汽车离合器踏板有限元设计

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【摘要】文章针对离合器踏板的刚度与强度特性，采用有限元的方法对离合器踏板的踏板臂方面进行分析。通过对多种踏板臂变化的分析，获得了踏板臂几种变化的情况下离合器踏板的刚度与强度的变化情况，反映了踏板的强度与应力变化规律，最后得出了两种结构优化方式，可为离合器踏板设计与改进提供一定参考。

【关键词】离合器踏板；有限元分析

引言

离合器作为发动机与传动系统相连的部件[1][2]，汽车通过离合器实现驱动系统与传动系统的连接与断开，驾驶员通过离合器踏板来操作离合器的连接状态。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[3]。使用有限元分析对某离合器踏板进行了受力分析[4][5]，并分析了离合器踏板形状变化下应力对应的变化情况。实验得出，针对需要对应的刚度和强度性能要求，得出了不同优化方式，希望能为进一步改进设计提供一定的参考。

1建立离合器踏板模型

采用SOLIDWORKS软件建立离合器踏板的三维模型，如图1所示。将其导入SolidWorks的有限元分析插件simulation中，材料选择合金钢，然后分析其在600N的载荷下的性能。通过实验得知，应力最大点主要集中于图1中A与B点上，A与B点为踏板臂直线与圆弧相交处，所以标记A、B两点记录其应力变化。通过分析得出，离合器踏板的最大位移为3.336mm，其中A点的应力190.0MPa，B点的应力为149.1MPa。

2踏板的改进设计

为验证踏板臂对性能的影响，对踏板臂进行改进。离合器中间为直线臂，故通过改变其弯曲程度来进行优化设计，而弯曲能有多种情况：踏板臂整体向上弯曲，宽度不变，两条边线为同一半径；同理，向下弯曲得到另一种改进方法；而另外的改进方法便是只弯曲一边的边线，另一半保持直线不变从而得到两种设计方案。这两种方案都采用向外增大r，而向内增大r通过实验证明只会导致性能的全面下降，故不做赘述。

2.1踏板边线整体一起向上弯曲

使踏板两条边线以一样的R向离合器踏板上方弯曲，其他量在离合器臂弯曲时均不改变，如图2所示。通过多组实验记录其最大位移以及应力的变化，最后得到数据，见表to通过以上数据可以看出，这种方法会增加最大位移，但是影响却是很小的。这种设计方案会导致本就更大的A点应力不断增大，而B点不断减小，导致应力分布更加不均衡，再加上最大位移也在不断增大，所以这种方案并不能带来更好的性能。

2.2踏板边线整体一起向下弯曲

使踏板两条边线以同样的R向离合器踏板下方弯曲，其它量依旧保持不变，如图3所示，最后通过实验得到数据，见表2。数据表明，虽然向下弯曲的最大位移相较与向上弯曲增加的略微更多一点，但是A点的应力变小了，而B点的应力变得更加大了。可以看出，在1800mm的R大小时，两点的应力更均衡，也使得最大应力减小，此刻最大位移相较与直线状态下的最大位移只增加了很小，故踏板臂弯曲在R为1800mm时可以获得一个更优秀的性能。

2.3踏板臂上方边线弯曲

与前面方法一样，只改变上方边线的弯曲程度，下边线保持直线不变，如图4所示，然后实验得出数据，见表3。通过实验数据可以看出，最大位移得到了明显降低，但是出现了和同时向上弯曲同样的问题，A点的应力变得更大了，而不一样的点在于B点的应力几乎不变。这种设计方案显然无法达到降低最大应力的要求。

2.4踏板臂下方边线弯曲

在只改变下方边线的弯曲程度的情况下，其它条件均保持不变，如图5所示，通过多组实验得到数据，见表4。表4只有下边线弯曲得到的最大位移观察数据可以得出，与上一个方案一样，最大位移得到极大的改观，而相反的是，A点的应力一直在180MPa左右波动，而B点的应力则在不断增大。可以得到结论，若是在A点应力允许的情况下，可以让R可能增大到使B点应力与A点相一致的情况下，这样可以使最大位移可能的变得更小。

3结论

本文通过有限元分析的方法，对离合器踏板进行了优化设计，实验了多种改进方式。结果表明，若想降低踏板的最大应力，保证踏板的强度则采取将踏板向下弯曲一定程度就可以降低，而弯曲程度在R为1800mm时改善效果最好，而这种方式会导致刚度会有一定的下降；若在强度满足的条件下需要改善刚度，则可以选择只增加踏板下边线的弯曲程度，数据表明R为800mm时刚度可以得到有效降低，同时最大应力并不会增大。希望能为离合器踏板的设计、优化提供参考。

参考文献：

[1]林彬.汽车离合器踏板刚度与强度分析[J].汽车实用技术，2017(24):108-109.

[2]宋洋勇，张瑞乾，赵建中，等.汽车离合器踏板构件的有限元分析与优化[J].机械工程与自动化,2016(03):18-20.

[3]曾文，王朝帅．汽车传动系统[M]．北京：机械工业出版社，2008．

[4]高喆,刘世谦,李俊龙,等.拖拉机离合器操纵机构分离杠杆的有限元分析与设计[J].拖拉机与农用运输车，2022,49(01):47-51.

[5]高卫民,王宏雁.汽车结构分析有限元法[J].汽车研究与开发，2000(06):30-32.

作者:张豪 张涛 姚建明 单位:四川轻化工大学机械学院 成都大学机械工程学院