1 前言
離合器是現代汽車傳動系統的一個重要組成部分，其主要功能為：傳遞發動機的扭矩、起步和換擋時切斷動力、防止傳動系過載等。離合器工作狀態的好壞對汽車的正常行駛以及發動機扭矩傳遞影響很大。而其中，從動盤作為關鍵的傳動部件結構最為復雜，對離合器的動力特性影響最大，同時也是離合器中最為薄弱的環節。
為了保證汽車平穩起步、離合器結合平順，要求從動盤有良好的軸向彈性，從而保證在結合過程中離合器所傳遞的扭矩能平緩增長。而波形彈簧片(CushionSpring)是從動盤中關鍵性的受力部件之一，其非線性“載荷一位移”彈性曲線對離合器扭矩傳遞有著重要影響，因此對波形彈簧片軸向壓縮特性的研究對改善汽車換擋品質等具有重要的實際意義。
對此，本文建立了典型汽車從動盤波形彈簧片模型，并考慮到其所受熱應力的影響，對不同溫度條件下波形彈簧片的非線性載荷一位移特性隨溫度的變化情況進行了相關仿真分析，并進一步研究了其對干式離合器的結合特性、扭矩傳遞特性等的影響，為干式離合器的實際應用提供參考。
2 從動盤結構形式與工作特性
從動盤對離合器的接合舒適性影響很大，同時也是離合器中的薄弱構件，它通過摩擦轉換，把發動機的扭矩傳給變速器，同時減小傳動系的振動和沖擊，完成“離”、“合”任務。
2.1 從動盤的結構形式
從動盤有兩種結構形式：帶扭轉減振器和不帶扭轉減振器。現在多數汽車離合器從動盤都帶有扭轉減振器，可最大限度地降低傳動系的振動和噪聲，改善汽車行駛的舒適性。從動盤的結構一般由從動片、摩擦片和從動盤轂3個基本部分組成，結構示意圖如圖1所示。
圖1 離合器從動盤結構示意圖
1一從動鋼片 2一調整墊片 3一摩擦墊片 4一從動盤轂
5一減振彈簧 6一減振盤 7，9一摩擦襯面 8一波形彈簧片
其中，根據波形彈簧片與從動盤本體之間的關系，具有軸向彈性的從動片又可分為整體式、分開式和組合式三種結構形式。本文主要研究分開式從動片的波形彈簧片，如圖2所示，從動片4和波形彈簧片1分開做成兩件，通過中間16個鉚釘連為一體；波形彈簧共有8片，沿圓周均勻分布，剛度比較一致；摩擦片和波形彈簧片之間通過周邊16個鉚釘相連接。
圖2 分開式的彈性從動片
1一波形彈簧片 2，6一摩擦片 3一摩擦片鉚釘
4一從動片 5一波形彈簧片鉚釘
2.2 從動盤的工作原理
具有軸向彈性結構的從動盤，能夠使得在離合器結合過程中，主動盤(飛輪和壓盤)與摩擦片之間的壓力是逐漸增加的，進而保證了離合器所傳遞的轉矩能平緩增長，達到柔和接合的目的。為此，將波形彈簧片的圓周部分沖壓成彎曲的波浪形，并將兩側的摩擦片分別與其對應的凸起部分相鉚接。這樣，在離合器結合時，從動片逐漸被壓緊，摩擦面所傳遞的轉矩隨翹曲的扇形部分被壓平而逐漸增大，從而達到接合柔和的效果。
干式離合器(分離狀態)結合系統示意圖如圖3所示。xt0表分離軸承位置，與之相應的壓盤位置為xpp。離合器結合時，膜片彈簧(5)的大端產生作用力向外推壓盤(6)，壓盤進而推動從動盤總成壓緊飛輪(2)，此時從動盤摩擦片(7、8)分別與飛輪及壓盤形成摩擦副，通過兩對摩擦副產生的摩擦力來傳遞轉矩R，并經從動盤轂(12)將轉矩輸出給安裝在花鍵內的變速箱軸(4)，從而完成發動機轉矩的傳遞。
圖3 干式離合器(分離狀態)結合系統示意圖
(1)曲軸；(2)飛輪；(3)分離軸承；(4)變速箱輸入軸；
(5)膜片彈簧；(6)壓盤，(7)壓盤側摩擦片；(8)飛輪側摩擦片；
(9)波形彈簧片；(10)從動盤體；(11)扭轉減震彈簧；(12)從動盤轂
波形彈簧片軸向位移和摩擦面受力放大圖如圖4所示。△1和△2分別是兩摩擦片的厚度，且△=△1+△2；波形彈簧片壓縮量δ∈[0，△f]，其中，當離合器完全結合時δf=0，反之當離合器完全分離時δf=△f；Fpp（xt0）為壓盤壓緊力，Ffc(δf)為波形彈簧片的軸向反作用力，Ff為飛輪反作用力。實際中，分離軸承的位置xt0是由TCU通過電液操縱機構來直接控制，其決定著壓盤的位置及波形彈簧片的位移。
圖4 波形彈簧片軸向位移與受力放大圖
2.3 從動盤的軸向壓縮特性
從動盤軸向壓縮彈性曲線的形狀取決于波形彈簧片的載荷一位移特性，而從動盤的軸向彈性變形和磨損量，又是影響離合器傳遞扭矩特性的兩個重要因素。從動盤內含有波形彈簧片，其壓緊力與從動盤壓縮量之間的關系，稱之為從動盤的軸向壓縮特性。該特性與離合器的分離載荷特性、壓緊力特性有密切的關系，也將影響到離合器分離接合的沖擊度和舒適性。
干式離合器軸向壓縮特性相關變量Fpp(xt0)，xpp(xt0)，δf（xpp）和Ffc（δf）之間的關系如圖5所示。其中，xt0cnt表示摩擦片與飛輪剛結合時分離軸承的位置；xt0cls表示波形彈簧片完全被壓縮時(即xpp=△，δf=0)分離軸承的位置。粗虛線代表摩擦片出現磨損時的影響結果，通過對比分析可知，磨損會導致△減小，xt0cls增大，從而導致Fpp(xt0cls)增大，即波形彈簧片完全被壓平時需更大的壓緊力，這也說明，隨著離合器操縱循環次數的增加，其壓縮彈性會逐漸減弱。故離合器在傳遞相同轉矩情況下，磨損最終會引起分離軸承更大的位移和壓力，從而給駕駛員的操縱舒適性帶來不利影響。
圖5 干式離合器軸向壓縮特性變量關系圖
Vascaeta1.對此提出了一種新的干式離合器動態結合過程扭矩傳遞模型，并給出了波形彈簧片載荷位移特性對離合器扭矩傳遞的影響關系，二者之間的解析關系如下：
式中，n是摩擦面對數，μ是動態摩擦系數，Req為接觸面等效半徑。經相關典型假設和參數定義，文中給出了摩擦扭矩與壓緊力關系的簡單表達式：
且μ可由下式簡單得到：
式中，假設μ恒定，R1和R2分別是離合器摩擦面的內外半徑。
實際上，離合器轉矩傳遞能力的可控參數是壓緊力Ffc，據以上關系，如能通過對波形彈簧片模型有限元仿真得出其載荷一位移特性曲線Ffc(u)，其中u的初始值0點代表摩擦面剛好接觸，便可由此非線性動態特性完成離合器傳遞扭矩Tfc與分離軸承位移xt0之間的關系研究，從而為實現TCU對離合器摩擦扭矩的精確控制奠定理論基礎。
3 波形彈簧片模型建立與仿真分析
3.1 實體模型的建立
基于三維建模軟件CATIA對波形彈簧片進行實體建模。本文所研究的波形彈簧片共有8對可視作平行彈簧的片組成，且每對由兩個相同的片對置安裝(參見圖2和圖4)，每片厚度取為0.4mm，此厚度值是通過對Luk公司提供的從動盤實物模型不同點處測量得到。假設8對片都具有相同的載荷一位移特性，則根據以上假設的對稱性，只需對其中一對片進行建模分析，得到單對特性后再乘以8，即可確定波形彈簧的整體特性。
如上所建立的一對波形彈簧片模型如圖6所示。在建模時，為了保證從動片的彈性作用，波形彈簧片的壓縮行程可取為0.8～1.6mm之間，壓縮量太大會增加踏板的工作行程，不利于離合器的操縱，但至少不應少于0.6mm。從圖6模型可看出，在波形彈簧片圓周上均勻分布多個正弦波形的波峰用以承受軸向載荷，故具有軸向彈性，可以降低離合器主從動部分接觸時產生的沖擊力，延長離合器的使用壽命。
圖6 單對波形彈簧片實體結構模型
3.2 有限元模型的建立
將上述單對波形彈簧片實體結構模型以*.stp格式導人有限元軟件Abaqus進行仿真分析，為防止模型在轉換中出現數據丟失或模型失真的情況，先分別將每個片的模型導入PROE，進行裝配后再導入有限元進行分析。
本文所研究波形彈簧片的材料為65Mn，其材料屬性如表1所示。
表1 波形彈簧片的材料屬性
對模型進行有限元網格劃分，如圖7所示。結合波形彈簧片的實際受力情況，對模型施加載荷和約束如下：平面1和2定義為剛性平面，分別模擬與波形彈簧片相接觸的兩側摩擦片，并用面面接觸來模擬結合階段波形彈簧的軸向壓縮。其中，剛性平面2各方向固定，為從動面，而剛性平面1為主動面，通過控制其軸向移動來壓縮波形彈簧片。另外，由于載荷位移特性只取決于波形區域，故可將波形彈簧片與從動盤體相接的中間鉚釘孔處完全固定。本文中模型波高取為0.8mm，故當一對波形彈簧片完全被壓平時，最大位移量約為1.6mm。
圖7 波形彈簧片壓縮特性有限元分析模型
3.3 有限元仿真結果分析
3.3.1 扭矩一位移特性仿真分析
根據圖2中所設計的干式離合器從動盤結構，相關測量參數如表2所示。
基于上述有限元模型，對波形彈簧片的載荷位移特性進行仿真分析。由于在加載過程中，隨著波形彈簧片結構的變形，接觸點不斷變化，屬于非線性問題。故在采用位移加載時，應設定足夠小的位移加載步長進行求解。波形彈簧片軸向載荷一位移特性曲線Ffc(u)有限元仿真結果如圖8所示。
由圖8可以看出，根據仿真分析得到的波形彈簧片軸向載荷與壓縮位移呈非線性關系，說明離合器結合過程呈現非線性動態工作特性，根據公式(2)和(3)及圖5變量之間的關系，經計算擬合得出離合器摩擦扭矩與結合位移關系曲線如圖9所示。
表2 離合器相關參數
圖8 波形彈簧片載荷一位移曲線關系圖
圖9 離合器傳遞轉矩與結合位移關系曲線
從圖9中曲線可以看出，隨著分離軸承位移的增加，離合器傳遞的扭矩具有增大的趨勢，且傳遞扭矩的增長率也逐漸增大，當達到分離軸承位移最大值時，離合器傳遞扭矩保持相對穩定，但此時最大扭矩不超過離合器所能傳遞的最大靜摩擦力矩。
此仿真分析結果，對于精確控制離合器接合位移量與壓緊力，進而控制離合器傳遞扭矩的大小及扭矩的增長速度提供了理論依據，為有效改善干式離合器的控制性能提供了參考。
3.3.2 載荷一溫度特性仿真分析
為保證波形彈簧片結構形狀的熱穩定性，防止受熱翹曲變形造成摩擦片壓力不勻而磨損嚴重，有必要對波形彈簧片在不同溫度影響下的載荷位移曲線變化情況進行研究。為此，本文針對三種不同壓縮程度(0.8mm，1.0mm，1.2mm)下所對應的波形彈簧片載荷隨溫度變化情況進行了仿真分析，以探究其變化規律，結果如圖10所示。
圖10 波形彈簧片載荷一溫度變化關系圖
結果表明，在任一給定位移條件下，波形彈簧片的載荷隨溫度成線性變化，且溫度升高，載荷相應降低；而在同種溫度下，波形彈簧片的載荷與壓縮量之間呈非線性變化。這一結果與圖8分析相一致，證明了仿真結果的正確性。
4 結論
本文對干式離合器從動盤中的一個關鍵沖壓零件波形彈簧片進行了研究。在對波形彈簧片三維建模基礎上，通過對其受位移載荷時的有限元仿真分析，得到了離合器結合過程中波形彈簧片載荷一位移特性曲線，并進一步研究了其對離合器扭矩傳遞特性的影響。經過仿真計算與實際試驗結果對比，表明該模型能夠比較準確模擬離合器動態接合過程的扭矩位移變化特性。此外，文中還對溫度對波形彈簧片特性的影響進行了研究，所得研究結果試圖為提高干式離合器從動盤性能，實現離合器摩擦扭矩的精準控制以及提高傳動效率提供理論依據，同時對波形彈簧片所受熱應力和熱變形的進一步研究具有十分重要的實際意義。
