汽車離合器踏板構(gòu)件的有限元分析與優(yōu)化
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宋洋勇1，張瑞乾1,2，趙建中1，陳 勇1，2
（1．北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192;2．北京高校協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100192）
摘要：為驗(yàn)證某款新開發(fā)的離合器踏板的可靠性，建立了離合器踏板構(gòu)件的有限元模型，按照法規(guī)對踏板構(gòu)件的性能參數(shù)要求，利用Hyper Mesh軟件對其進(jìn)行側(cè)向位移、剛度和強(qiáng)度的仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明踏板的剛度值不能滿足法規(guī)要求，最大應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度。提出了材料改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并對改進(jìn)后材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的離合器踏板進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明其滿足了法規(guī)和實(shí)際工況的需求。
關(guān)鍵詞：離合器；有限元分析；優(yōu)化改進(jìn)；強(qiáng)度分析；踏板
中圖分類號：TP391.7：U463. 211
0 引言
離合器踏板是汽車離合器總成中的主要操縱部件之一，操作人員通過對踏板中心點(diǎn)施加一定載荷，帶動踏板一端向下移動，并與離合器其他主從動部件、壓緊部件協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)離合器摩擦片與發(fā)動機(jī)飛輪的分離，從而切斷發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)的力矩傳遞。若卸載踏板載荷，踏板逐漸恢復(fù)原位，可以正常傳遞發(fā)動機(jī)的力矩至傳動系統(tǒng)。由此看出踏板是保證駕駛?cè)藛T平順掛檔、汽車平穩(wěn)正常起步、防止傳動系統(tǒng)過載的重要裝置之一。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。
目前國內(nèi)學(xué)者對離合器踏板的研究主要側(cè)重于解決踏板抖動頻率過大和如何提高踏板操縱舒適性等方面，對踏板本身的結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化的研究并不多。本文采用有限元分析軟件Hyper Mesh對踏板在不同載荷下產(chǎn)生的側(cè)向位移、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真分析。
1 建立離合器踏板構(gòu)件的有限元模型
1.1 有限元網(wǎng)格的劃分
將建立好的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)人到專業(yè)、高效的前后處理有限元軟件Hyper Mesh中，首先對導(dǎo)入的幾何模型進(jìn)行前處理，查看有無缺失面、重復(fù)面等，并做相應(yīng)的填補(bǔ)、刪除。為了保證網(wǎng)格單元有較高的精度，忽略孔徑小于Ф2 mm的安裝孔、支架彈簧等小構(gòu)件。設(shè)置網(wǎng)格基本尺寸為5 mm，離合器踏板臂、離合器殼體、離合器支座、離合器連接板采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其余零件采用殼單元?jiǎng)澐郑菟ㄟB接選用RBE2。離合器踏板臂和其他沖壓件結(jié)構(gòu)采用材料DC01，彈性模量為210 000 M Pa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-3 g／mm3，屈服強(qiáng)度為192 M Pa。離合器踏板網(wǎng)格劃分如圖1所示，網(wǎng)格數(shù)目共計(jì)58 287個(gè)。
1.2設(shè)置邊界條件
離合器總成支座通過兩側(cè)螺栓與前地板鈑金件進(jìn)行固定連接，在踏板上下移動時(shí)，必須保證離合器支座固定不動。離合器踏板又通過插銷與離合器殼體連接固定，在踩動踏板時(shí)，離合器踏板臂會以插銷為軸進(jìn)行小范圍的轉(zhuǎn)動，因此離合器支座和離合器臂上的安裝孔中心點(diǎn)是定義約束點(diǎn)，所以保證這3個(gè)固定點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的平動和旋轉(zhuǎn)自由度都為0。選定踏板中心點(diǎn)為施加載荷點(diǎn)，在不同工況下施加不同的載荷值，最后用ABA ous求解。
為了更好地反映材料的實(shí)際受力情況，通常采用式(1)的第四強(qiáng)度理論公式評價(jià)材料的強(qiáng)度，即：
2 離合器踏板的仿真分析
GB/T 5728《汽車踏板裝置性能要求及臺架試驗(yàn)方法》要求：駕駛員用腳操縱的控制機(jī)構(gòu)，即踏板裝置外觀保持光潔，無裂紋、劃痕等缺陷，在整個(gè)工作過程中要保持動作靈活、無異響；踏板裝置強(qiáng)度在規(guī)定的法向力P-800 N作用下，并無損壞裂紋現(xiàn)象；在測試踏板的側(cè)向位移時(shí)，要在踏板的幾何中心點(diǎn)施加y軸正、負(fù)方向大小為50 N的載荷，需滿足踏板的側(cè)向位移小于等于4.0mm;踏板剛度在法向施加300 N的載荷作用下，踏板的縱向位移小于等于5.0 mm。為了驗(yàn)證該踏板是否滿足國標(biāo)各項(xiàng)要求，在該仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了常規(guī)典型工況1～3和極限工況4。在踏板中心點(diǎn)施加載荷，約束3個(gè)固定點(diǎn)的自由度為0，得到的VonMises應(yīng)力云圖和等效位移云圖如圖2～圖5所示。
由圖4可知，在典型工況3下踏板的側(cè)向位移遠(yuǎn)高于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，則對應(yīng)的剛度存在明顯不足。由圖5可知，極限工況4下，踏板的最大應(yīng)力值為293.1M Pa，也遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度值，極易出現(xiàn)踏板折斷、裂紋的現(xiàn)象。按照踏板總成技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)要求，踏板材料本身的剛度值和屈服強(qiáng)度值不能滿足實(shí)際工況需求時(shí)，要提出改進(jìn)方案。
3 離合器踏板的優(yōu)化
3.1材料優(yōu)化
該車型的離合器踏板是用冷軋鋼板DC01沖壓而成，其屈服強(qiáng)度值為192 M Pa，低于極限工況4下的最大應(yīng)力值，不符合實(shí)車需求。綜合考慮材料成本、模具開發(fā)成本、沖壓成形難易程度等因素，建議把材料改為屈服強(qiáng)度值為345 M Pa的普通碳素鋼Q345。
3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
離合器踏板臂可以簡化成一端固定，在另一端施加載荷的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其中踏板臂連接板起到支撐加固的作用，如圖6所示。
設(shè)踏板臂連接板距離固定端的距離為a，踏板臂的長度為L，截面的彎曲剛度為EI（E為彈性模量，I為截面矩），懸臂梁最末端施加的載荷為F，踏板臂連接板提供的支撐力為FR，則根據(jù)梁變形表并利用疊加法得懸臂梁最末端的撓度為：
由式(2)可知，隨著a的增大，ωB變小，即踏板中心點(diǎn)的等效位移減小，整體剛度會增大。在保證踏板自由行程的條件下，把踏板臂連接板沿踏板中心點(diǎn)的方向移動5 mm，同時(shí)為了保證踏板臂連接件和踏板支座有足夠的接觸面積，防止兩者有滑脫的風(fēng)險(xiǎn)，把離合器臂連接件與踏板支座接觸的臺階面沿連接板移動的方向延伸擴(kuò)大5 mm。由于各工況下的最大應(yīng)力值通常會出現(xiàn)在踏板支座上，把離合器踏板支座和離合器踏板連接板的料厚由原始的1.5 mm改為2．0 mm。
3.3優(yōu)化后的仿真分析
優(yōu)化后的踏板材料為Q345，其彈性模量值為206 000 M Pa，泊松比為0.28，密度為7.85×10-3 g/mm3，屈服強(qiáng)度為345 M Pa。按照優(yōu)化方案，在CATIA軟件中對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行更改，把修改后的數(shù)模重新導(dǎo)入Hype Mesh，設(shè)置與優(yōu)化前相同的單元類型與參數(shù)，重新劃分網(wǎng)格，在踏板幾何中心點(diǎn)施加與改進(jìn)前相同的約束和載荷。得到的踏板中心點(diǎn)的應(yīng)力、等效位移云圖如圖7～圖10所示。
由圖7～圖10可知，典型工況1和2的縱向位移值分別為2. 874 mm和-2.684 mm，沒有超過法規(guī)規(guī)定的4 mm，側(cè)向位移達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；典型工況3的縱向位移為4. 502 mm，低于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的5 mm，說明剛度值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，可以滿足實(shí)車需要；在極限工況4下的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在安裝螺栓區(qū)域，其值為360.3 M Pa，略高于材料的屈服強(qiáng)度值，由于離合器支座上的螺栓附近區(qū)域加載了約束，計(jì)算出的數(shù)值會高于實(shí)際真實(shí)值，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬，參考非螺栓區(qū)域的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力值點(diǎn)出現(xiàn)在離合器臂連接板上，其值為295.3M Pa，低于材料的屈服強(qiáng)度值345 M Pa，故判定其符合設(shè)計(jì)要求。
4結(jié)論
結(jié)合離合器踏板構(gòu)件在實(shí)車工況下的受力情況，采用高效、專業(yè)的有限元分析軟件Hyper Mesh對離合器踏板進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明：①優(yōu)化前后踏板的側(cè)向位移都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在正向設(shè)計(jì)過程中較易達(dá)到設(shè)計(jì)要求；②經(jīng)過優(yōu)化后，踏板在極限工況下的最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，整體剛度值提高了50%，很好地滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。此分析數(shù)據(jù)可以很好地反映該踏板的實(shí)際力學(xué)特性，計(jì)算結(jié)果可靠，具有一定的指導(dǎo)作用和實(shí)際意義，可以為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的支持。
