離合器分離軸承結構對密封圈壓入力影響研究

侯秋豐，呂　強，劉雪萊，史浩峰

(1.寧波宏協離合器有限公司，浙江 寧波 315807；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

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離合器分離軸承結構對密封圈壓入力影響研究

侯秋豐1，呂強2，劉雪萊2，史浩峰1

(1.寧波宏協離合器有限公司，浙江 寧波 315807；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

為了研究離合器液壓分離軸承缸體結構對密封圈壓入力的影響，建立了液壓分離軸承有限元模型，對液壓分離軸承密封圈壓入過程進行了分析，得到了密封圈壓入力隨位移變化的關系曲線，并與相關試驗結果進行對比分析，驗證了有限元模型的正確性。利用建立的模型，分析了軸承缸體結構參數以及與密封圈摩擦因數對壓入力的影響。結果表明，在剛被壓入時，密封圈受到的壓入力波動較大，隨后逐漸減小并趨于穩定。降低摩擦因數，增大缸體的內徑和降低缸體外徑可以有效地降低密封圈受到的壓入力。該建模方法和結論對液壓分離軸承的設計和結構優化具有一定的指導意義。

液壓分離軸承；密封圈；壓入力；有限元分析

離合器作為汽車傳動系統的關鍵零部件，其操作系統的性能會直接影響駕駛人的主觀感受。調查顯示，在城市中，公交車駕駛人每天要踩800～1 000次離合器踏板；在相對擁堵的路段，小轎車每行駛100km，離合器的分離次數就高達600次左右[1]。如果離合器操縱性能較差，在如此頻繁操縱條件下，容易導致駕駛人疲勞駕駛，從而降低汽車的駕駛舒適性。此外，相關數據表明，在汽車維修公司中，離合器的維修率往往排在所有配件中的前三名，離合器分離不良、打滑和踏板沉重等故障，是造成離合器故障的主要原因[2-4]。除了離合器自身可靠性之外，離合器分離軸承性能也是影響離合器故障率的一個重要因素。分離軸承作為離合器操縱系統的重要零部件，其自身性能將直接影響到整個離合器踏板機構的操作舒適性，因此，對離合器分離軸承性能的進行深入研究是十分必要的。

目前，汽車離合器操縱機構所用的分離軸承主要分為機械式和液壓式等2類[5-6]。其中，液壓分離軸承具有摩擦阻力小、接合柔和和效率高等優點。近年來，由于材料性能的提高，制造工藝和設計方法的逐步完善，液壓分離軸承的制造已日趨成熟；因此，液壓分離軸承在各種類型的乘用車、商用車上被廣泛采用[7]。從國內外研究現狀來看，對于離合器分離軸承，大多數研究人員主要把它與離合器操縱系統整體配套進行相關研究[8-10]，而單獨對離合器分離軸承的相關研究文獻較少，即使是研究離合器分離軸承，也只是研究撥叉式分離軸承[11]，而單獨對液壓分離軸承的研究幾乎沒有。

為了研究離合器液壓分離軸承缸體結構對密封圈壓入力的影響，本文建立了液壓分離軸承有限元模型，對液壓分離軸承密封圈的壓入過程進行了分析。計算得到了密封圈所受壓入力隨位移變化的關系曲線，并通過與相關試驗結果進行對比分析，驗證了有限元模型的正確性。利用建立的模型，分析了軸承缸體結構參數以及與密封圈摩擦因數對壓入力的影響。本文的建模方法和結論對液壓分離軸承的設計和結構優化具有一定的指導意義。

1　有限元建模與分析

1.1有限元模型的建立

由于本文主要研究分離軸承缸體結構對密封圈壓入力的影響，在建模過程中，僅將液壓分離軸承的缸體及密封圈部分做研究對象，其三維模型如圖1所示。

提取缸體外殼和缸體內壁與密封圈接觸的表面以及密封圈上表面，得到簡化后的缸體模型，并保留完整的密封圈模型。為了給壓蓋一個位移載荷，將密封圈壓入缸體中去，更好地模擬實際情況，在原始數模的基礎上，增加了壓蓋部分，壓蓋的下表面外形與密封圈的上表面是吻合的，得到的有限元模型如圖2所示。根據本文的研究內容，需要對密封圈壓入過程進行動態模擬。將缸體固定，并在壓蓋軸向上施加一個25mm的位移，壓入密封圈。

圖2　液壓分離軸承CAE模型

在CAE計算時，考慮到密封圈為橡膠材料，是整個模型中唯一的變形體，故將密封圈設置為超彈性體，壓蓋和缸體設置為離散剛體，不賦予材料屬性。橡膠為非線性超彈性材料，可采用近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivlin模型作為橡膠的本構模型[12-13]。Mooney-Rivlin模型能夠較好地模擬橡膠材料的力學行為，其應變能密度函數模型如下：

(1)

I1= λ12+ λ22+ λ32

(2)

I2= λ12λ22+ λ22λ32+ λ12λ32

(3)

式中，W為應變能密度；Cij為Rivlin系數；I1、I2分別為第1和第2Green應變不變量；λ1、λ2和λ3為主伸長比。

本文采用典型的二項參數Mooney-Rivlin模型，則式1可變換為：

(4)

式中，C10和C01是材料的應變能偏量部分有關的2個材料常數，取C10=0.801 6，C01=0.126 9。

1.2模型求解結果

利用上述建立的有限元模型對密封圈壓入過程進行計算求解，結果如圖3和圖4所示。

圖3　密封圈壓入中結果云圖

從圖4可以看出，在密封圈剛被壓入的過程中，壓入力波動非常大，隨著位移的變化，在壓入超過10mm之后，壓入力逐漸下降并趨于一個穩定值。這是因為在初始壓入時，由于缸體存在倒角的緣故，此時壓蓋所受的支反力不僅是密封圈所受的摩擦力，還有缸體對密封圈軸向的壓力。在完全壓入缸體中后，壓蓋所受的支反力僅等于密封圈所受動摩擦力，理論上來說，此時密封圈所受摩擦力應為一個恒定的數值，但由于有限元軟件計算本身的誤差，計算結果會在一定數值左右波動。故取10mm后的較平線段計算其平均值，作為密封圈受到的壓入力。

2　試驗驗證

2.1試驗原理及過程

檢測壓入過程中密封圈所受的壓入力，可以作為液壓分離軸承開發階段判斷產品性能的重要依據。本試驗采用液壓分離軸承專用力值檢測儀(見圖5)，配合特定的工裝(見圖6)進行測試。試驗具體過程如下：1)將密封圈裝入工裝中的軸承凹槽，并把軸承組件壓入工裝中的缸體底部；2)將測試工裝掛到測力儀掛鉤上，搖動儀器手柄將工裝放入底座夾具上，插入卡板使其固定；3)緩慢搖動手柄，使測力儀掛鉤向上移動，直至拉動軸承組件與缸體分開。移動過程中測力儀會自動記錄檢測中的均值。為保證試驗結果的準確性，重復上述步驟，進行3組試驗，并記錄試驗結果。

圖5　力值檢測儀圖6　液壓分離軸承專用工裝

2.2試驗結果與仿真結果分析

將試驗結果與CAE計算結果進行對比分析，結果見表1。從表1可以看出，3次測試結果差異較小，試驗的一致性較好，橡膠密封圈在壓入過程中受到的壓入力約為75N。而CAE計算出的結果為71.5N，計算結果與試驗結果誤差約為5%，驗證了所建模型的正確性。

表1　密封圈壓入力試驗結果與仿真結果對比

3　缸體結構對密封圈壓入力影響研究

液壓分離軸承是離合器操縱系統的重要組成部件，它將工作缸、撥叉及分離軸承合成一體，使得整體結構更加緊湊，離合器踏板力更加柔和。密封圈作為液壓分離軸承的關鍵零部件，檢測壓入過程中其所受的壓入力，可以作為液壓分離軸承開發階段判斷產品性能的重要依據。而密封圈所受壓入力與眾多因素有關，如密封圈和缸體的材料、缸體內壁的表面粗糙度、缸體結構尺寸以及密封圈結構尺寸等。相對于其他因素的影響，缸體結構尺寸比較好調整；因此，本文將重點研究缸體結構對密封圈壓入力的影響。

缸體與密封圈接觸面之間的摩擦因數是液壓分離軸承重要的性能參數，直接決定了密封圈壓入過程中所受的壓入力。摩擦因數主要與缸體和密封圈材料、缸體內壁表面粗糙度有關，實際中摩擦因數的獲取由原材料供應商提供。利用建立的模型，計算不同摩擦因數對密封圈壓入過程中壓入力的影響情況，計算結果如圖7所示。

圖7　摩擦因數對密封圈壓入力的影響

從圖7可以看出，隨著摩擦因數的增大，密封圈所受壓入力近似線性增大，表明在密封圈被壓入之后，其受到的壓入力主要是由于缸體與密封圈之間的摩擦力導致的。

缸體結構尺寸作為缸體結構的另一重要方面，是影響液壓分離軸承性能的重要因素。設計合理的缸體結構尺寸，可以有效地改善液壓分離軸承的整體特性。本文根據液壓分離軸承缸體的結構特點，主要從缸體內壁和缸體外壁等兩方面分別來研究對密封圈壓入力的影響情況。利用建立的模型分別進行計算，得到的結果如圖8和圖9所示。

圖8　缸體內壁半徑對密封圈壓入力的影響

圖9　缸體外壁半徑對密封圈壓入力的影響

從圖8和圖9可以看出，隨著缸體內壁半徑的逐漸增大，密封圈壓入過程中所受壓入力逐漸增大；同樣隨著缸體外壁半徑的逐漸增大，密封圈壓入過程中所受壓入力逐漸減小。在分離軸承的設計過程中，可以通過調整缸體尺寸有效地改變密封圈所需的壓入力。

4　結語

為了研究離合器液壓分離軸承缸體結構對密封圈壓入力的影響，建立了液壓分離軸承有限元模型。對壓入過程進行了分析，并進行了相關試驗。利用建立的模型，分析了軸承缸體結構參數以及缸體與密封圈之間的摩擦因數對壓入力的影響。由研究結果可以得出如下結論。

1)在密封圈剛被壓入缸體時，由于其自身形變，產生的壓入力波動較明顯，隨著壓入位移的增大，形變區域穩定。當壓入>10mm之后，壓入力逐漸下降，并趨于一個定值。

2)3次試驗結果差異較小，試驗一致性較好。利用有限元方法計算出來的結果與試驗結果的誤差僅約為5%，驗證了所建模型的正確性。

3)隨著摩擦因數的增大，密封圈所受壓入力近似線性增大，表明在密封圈被壓入之后，其受到的壓入力主要由缸體與密封圈之間的摩擦力導致。增大缸體外徑，減小缸體內徑都可以有效地降低密封圈受到的壓入力。

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責任編輯鄭練

InfluenceResearchoftheClutchHydraulicReleaseBearingCylinder’sConstructiononthePressingForceofSealingRing

HOUQiufeng1,LYUQiang2,LIUXuelai2,SHIHaofeng1

(1.NingboHongxieClutchCo.,Ltd.,Ningbo315807,China; 2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

ThefiniteelementmodelofHydraulicreleasebearingisestablishedtostudytheinfluenceoftheconstructionofclutchhydraulicreleasebearingcylinderonthepressingforceofsealingring,andthismodelisusedforanalyzingtheprocessofpressingintothehydraulicreleasebearing’ssealingring.Thecharacteristiccurveofthepressingforceofsealingringandthedisplacementisobtained.Themodelisvalidatedbycomparingthecalculatedandexperimentalresult.Thenusingtheestablishedmodel,theinfluenceofthebearingcylinder’sconstructionandthesealingringfrictioncoefficientforthepressingforceofsealringisanalyzed.Theresultsshowthatthepressingforceofsealingringhasabigfluctuationwhenitisjustpressed,thengraduallyreducesandtendstobestable.Ifthefrictioncoefficientandtheouterdiameterofcylinderreduceortheinnerdiameterofcylinderincreases,thepressingforceofsealingringwouldreduceeffectively.Thedevelopedmodelandconclusionsproposedareinstructiveforthedesignandstructureoptimizationofclutchhydraulicreleasebearing.

hydraulicreleasebearing,sealingring,pressingforce,finiteelementanalysis

2016-01-20

U463；TH137A

候秋豐(1987-)，男，碩士，主要從事汽車動力總成NVH等方面的研究。