汽车离合器踏板构件的有限元分析与优化

 宋洋勇1，张瑞乾1,2，赵建中1，陈  勇1，2

 （1．北京信息科技大学机电工程学院，北京  100192;2．北京高校协同创新中心，北京  100192）

摘要：为验证某款新开发的离合器踏板的可靠性，建立了离合器踏板构件的有限元模型，按照法规对踏板构件的性能参数要求，利用Hyper Mesh软件对其进行侧向位移、刚度和强度的仿真计算。仿真结果表明踏板的刚度值不能满足法规要求，最大应力超过了材料的屈服强度。提出了材料改进和结构优化方案，并对改进后材料和结构优化后的离合器踏板进行仿真验证，结果表明其满足了法规和实际工况的需求。

关键词：离合器；有限元分析；优化改进；强度分析；踏板

中图分类号：TP391.7：U463. 211

0  引言

 离合器踏板是汽车离合器总成中的主要操纵部件之一，操作人员通过对踏板中心点施加一定载荷，带动踏板一端向下移动，并与离合器其他主从动部件、压紧部件协同工作来实现离合器摩擦片与发动机飞轮的分离，从而切断发动机和传动系统的力矩传递。若卸载踏板载荷，踏板逐渐恢复原位，可以正常传递发动机的力矩至传动系统。由此看出踏板是保证驾驶人员平顺挂档、汽车平稳正常起步、防止传动系统过载的重要装置之一。踏板的设计是否合理、踏板本身的强度和刚度是否满足不同工况下的需求都直接影响着整个离合器总成的工作性能。

 目前国内学者对离合器踏板的研究主要侧重于解决踏板抖动频率过大和如何提高踏板操纵舒适性等方面，对踏板本身的结构材料优化的研究并不多。本文采用有限元分析软件Hyper Mesh对踏板在不同载荷下产生的侧向位移、应力应变进行了仿真分析。

1  建立离合器踏板构件的有限元模型

1.1  有限元网格的划分

 将建立好的三维数据导人到专业、高效的前后处理有限元软件Hyper Mesh中，首先对导入的几何模型进行前处理，查看有无缺失面、重复面等，并做相应的填补、删除。为了保证网格单元有较高的精度，忽略孔径小于Ф2 mm的安装孔、支架弹簧等小构件。设置网格基本尺寸为5 mm，离合器踏板臂、离合器壳体、离合器支座、离合器连接板采用实体单元进行网格划分，其余零件采用壳单元划分，螺栓连接选用RBE2。离合器踏板臂和其他冲压件结构采用材料DC01，弹性模量为210 000 M Pa，泊松比为0.3，密度为7.85×10-3 g／mm3，屈服强度为192 M Pa。离合器踏板网格划分如图1所示，网格数目共计58 287个。

1.2设置边界条件

 离合器总成支座通过两侧螺栓与前地板钣金件进行固定连接，在踏板上下移动时，必须保证离合器支座固定不动。离合器踏板又通过插销与离合器壳体连接固定，在踩动踏板时，离合器踏板臂会以插销为轴进行小范围的转动，因此离合器支座和离合器臂上的安装孔中心点是定义约束点，所以保证这3个固定点在X、Y、Z三个方向的平动和旋转自由度都为0。选定踏板中心点为施加载荷点，在不同工况下施加不同的载荷值，最后用ABA ous求解。

 为了更好地反映材料的实际受力情况，通常采用式(1)的第四强度理论公式评价材料的强度，即：

2  离合器踏板的仿真分析

 GB/T 5728《汽车踏板装置性能要求及台架试验方法》要求：驾驶员用脚操纵的控制机构，即踏板装置外观保持光洁，无裂纹、划痕等缺陷，在整个工作过程中要保持动作灵活、无异响；踏板装置强度在规定的法向力P-800 N作用下，并无损坏裂纹现象；在测试踏板的侧向位移时，要在踏板的几何中心点施加y轴正、负方向大小为50 N的载荷，需满足踏板的侧向位移小于等于4.0mm;踏板刚度在法向施加300 N的载荷作用下，踏板的纵向位移小于等于5.0 mm。为了验证该踏板是否满足国标各项要求，在该仿真实验中设置了常规典型工况1～3和极限工况4。在踏板中心点施加载荷，约束3个固定点的自由度为0，得到的VonMises应力云图和等效位移云图如图2～图5所示。

 由图4可知，在典型工况3下踏板的侧向位移远高于法规标准，则对应的刚度存在明显不足。由图5可知，极限工况4下，踏板的最大应力值为293.1M Pa，也远大于材料屈服强度值，极易出现踏板折断、裂纹的现象。按照踏板总成技术和标准要求，踏板材料本身的刚度值和屈服强度值不能满足实际工况需求时，要提出改进方案。

3  离合器踏板的优化

3.1材料优化

 该车型的离合器踏板是用冷轧钢板DC01冲压而成，其屈服强度值为192 M Pa，低于极限工况4下的最大应力值，不符合实车需求。综合考虑材料成本、模具开发成本、冲压成形难易程度等因素，建议把材料改为屈服强度值为345 M Pa的普通碳素钢Q345。

3.2  结构优化

 离合器踏板臂可以简化成一端固定，在另一端施加载荷的悬臂梁结构，其中踏板臂连接板起到支撑加固的作用，如图6所示。

 设踏板臂连接板距离固定端的距离为a，踏板臂的长度为L，截面的弯曲刚度为EI（E为弹性模量，I为截面矩），悬臂梁最末端施加的载荷为F，踏板臂连接板提供的支撑力为FR，则根据梁变形表并利用叠加法得悬臂梁最末端的挠度为：

 由式(2)可知，随着a的增大，ωB变小，即踏板中心点的等效位移减小，整体刚度会增大。在保证踏板自由行程的条件下，把踏板臂连接板沿踏板中心点的方向移动5 mm，同时为了保证踏板臂连接件和踏板支座有足够的接触面积，防止两者有滑脱的风险，把离合器臂连接件与踏板支座接触的台阶面沿连接板移动的方向延伸扩大5 mm。由于各工况下的最大应力值通常会出现在踏板支座上，把离合器踏板支座和离合器踏板连接板的料厚由原始的1.5 mm改为2．0 mm。

3.3优化后的仿真分析

 优化后的踏板材料为Q345，其弹性模量值为206 000 M Pa，泊松比为0.28，密度为7.85×10-3 g/mm3，屈服强度为345 M Pa。按照优化方案，在CATIA软件中对数据模型进行更改，把修改后的数模重新导入Hype Mesh，设置与优化前相同的单元类型与参数，重新划分网格，在踏板几何中心点施加与改进前相同的约束和载荷。得到的踏板中心点的应力、等效位移云图如图7～图10所示。

 由图7～图10可知，典型工况1和2的纵向位移值分别为2. 874 mm和-2.684 mm，没有超过法规规定的4 mm，侧向位移达到标准；典型工况3的纵向位移为4. 502 mm，低于法规标准的5 mm，说明刚度值达到标准值，可以满足实车需要；在极限工况4下的最大应力值出现在安装螺栓区域，其值为360.3 M Pa，略高于材料的屈服强度值，由于离合器支座上的螺栓附近区域加载了约束，计算出的数值会高于实际真实值，评价标准可适当放宽，参考非螺栓区域的应力分布，最大应力值点出现在离合器臂连接板上，其值为295.3M Pa，低于材料的屈服强度值345 M Pa，故判定其符合设计要求。

4结论

 结合离合器踏板构件在实车工况下的受力情况，采用高效、专业的有限元分析软件Hyper Mesh对离合器踏板进行静态应力分析。分析结果表明：①优化前后踏板的侧向位移都能满足标准要求，在正向设计过程中较易达到设计要求；②经过优化后，踏板在极限工况下的最大应力低于材料的屈服强度，整体刚度值提高了50%，很好地满足了标准要求。此分析数据可以很好地反映该踏板的实际力学特性，计算结果可靠，具有一定的指导作用和实际意义，可以为后续的优化设计提供有力的支持。