龔雨兵 張德峰 潘順英

1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，桂林,5410042.桂林福達(dá)股份有限公司，桂林,541199

?

冷強(qiáng)壓工藝對(duì)膜片彈簧負(fù)荷特性的影響

龔雨兵1張德峰1潘順英2

1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，桂林,5410042.桂林福達(dá)股份有限公司，桂林,541199

通過有限元法仿真，研究了強(qiáng)壓次數(shù)及強(qiáng)壓行程對(duì)膜片彈簧彈力值衰減的影響規(guī)律；分析比較了強(qiáng)壓工藝的兩種主要影響機(jī)理。研究結(jié)果從理論上表明，第一次強(qiáng)壓對(duì)膜片彈簧承載力衰減影響最大；強(qiáng)壓行程增大，承載力衰減加大；強(qiáng)壓行程的影響大于強(qiáng)壓次數(shù)的影響。造成膜片彈簧承載力衰減的主要原因是由強(qiáng)壓工藝引起的膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變以及殘余應(yīng)力效應(yīng)。

膜片彈簧；強(qiáng)壓處理；負(fù)荷特性；殘余應(yīng)力

0 引言

膜片彈簧離合器廣泛應(yīng)用于各種車型,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、散熱和高速性能好、轉(zhuǎn)矩容量較大且穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、踏板操作輕便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。膜片彈簧是膜片彈簧離合器的關(guān)鍵部件， 對(duì)離合器總成的工作性能有決定性影響。膜片彈簧在使用初期易出現(xiàn)壓緊力衰減現(xiàn)象，是急需解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。為減少或避免這種衰減，常在膜片彈簧生產(chǎn)過程中對(duì)膜片彈簧進(jìn)行強(qiáng)壓處理。所謂強(qiáng)壓處理，一般是指沿膜片彈簧分離狀態(tài)的工作方向，在超過徹底分離點(diǎn)后繼續(xù)施加過量的位移，使其過分離3～8次。強(qiáng)壓過程在常溫下進(jìn)行稱為冷強(qiáng)壓，在高溫下進(jìn)行稱為熱強(qiáng)壓。

文獻(xiàn)[2]通過理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)合方式研究了冷強(qiáng)壓中通過改變膜片彈簧的殘余應(yīng)力以及穩(wěn)定使用中的工作尺寸來提高其壓緊力/承載力。文獻(xiàn)[3-4]主要通過試驗(yàn)的方法研究了冷強(qiáng)壓對(duì)膜片彈簧變形特性/負(fù)荷特性的影響。文獻(xiàn)[5]通過解析法提出冷強(qiáng)壓時(shí)，膜片彈簧大端變形須超過其谷點(diǎn)0.5～1.0 mm，在該強(qiáng)壓行程下，強(qiáng)壓三次后其承載力將穩(wěn)定，并通過試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。但在上述研究中尚未完全揭示強(qiáng)壓工藝參數(shù)(強(qiáng)壓次數(shù)與行程)對(duì)膜片彈簧變形特性的具體影響規(guī)律。

此外，冷強(qiáng)壓對(duì)膜片彈簧負(fù)荷特性的影響機(jī)理一般認(rèn)為與幾何參數(shù)改變和殘余應(yīng)力有關(guān)[4]。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為噴丸工藝引入的殘余應(yīng)力對(duì)膜片彈簧承載力有重要影響。文獻(xiàn)[7]指出在膜片彈簧工作時(shí)，殘余應(yīng)力成為總應(yīng)力的一部分，使材料抵抗變形的能力發(fā)生改變，致使材料特性發(fā)生變化。但是在強(qiáng)壓工藝中，占主導(dǎo)性的影響機(jī)理尚不清楚。因此，本文通過數(shù)值仿真的方法，研究了強(qiáng)壓次數(shù)和行程對(duì)膜片彈簧變形特性的影響規(guī)律，并具體分析揭示了兩種強(qiáng)壓工藝影響機(jī)理的各自影響程度。

1 有限元建模

1.1 有限元模型

實(shí)驗(yàn)選用某公司配套離合器壓盤外徑尺寸為430 mm的膜片彈簧，該膜片彈簧外直徑為395 mm，內(nèi)直徑為308 mm，內(nèi)支撐環(huán)直徑為336 mm，與壓盤接觸的齒頂位置直徑為391 mm，膜片彈簧共計(jì)有24個(gè)分離指。所用材料為51CrV4，材料模型是雙線性等向強(qiáng)化材料模型，材料參數(shù)如表1所示。為提高計(jì)算效率、節(jié)省計(jì)算時(shí)間，利用膜片彈簧的對(duì)稱性，取膜片彈簧的1/24，即一個(gè)分離指為計(jì)算對(duì)象。設(shè)置網(wǎng)格單元大小為2 mm并劃分網(wǎng)格。劃分后模型的單元總個(gè)數(shù)為8884，節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為24 361。如圖1所示。

表1 材料參數(shù)

圖1 膜片彈簧有限元模型Fig.1 The finite element model of diaphragm spring

1.2 載荷

膜片彈簧加工工藝中，其強(qiáng)壓工序和負(fù)荷特性測(cè)試工序是不同的兩道工序。在強(qiáng)壓工藝實(shí)際測(cè)量過程中，膜片彈簧凸面向上放置于承載臺(tái)上，上沖頭自上而下與膜片彈簧支承環(huán)位置接觸并施加預(yù)定的強(qiáng)壓行程和強(qiáng)壓次數(shù)。在負(fù)荷特性測(cè)試中，膜片彈簧凹面向上放置于承載臺(tái)上，凹面與承載臺(tái)外緣在支承環(huán)位置接觸；上沖頭自上而下與膜片彈簧外緣接觸并施加預(yù)定的變形位移。

根據(jù)強(qiáng)壓過程受力特性，在強(qiáng)壓過程中膜片彈簧齒頂位置施加零位移約束，在支承環(huán)位置施加強(qiáng)壓位移載荷。根據(jù)負(fù)荷特性測(cè)試過程中的受力特性，測(cè)試負(fù)荷特性的過程中支承環(huán)位置為零位移約束，對(duì)齒頂位置施加位移約束。

強(qiáng)壓過程中模型所受約束如圖2所示，其中A為支承環(huán)位置，B為齒頂位置。在對(duì)稱面施加了對(duì)稱約束(限制對(duì)稱面法向位移)，圖中C即代表該位移約束。在膜片彈簧與壓盤齒頂接觸位置(圖中位置B)，施加了限制Y方向的位移約束。

(a)位移約束(正面)

(b)位移約束 (背面)圖2 位移約束Fig.2 Displacement constraints of diaphragm spring

1.3 求解

膜片彈簧在強(qiáng)壓工序和負(fù)荷特性曲線的測(cè)量工序中發(fā)生了大變形，具有幾何非線性，故在有限元求解設(shè)置中打開大變形非線性選項(xiàng)，求解過程中采用自動(dòng)時(shí)間子步進(jìn)行離散化。

1.4 模型驗(yàn)證

基于有限元法及A-L法[1]計(jì)算的膜片彈簧負(fù)荷特性曲線如圖3所示，特性曲線中若干不同位置處的受力如表2所示。A-L法計(jì)算公式如下：

k1=(R-r)/(L-l)

式中，R為膜片彈簧外半徑；r為碟簧部分內(nèi)半徑；h為碟簧部分內(nèi)截錐高度；t為膜片彈簧厚度；L為外支承半徑；l為內(nèi)支承半徑；k1為力臂比；λ1為大端變形量；E為彈性模量；μ為泊松比；F1為大端載荷。

從圖3及表2可以看出，有限元法(FEM)與A-L法兩者計(jì)算結(jié)果在趨勢(shì)上相互吻合。最大相對(duì)誤差約10.9%，出現(xiàn)在凹點(diǎn)(λ=8.5 mm)附近，并且A-L法凹點(diǎn)力值大于有限元法凹點(diǎn)力值(根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]，A-L法中凹點(diǎn)力值存在預(yù)測(cè)過大的問題，常大于實(shí)測(cè)值)；由此驗(yàn)證了有限元法模型的有效性。

圖3 基于有限元法及A-L法的膜片彈簧負(fù)荷特性曲線Fig.3 The loading-deflection characteristics of diaphragm spring by FEM and A-L analytical methods

表2 基于有限元法及A-L法的膜片彈簧負(fù)荷特性值

注：e=|kF-kA|/kA

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)壓次數(shù)對(duì)負(fù)荷特性的影響

以8 mm為強(qiáng)壓行程，對(duì)膜片彈簧進(jìn)行強(qiáng)壓工藝仿真。強(qiáng)壓前與強(qiáng)壓1～7次后的膜片彈簧的載荷-變形特性曲線(進(jìn)程)如圖4所示，特性曲線峰值、谷值如表3所示。

從圖4和表3可以看出，隨著強(qiáng)壓次數(shù)的增加，膜片彈簧的負(fù)荷特性曲線整體降低，曲線峰值下降明顯，谷值下降不明顯。第1次強(qiáng)壓對(duì)特性曲線峰值、谷值的影響最大，經(jīng)過3次強(qiáng)壓后，膜片彈簧負(fù)荷特性峰值及谷值趨于穩(wěn)定，與文獻(xiàn)[5]中試驗(yàn)情況相符合。文獻(xiàn)[5]對(duì)某型號(hào)膜片彈簧進(jìn)行1～5次強(qiáng)壓處理試驗(yàn)，膜片彈簧的特性曲線峰值如表4所示。由表4可以看出，試驗(yàn)?zāi)て瑥椈稍趶?qiáng)壓3次后，特性曲線峰值基本穩(wěn)定。

圖4 不同強(qiáng)壓次數(shù)時(shí)膜片彈簧的載荷-變形特性曲線Fig.4 The loading-deflection characteristics of diaphragm spring with different number of stroke

表3 不同強(qiáng)壓次數(shù)時(shí)膜片彈簧峰谷值壓緊力

表4 文獻(xiàn)[6]某型號(hào)膜片彈簧峰值壓緊力(試驗(yàn))

2.2 強(qiáng)壓行程對(duì)負(fù)荷特性曲線的影響

更改強(qiáng)壓行程S為7 mm、9 mm、10 mm、11 mm，對(duì)膜片彈簧進(jìn)行1～6次強(qiáng)壓。不同強(qiáng)壓行程下，強(qiáng)壓1次后的膜片彈簧的載荷-變形特性曲線(進(jìn)程)如圖5所示。不同強(qiáng)壓行程強(qiáng)壓1～6次的特性曲線峰值、谷值如表5所示。從圖5可以看出，隨著強(qiáng)壓行程的增大，膜片彈簧的特性曲線整體下降，特性曲線峰值、谷值均降低，但谷值下降幅度遠(yuǎn)低于峰值。強(qiáng)壓行程越大，特性曲線峰值下降越明顯,谷值下降則較平緩。由表5比較強(qiáng)壓行程與強(qiáng)壓次數(shù)對(duì)膜片彈簧載荷-變形特性曲線峰值的影響可以看出，強(qiáng)壓行程的影響遠(yuǎn)大于強(qiáng)壓次數(shù)的影響。

圖5 不同強(qiáng)壓行程時(shí)膜片彈簧載荷-變形特性曲線Fig.5 The loading-deflection characteristics of diaphragm spring with different stroke

2.3 機(jī)理分析

如前所述，強(qiáng)壓工藝對(duì)膜片彈簧負(fù)荷特性的影響機(jī)理主要有2種：①改變膜片彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)(表現(xiàn)為殘余變形)；②引入殘余應(yīng)力繼而影響膜片結(jié)構(gòu)剛度(表現(xiàn)為殘余應(yīng)力)。但是，在強(qiáng)壓工藝中，兩種影響機(jī)理的相對(duì)影響程度尚不清楚。

以8 mm強(qiáng)壓行程為例，膜片彈簧在進(jìn)行一次強(qiáng)壓后的變形場(chǎng)如圖6所示，等效塑性變形如圖7所示，等效殘余應(yīng)力如圖8所示。

表5 不同強(qiáng)壓行程時(shí)峰谷值壓緊力

注：“/”前為峰值(N)；“/”后為谷值(N)。

圖6 軸向(Y軸)變形云圖Fig.6 The directional deformation distribution in Y axis direction

圖7 塑性變形云圖Fig.7 The equivalent plastic strain distribution

進(jìn)一步對(duì)膜片彈簧進(jìn)行2～7次強(qiáng)壓并分析強(qiáng)壓后的最大等效殘余應(yīng)力、最大等效殘余應(yīng)變等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)如表6所示。由圖6～圖8可以看出，在強(qiáng)壓過程結(jié)束后，膜片彈簧橫截面 Ⅰ 點(diǎn)附近產(chǎn)生了殘余應(yīng)變與殘余應(yīng)力，并且產(chǎn)生了殘余塑性變形；膜片彈簧整體幾何參數(shù)發(fā)生了變化。

圖8 殘余應(yīng)力云圖Fig.8 The residual stress distribution

表6 強(qiáng)壓次數(shù)不同時(shí)膜片彈簧塑性應(yīng)變、殘余應(yīng)力

從表6可以看出，最大等效殘余應(yīng)力和最大等效殘余應(yīng)變?cè)诘谝淮螐?qiáng)壓時(shí)增長(zhǎng)明顯，在一次強(qiáng)壓后，隨強(qiáng)壓次數(shù)的增加而逐步增大，但增大幅度明顯放緩。同時(shí)由表3可知，膜片彈簧負(fù)荷特性曲線峰值在第一次強(qiáng)壓時(shí)，峰值下降明顯，在一次強(qiáng)壓之后，特性曲線峰值隨強(qiáng)壓次數(shù)的增加而逐步減小，但減小幅度明顯放緩。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)壓過程中，膜片彈簧的最大等效殘余應(yīng)力和最大等效殘余應(yīng)變隨強(qiáng)壓次數(shù)的變化規(guī)律與膜片彈簧特性曲線峰值隨強(qiáng)壓次數(shù)的變化規(guī)律具有明顯的相似性。這證實(shí)了強(qiáng)壓工藝確實(shí)引入了殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變，從而影響了膜片彈簧負(fù)荷特性，與前述兩種機(jī)理相符。特別指出的是，從圖6可以看出，膜片彈簧分離指部分產(chǎn)生-0.62 mm的軸向殘余變形，外圓部分產(chǎn)生0.42 mm的軸向殘余變形，這意味著強(qiáng)壓后膜片內(nèi)錐角減小(內(nèi)錐高度降低)。由A-L法計(jì)算可知，膜片彈簧負(fù)荷特性曲線將會(huì)發(fā)生變化。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，膜片彈簧的內(nèi)錐高度對(duì)負(fù)荷特性峰值影響較大，對(duì)谷值影響較小。從圖4、圖5可以看出，強(qiáng)壓過程中膜片彈簧負(fù)荷特性的峰值變化大、谷值變化小。兩者相應(yīng)對(duì)照，說明強(qiáng)壓過程導(dǎo)致了膜片彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變(表現(xiàn)為內(nèi)錐高度降低)。

為進(jìn)一步弄清前述兩種機(jī)理的影響程度，本文提取膜片彈簧一次強(qiáng)壓后的變形結(jié)構(gòu)但不考慮強(qiáng)壓殘余應(yīng)力(即對(duì)應(yīng)第一種機(jī)理)，分析其負(fù)荷特性情況，并與原一次強(qiáng)壓后膜片彈簧負(fù)荷特性進(jìn)行對(duì)比(相當(dāng)于同時(shí)考慮了第一種機(jī)理和第二種機(jī)理)。強(qiáng)壓工序執(zhí)行前、執(zhí)行一次強(qiáng)壓工序后和僅改變結(jié)構(gòu)參數(shù)三種狀態(tài)下，膜片彈簧載荷-變形特性曲線的峰值分別為39 657 N,37 053 N,37 966 N，如圖9所示?？梢缘贸?，膜片彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)強(qiáng)壓效果(承載力衰減)的相對(duì)影響達(dá)到64.9%，影響較大；殘余應(yīng)力效應(yīng)等其他因素占35.1%。因此，強(qiáng)壓工藝中膜片彈簧承載力的衰減主要是由塑性變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變?cè)斐傻模挥蓺堄鄳?yīng)力導(dǎo)致的膜片彈簧承載力衰減影響相對(duì)較小。殘余應(yīng)力影響較小的原因是強(qiáng)壓后僅膜片彈簧橫截面Ⅰ點(diǎn)附近局部范圍內(nèi)產(chǎn)生了殘余應(yīng)力(圖7)，它難以對(duì)膜片彈簧整體負(fù)荷特性產(chǎn)生較大的直接影響。

圖9 膜片彈簧載荷-變形特性曲線Fig.9 The loading-deflection characteristics of diaphragm spring

3 結(jié)論

(1)強(qiáng)壓工序引起的膜片彈簧內(nèi)錐高度的改變是造成膜片彈簧承載力衰減的主要原因。

(2)第一次強(qiáng)壓對(duì)膜片彈簧承載力衰減的影響最大。強(qiáng)壓次數(shù)增加，影響逐漸降低。一般在進(jìn)行3次強(qiáng)壓后，膜片彈簧承載力趨于穩(wěn)定。

(3)強(qiáng)壓行程對(duì)膜片彈簧承載力衰減影響明顯，行程加大，承載力衰減加大。

[1] 林世裕．膜片彈簧與碟形彈簧離合器的設(shè)計(jì)與制造[M]．南京：東南大學(xué)出版社,1995:18-20. LIN Shiyu. With Butterfly Spring Clutch Diaphragm Spring Design and Manufacturing[M].Nanjing: Southeast University Press,1995:18-20.

[2] 張衛(wèi),馮振東. 膜片彈簧強(qiáng)壓殘余應(yīng)力和殘余變形預(yù)測(cè)[J]. 汽車工程,1995(2):103-109. ZHANG Wei, FENG Zhendong. Forced Residual Stress and Deformation Prediction of Diaphragm Spring [J].Automotive Engineering, 1995(2):103-109.

[3] 張鐵山,田乃利. 強(qiáng)化處理工藝影響膜片彈簧載荷變形關(guān)系的分析[J]. 汽車技術(shù),2012(4):58-61. ZHANG Tieshan, TIAN Naili. A Study on Strengthened Processing Affecting the Load Deformation Properties of Diaphragm Spring[J]. Automobile Technology, 2012(4):58-61.

[4] 馬群鋒,張鐵山,胡靜,等. 冷強(qiáng)化對(duì)膜片彈簧載荷變形特性的影響分析[J]. 汽車工藝與材料,2013(12):6-10. MA Qunfeng, ZHANG Tieshan, HU Jing, et al. A Study on Strengthened Processing Affecting the Load Deformation Properties of Diaphragm Spring[J]. Automobile Technology & Material, 2013(12):6-10.

[5] 夏長(zhǎng)高,朱茂桃,高翔,等. 離合器膜片彈簧強(qiáng)壓處理的分析研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1996,25(5):27-30. XIA Changgao, ZHU Maotao, GAO Xiang, et al. Analysis and Research on Forced Pressing of Diaphragm Spring of Clutch[J]. Mechanical Science and Technology,1996,25(5):27-30.

[6] DOMAN Y, FUJII T, OKUBO K, et al. Influence of Residual Stress on the Load-deflection Curve of Diaphragm Springs for Automobile Clutches[J]. JSAE Review, 2003，24:197-203.

[7] 張鐵山,胡靜,馬群鋒. 包含殘余應(yīng)力信息的膜片彈簧彈性特性設(shè)計(jì)方法[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2013,24(4):481-485. ZHANG Tieshan, HU Jing, MA Qunfeng. Study on Design Methods of Elastic Properties of Diaphragm Spring Based on Residual Stress Information[J]. China Mechanical Engineering,2013,24(4):481-485.

[8] 史佳薇,吳光強(qiáng). 離合器膜片彈簧負(fù)荷特性敏感因素分析和研究方法對(duì)比[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2013(12):113-118. SHI Jiawei, WU Guangqiang. Sensitive Factor of Diaphragm Spring Load Characteristics Analysis and Research Methods Contrast[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2013(12):113-118.

(編輯 王艷麗)

Impacts of Cold Forced Strengthening on Diaphragm Spring’s Clamp Load Characteristic

GONG Yubing1ZHANG Defeng1PAN Shunying2

1.School of Mechanical & Electric Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin,Guangxi, 541004 2.Guilin Fuda Co., Ltd., Guilin,Guangxi,541199

Based on the finite element method，the forced strengthening processes were simulated and the clamp load characteristics before and after forced strengthening processes were obtained respectively. The impacts of the stroke and the numbers of the stroke on the load characteristics of the spring were investigated. And two impact mechanism of forced strengthening processes on the clamp load characteristic of the diaphragm spring was studied. The results show that the diaphragm spring is suffered the greatest damping impact from forced strengthening at the first time. The increase of the stroke of the forced strengthening, the damping of the load value of the spring is also increased. Compared with the number of the stroke, the stroke has greater impact on the load value of diaphragm spring. Although the changes of structural parameters and residual stress effects both induced by the forced strengthening process have attribute to the decreasing of the clamp load value of the diaphragm spring, the former one is the main mechanism.

diaphragm spring；strengthening；clamp load characteristic；residual stress

2016-08-11

廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金資助項(xiàng)目(桂科能14-045-15-001Z)；廣西教育廳科研項(xiàng)目(LD14065B)

U467.3

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.019

龔雨兵，男，1978年生。桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)槠囯x合器總成熱結(jié)構(gòu)特性、動(dòng)力學(xué)特性。張德峰(通信作者)，男，1990年生。桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。E-mail:784112123@qq.com。潘順英，男，1951年生。桂林福達(dá)股份有限公司離合器分公司首席專家、工程師。