摘要: 离合器是车辆传动系统中一个重要的组成部分，而压盘是离合器中的关键零件。本文首先针对离合器接合过程中，压盘受到摩擦片持续摩擦作用下发生的产生的热变形问题，利用ANSYS仿真软件建立了离合器压盘的三维模型，并采用热结构耦合分析，得到了温度场数值模拟结果，同时研究了压盘厚度对压盘热变形的影响。结果表明：加大压盘厚度能够改善压盘的热传导，从而减小热变形。因此本文通过压盘质量分布的改进，改善了压盘表面的热变形，使最大变形量下降了6.7%。其次考虑到压盘的实际工况，通过模态分析进一步研究了其振动性能，并通过结构优化，使其具有更稳定的动态性能。本文的研究对提高压盘使用寿命、改善其工作性能等方面具有可行性和有效性。
Abstract:
The clutch is an important component of a vehicle’s transmission system, and the pressure plate is one key part in the clutch. In this paper, in view of the thermal deformation of the pressure plate under the continuous friction of the friction plate during the clutch engagement, the three-dimensional model of the clutch pressure plate was established by ANSYS simulation software, and the numerical simulation results of the temperature field were obtained through using thermal structure coupling analysis, and the influence of the thickness on the thermal deformation of the pressure plate was studied. The results show that increasing the thickness of the platen can improve the heat conduction of the platen and reduce the thermal deformation. Therefore, the thermal deformation of the pressure plate surface is improved through changing the mass distribution of the platen, and the maximum deformation is reduced by 6.7%. Secondly, considering the actual working condition of the pressure plate, the vibration performance of the pressure plate is further studied through modal analysis, and the dynamic performance is more stable through structural optimization. The research in this paper is feasible and effective in improving the service life and working performance of the pressure platen.
1. 引言
压盘是车辆离合器中的关键零件，它通过与摩擦片的共同工作，将来自发动机的动力传递给变速器，从而能够平稳地完成车辆行驶过程中的启停、换档等操作。离合器压盘设计的改进，对提高整个车辆传动系统的动力传递效率、工作寿命等方面具有深远意义。程林 [1] 在其研究中指出，随着现代化工业的发展，离合器压盘结构设计的改进对车辆传动系统的意义越来越重要，尤其是需要改善高温对于压盘热变形等方面的影响。李海涛 [2] 指出压盘裂纹断裂是压盘的主要失效形式，在结构设计过程中应当考虑到压盘实际工况的高温高载问题。针对此问题，朱茂桃 [3] 基于有限元软件ABAQUS系统地研究了摩擦片转动速度、摩擦片接触压力等因素对压盘温度场及的影响，并且通过增加摩擦面内锥度的结构改进，改善了压盘表面的热量分布，在一定程度上延长了压盘的使用寿命。龚雨兵 [4] 则推导出了持续摩擦过程中压盘表面与摩擦片的热流密度函数表达式，研究了离合器压盘冷却过程中产生内凹变形的原因，结果显示离合器压盘的内凹变形是由于冷却过程中，压盘内部存在温差导致的，并且摩擦表面的温度最高值对内凹变形的影响最明显。陈浩 [5] 通过搭建离合器工作环境的试验平台，对比分析了压盘温度场的测试结果与有限元数值模拟结果，分析了压盘上下缘半径对于热变形的影响，改进了机械结构并通过试验验证了其有效性。周杰 [6] 考虑到摩擦面的热效应，研究了压盘热变形对于噪声的影响，并通过有限元仿真软件ANSYS验证了热变形的增大会导致噪声频率增加的研究结论。王超 [7] 基于有限元仿真软件ANSYS模拟了离合器的极限爬行工况，提出了离合器压盘的上凸部分同样对离合器瞬态温度场有一定影响，并且改进了离合器压盘的上凸部分结构设计，并且通过试验验证了其改进方案的有效性。万里翔 [8] 在对离合器压盘的三维建模过程中，考虑到了摩擦表面系数随转速的影响，通过数值模拟计算了压盘表面的温度值分布，并通过试验证明了其准确性。龙美元 [9] 提出选取比热容及密度更大的压盘材料，可以提高压盘的表面导热性能，一定程度上延长了压盘的寿命，并且提高了其工作性能。李凯 [10] 在其研究中指出，通过改善离合器压盘“凸耳”处的结构设计，可以降低温度集中的问题，从而提高压盘的性能。以上学者的研究涵盖了离合器压盘的设计与优化，有限元数值模拟与试验的对比分析，为离合器压盘的改进提供了一定的理论与实践支持，具有一定的深远意义。
本文基于上述学者，通过有限元软件ANSYS完成了压盘的三维建模，并选用热结构耦合分析，来研究压盘厚度的改变对压盘热变形的影响。同时，通过模态分析，研究了压盘在高温高载工况下的动态性能。最终提出通过质量分布的结构优化，能够改善压盘的热变形程度及振动特性，并通过数值模拟的结果验证了结论的准确性，本文研究对提高压盘的使用寿命、改善压盘的工作性能方面具有一定可行性及有效性。
2. 有限元模型建立及网格划分
模型建立
本文采用的有限元软件为ANSYS Workbench，为保证分析的准确性，选择三维实体结构单元(Solid)完成建模，压盘模型的简化如图1。材料选取为HT200，其材料属性如表1所示。
Figure 1. Schematic diagram of simplified model of clutch pressure plate
图1. 离合器压盘简化模型示意图
压盘的网格模型示意图如图2所示。在实际工作时，压盘通过三个凸耳上的螺栓连接被安装在离合器的内部，因此需要在凸耳位置限制其五个自由度。为提高计算速率，因此网格单元选择四边形单元，网格划分参数如表2所示。
Figure 2. Schematic diagram of mesh delineation for pressure plate
图2. 压盘网格划分模型示意图
3. 有限元仿真分析
3.1. 温度场分布
根据离合器压盘的实际工况，假定压盘初始温度为室温25摄氏度，在与摩擦片的滑动摩擦接触后达到200摄氏度，在此过程中压盘凸台受到弹簧膜片垂直方向上的压力，数值在0.2 s内从0 MPA线性增加到1 MPA，随后保持不变。压盘在受到热–固的耦合影响下，引起的热变形结果图如图3所示。
由图3可知，由于压盘本身的结构特性，使得其在高温工况下的热变形具有一定的对称性。热变形最小的区域分布在各个凸耳的附近，并且颜色用蓝色表示，随着不断远离凸耳附近，热变形的量开始逐渐增大，颜色发生变化。而热变形最大的区域分布在三对凸耳中间，并且靠近压盘的外缘处，颜色用红色表示。其中最大变形量达到了0.30147 mm，高变形区域可能会由于压盘的反复工作导致材料疲劳产生裂纹失效，因此在压盘的设计改进过程中应当考虑热变形分布特点，通过增厚压盘等其他方式来提高热传导性能，能够减少热变形数值，从而延长压盘的使用寿命、提高其工作性能。
Figure 3. Deformation of pressure plate under thermo-solid interaction
图3. 压盘受到热固耦合作用后的热变形
3.2. 模态分析
模态分析动力学分析中重要的组成部分，基于模态分析可以得出结构的频率、振型等结果，根据模态分析结果的部件结构优化，可以进一步改善部件的动态性能，同时避免发生共振，提高部件的工作可靠性。
基于ANSYS对压盘进行模态分析，分别计算得到其4阶、8阶、12阶、16阶和20阶的模态分析结果如图4所示。其中各阶模态的频率值如表3所示。
由图4可知，随着阶次的增加，压盘的频率由四阶的3050.6 Hz升至20阶的8781.1 Hz。并且从变形分布来看，4阶模态的最大变形分布在一对凸耳的中间的红色区域，范围较大。随着模态阶次的不断增加，最大变形区域不断缩小集中，成为某几个较小的区域。这些变形集中的区域影响着部件的工作性能，是后续机械结构优化的重点。
3.3. 结构优化
压盘受到热固耦合作用后，产生了三个高变形区域，这些区域的材料会随着压盘工作时间的增加发生疲劳失效。同时，通过对压盘的模态分析，可知随着压盘频率的上升，变形区域将会不断集中，从而可能导致这些区域材料的损伤。因此本文针对压盘的热变形及动态性能两方面，对压盘部件进行结构优化，从而提高其工作性能。
Figure 4. Resluts of modal analysis for pressure plate
图4. 压盘模态分析结果
优化后的压盘有限元模型透视图如图5所示，通过将压盘厚度从5 mm加厚至8 mm，可以提高其热容量，使得压盘能够吸收并存储更多的热量，同时减慢温度的上升，从而缓解摩擦热量对离合器性能的影响，提高离合器在高负荷条件下的稳定性。考虑到增加压盘厚度会导致质量上升，影响到压盘的动态性能，因此选择去除了部分非变形集中区域的材料。
Figure 5. Perspective view of the optimized pressure plate model
图5. 优化后的压盘模型透视图
Figure 6. Deformation of optimized pressure plate under thermo-solid interaction
图6. 优化后压盘受到热固耦合作用后的热变形
采用相同条件，对该模型进行热固耦合分析，以验证结构优化对压盘热变形的影响，结果如图6所示，可以看到热变形量最大值由0.30147 mm降低至0.28059 mm，数值减少了6.67%，并且高变形区域对比优
Figure 7. Modal analysis results of the optimized pressure plate
图7. 优化后压盘模态分析结果
化前的结果有着明显的减小。优化后的变形分布更加均匀，结果图中由蓝色(低变形)到红色(高变形)的过渡更加平滑。这是由于压盘厚度的增加，从而改善了压盘的热导性，使其在与摩擦片摩擦的过程中，温度上升缓慢，减少压盘内部的温度差。压盘的结构优化符合工程要求，同时没有显著地增加压盘质量，在一定程度上平衡了成本与效益的关系。
采用相同条件对优化后的压盘进行模态分析，计算得到4阶、8阶、12阶、16阶和20阶的结果如图7所示。各阶的频率值如表4所示。
对比优化前的模态分析结果可以看出，在整体上，优化后的模态频率普遍高于优化前的结果，这表明，通过对压盘的结构优化，其本身的刚度得到提升，并且提高固有频率能够避免共振的发生，在一定程度上保证了压盘工作的稳定性。同时，在阶数提高的过程中，优化后压盘的频率变化更加明显，表明高阶模态对结构的优化更加敏感。并且变形量也对应地有所下降，高变形量的分布也更为均匀，而不是分布在几片小范围内。因此该优化满足压盘的实际工作条件，并且有助于提高其可靠性。
4. 结论
本文将离合器的压盘作为研究对象，基于ANSYS Workbench建立了压盘的三维模型，并按照实际工况对压盘的温度场及模态完成了优化分析。研究发现，优化前的压盘在受到热固耦合作用下产生的大变形主要分布在压盘的三对凸耳中间，并且靠近压盘的外缘处，最大变形量达到了0.30147 mm，这些大变形区域可能由于压盘的反复工作而疲劳失效引发断裂。同时在对压盘的模态分析研究发现，随着模态阶次的不断增加，压盘最大变形区域不断缩小集中，成为某几个较小的区域。因此在不显著提升质量的前提下，去除部分非变形集中区域的材料，通过调整结构的质量分布，改善了压盘的热导性能，降低了热变形的数值，同时也优化了压盘在动态工作下的性能。本文的研究对延长压盘使用寿命以及提高其工作性能具有一定的实际应用价值。