)力為149.1MPa。

2踏板的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證踏板臂對(duì)性能的影響，對(duì)踏板臂進(jìn)行改進(jìn)。離合器中間為直線臂，故通過改變其彎曲程度來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而彎曲能有多種情況：踏板臂整體向上彎曲，寬度不變，兩條邊線為同一半徑；同理，向下彎曲得到另一種改進(jìn)方法；而另外的改進(jìn)方法便是只彎曲一邊的邊線，另一半保持直線不變從而得到兩種設(shè)計(jì)方案。這兩種方案都采用向外增大r，而向內(nèi)增大r通過實(shí)驗(yàn)證明只會(huì)導(dǎo)致性能的全面下降，故不做贅述。

2.1踏板邊線整體一起向上彎曲

使踏板兩條邊線以一樣的R向離合器踏板上方彎曲，其他量在離合器臂彎曲時(shí)均不改變，如圖2所示。通過多組實(shí)驗(yàn)記錄其最大位移以及應(yīng)力的變化，最后得到數(shù)據(jù)，見表to通過以上數(shù)據(jù)可以看出，這種方法會(huì)增加最大位移，但是影響卻是很小的。這種設(shè)計(jì)方案會(huì)導(dǎo)致本就更大的A點(diǎn)應(yīng)力不斷增大，而B點(diǎn)不斷減小，導(dǎo)致應(yīng)力分布更加不均衡，再加上最大位移也在不斷增大，所以這種方案并不能帶來更好的性能。

2.2踏板邊線整體一起向下彎曲

使踏板兩條邊線以同樣的R向離合器踏板下方彎曲，其它量依舊保持不變，如圖3所示，最后通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，見表2。數(shù)據(jù)表明，雖然向下彎曲的最大位移相較與向上彎曲增加的略微更多一點(diǎn)，但是A點(diǎn)的應(yīng)力變小了，而B點(diǎn)的應(yīng)力變得更加大了。可以看出，在1800mm的R大小時(shí)，兩點(diǎn)的應(yīng)力更均衡，也使得最大應(yīng)力減小，此刻最大位移相較與直線狀態(tài)下的最大位移只增加了很小，故踏板臂彎曲在R為1800mm時(shí)可以獲得一個(gè)更優(yōu)秀的性能。

2.3踏板臂上方邊線彎曲

與前面方法一樣，只改變上方邊線的彎曲程度，下邊線保持直線不變，如圖4所示，然后實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，見表3。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，最大位移得到了明顯降低，但是出現(xiàn)了和同時(shí)向上彎曲同樣的問題，A點(diǎn)的應(yīng)力變得更大了，而不一樣的點(diǎn)在于B點(diǎn)的應(yīng)力幾乎不變。這種設(shè)計(jì)方案顯然無法達(dá)到降低最大應(yīng)力的要求。

2.4踏板臂下方邊線彎曲

在只改變下方邊線的彎曲程度的情況下，其它條件均保持不變，如圖5所示，通過多組實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，見表4。表4只有下邊線彎曲得到的最大位移觀察數(shù)據(jù)可以得出，與上一個(gè)方案一樣，最大位移得到極大的改觀，而相反的是，A點(diǎn)的應(yīng)力一直在180MPa左右波動(dòng)，而B點(diǎn)的應(yīng)力則在不斷增大?？梢缘玫浇Y(jié)論，若是在A點(diǎn)應(yīng)力允許的情況下，可以讓R可能增大到使B點(diǎn)應(yīng)力與A點(diǎn)相一致的情況下，這樣可以使最大位移可能的變得更小。

3結(jié)論

本文通過有限元分析的方法，對(duì)離合器踏板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)了多種改進(jìn)方式。結(jié)果表明，若想降低踏板的最大應(yīng)力，保證踏板的強(qiáng)度則采取將踏板向下彎曲一定程度就可以降低，而彎曲程度在R為1800mm時(shí)改善效果最好，而這種方式會(huì)導(dǎo)致剛度會(huì)有一定的下降；若在強(qiáng)度滿足的條件下需要改善剛度，則可以選擇只增加踏板下邊線的彎曲程度，數(shù)據(jù)表明R為800mm時(shí)剛度可以得到有效降低，同時(shí)最大應(yīng)力并不會(huì)增大。希望能為離合器踏板的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]林彬.汽車離合器踏板剛度與強(qiáng)度分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017(24):108-109.

[2]宋洋勇，張瑞乾，趙建中，等.汽車離合器踏板構(gòu)件的有限元分析與優(yōu)化[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2016(03):18-20.

[3]曾文，王朝帥．汽車傳動(dòng)系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[4]高喆,劉世謙,李俊龍,等.拖拉機(jī)離合器操縱機(jī)構(gòu)分離杠桿的有限元分析與設(shè)計(jì)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2022,49(01):47-51.

[5]高衛(wèi)民,王宏雁.汽車結(jié)構(gòu)分析有限元法[J].汽車研究與開發(fā)，2000(06):30-32.

作者:張豪 張濤 姚建明 單位:四川輕化工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院