汽車離合器踏板有限元設(shè)計

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【摘要】文章針對離合器踏板的剛度與強度特性，采用有限元的方法對離合器踏板的踏板臂方面進行分析。通過對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度的變化情況，反映了踏板的強度與應(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)計與改進提供一定參考。

【關(guān)鍵詞】離合器踏板；有限元分析

引言

離合器作為發(fā)動機與傳動系統(tǒng)相連的部件[1][2]，汽車通過離合器實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(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)計是否合理、踏板本身的強度和剛度是否滿足不同工況下的需求，都直接影響著整個離合器總成的工作性能[3]。使用有限元分析對某離合器踏板進行了受力分析[4][5]，并分析了離合器踏板形狀變化下應(yīng)力對應(yīng)的變化情況。實驗得出，針對需要對應(yīng)的剛度和強度性能要求，得出了不同優(yōu)化方式，希望能為進一步改進設(shè)計提供一定的參考。

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。通過實驗得知，應(yīng)力最大點主要集中于圖1中A與B點上，A與B點為踏板臂直線與圓弧相交處，所以標(biāo)記A、B兩點記錄其應(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點的應(yīng)力190.0MPa，B點的應(yīng)力為149.1MPa。

2踏板的改進設(shè)計

為驗證踏板臂對性能的影響，對踏板臂進行改進。離合器中間為直線臂，故通過改變其彎曲程度來進行優(yōu)化設(shè)計，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方法；而另外的改進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通過實驗證明只會導(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均不改變，如圖2所示。通過多組實驗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，這種方法會增加最大位移，但是影響卻是很小的。這種設(shè)計方案會導(dǎo)致本就更大的A點應(yīng)力不斷增大，而B點不斷減小，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，最后通過實驗得到數(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，但是A點的應(yīng)力變小了，而B點的應(yīng)力變得更加大了?？梢钥闯?，在1800mm的R大小時，兩點的應(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時可以獲得一個更優(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，然后實驗得出數(shù)據(jù)，見表3。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，最大位移得到了明顯降低，但是出現(xiàn)了和同時向上彎曲同樣的問題，A點的應(yīng)力變得更大了，而不一樣的點在于B點的應(yīng)力幾乎不變。這種設(shè)計方案顯然無法達到降低最大應(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，通過多組實驗得到數(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，與上一個方案一樣，最大位移得到極大的改觀，而相反的是，A點的應(yīng)力一直在180MPa左右波動，而B點的應(yīng)力則在不斷增大。可以得到結(jié)論，若是在A點應(yīng)力允許的情況下，可以讓R可能增大到使B點應(yīng)力與A點相一致的情況下，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，對離合器踏板進行了優(yōu)化設(shè)計，實驗了多種改進方式。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時改善效果最好，而這種方式會導(dǎo)致剛度會有一定的下降；若在強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時剛度可以得到有效降低，同時最大應(yīng)力并不會增大。希望能為離合器踏板的設(shè)計、優(yōu)化提供參考。

參考文獻：

[1]林彬.汽車離合器踏板剛度與強度分析[J].汽車實用技術(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].機械工程與自動化,2016(03):18-20.

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

[4]高喆,劉世謙,李俊龍,等.拖拉機離合器操縱機構(gòu)分離杠桿的有限元分析與設(shè)計[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，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)機械學(xué)院 成都大學(xué)機械工程學(xué)院