朱茂桃-汽车离合器膜片弹簧的优化设计分析.pdf

机械设计与制造M a c h i n e r yD e s i g n&M a n u f a c t u r e第6 期2 0 1 4 年6 月汽车离合器膜片弹簧的优化设计分析朱茂桃，刘雪莱(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏南京2 1 2 0 1 3)摘要：针对膜片弹簧的结构特性以及弹性特点，对目前现有的多种膜片弹簧的优化数学模型进行了分析研究，综合考虑了离合器膜片弹簧的两个重要性能指标，并在此基础上提出了以弹簧压紧力变化的平均值最小以及驾驶员操纵分离力平均值最小为共同优化目标的新数学优化函数。用此数学优化模型进行了实例计算，并与已有的优化模型的计算结果进行了比对。结果表明，利用新的数学优化模型计算出的膜片弹簧的性能较以往的优化设计方案有显著的提高。关键词：离合器；膜片弹簧；优化设计；分析中图分类号：T H l 6；U 4 6 3 2 11文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 3 9 9 7(2 0 1 4)0 6 0 0 6 8 0 3O p t i m i z a t i o nD e s i g na n dA n a l y s i sf o rt h eD i a p h r a g mS p r i n gi nA u t o m o b i l eC l u t c hZ H UM n o T a o L I UX u e L a i(S c h o o lo f A u t o m o b i l ea n dT r a f f i cE n g i n e e r i n g，J i a n g s uU n i v e r s i t y，J i a n g s uN a n j i n g2 1 2 0 1 3，C h i n a)A b s t r a c t：o p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee x i s t i n gd o m e s t i cd i a p h r a g ms p r i n ga r ea n a l y z e db a s e do nt h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e sa n de l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c s An e wo p t i m i z a t i o nt a r g e tf u n c t i o nw h i c ht a k e so b j e c t i v e sw i t ht h em i n i m u mo fa v e r a g ec o m p r e s sf o r c ec h a n g i n go ft h es p r i n ga n dt h em i n i m u mf o r c eo ft h es e p a r a t i o nb e a r i n gw i t ht h ed r i v e r Sm a n i p u l a t ei sp r o p o s e d 妒e rc o n s i d e r i n gt w oi m p o r t a n tp e 咖r m a n c e si n d e xo ft h ec l u t c hd i a p h r a g ms p r i n g C a l c u l a t i o n so fp r a c t i c a le x a m p l eh a v eb e e nd o n ef o rt h i sm a t h e m a t i c a lu t i l i z e dm o d e la n da r ec o m p a r e dw i t he x i s t i n gu t i l i z e dm o d e l T h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e 咖r m a n c eo ft h ed i a p h r a g ms p r i n go b t a i n e df r o mt h en e wm o d e l si m p r o v e sg r e a t l yc o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u sd e s i g n s K e yW o r d s：C l u t c h；D i a p h r a g mS p r i n g；O p t i m i z a t i o nD e s i g n；A n a l y s i s上I 商离合器是汽车传动系统中的重要部分，膜片弹簧是离合器中最重要的零件之一。膜片弹簧离合器和传统的螺旋弹簧离合器相比，除了具有结构简单紧凑的优点外，更主要是因为膜片弹簧的非线性特点而使其具有优良的使用性能f 1 1。多年来国内学者对膜片弹簧的优化提出了很多的模型，因为每个模型的优化目标各异，模型的目标函数，设计变量也不尽相同。分析了两种常用的优化设计模型，并且在此基础上提出了一种新的优化模型。2 优化目标函数分析在膜片弹簧的载荷一变形特性的计算的过程中，A L a s z l o 在19 3 6 年提出的A L 法计算得到的近似公式被广泛认为能比较准确的反映膜片弹簧载荷一变形特|生的本质，因此在优化模型中，以该公式作为优化的理论基础。近似公式为：洲：羔熹m 百R-r，(丁A 百R-r h-卜z c 1，61F 与“A)=F 上l(一A 百)(r 1-r)+l()(1 t f)(L 一)。L 一1二L 一11式中：啡用于膜片弹簧上的压紧力；A 一压盘大端变形量；E 一材料的弹性模量；弘-泊松比；一弹簧在自由状态下的内锥高度；卜、膜片弹簧钢板厚度；R 一膜片弹簧在自由状态下大端半径；广膜片弹簧在自由状态下小端半径；L 一压盘加载点的半径；卜一支撑环加载点半径。膜片弹簧的尺寸简图，如图1 所示。对应的载荷一变形特性曲线，如图2 所示。图1 膜片弹簧尺寸简图F i g 1D i m e n s i o n so fD i a p h r a g mS p r i n g来稿日期：2 0 1 3 1 2 2 0作者简介：朱茂桃，(1 9 6 3 一)，男，江苏镇江人，博士，教授，主要研究方向：车辆零部件C A D C A E 分析；刘雪莱，(1 9 8 8 一)，男，江苏连云港人，硕士研究生，主要研究方向：车辆零部件C A D C A E 分析万方数据第6 期朱茂桃等：汽车离合器膜片弹簧的优化设计分析6 9FER。b，图2 膜片弹簧载荷一变形特性曲线F i g 2D i a p h r a g mS p r i n gL o a d D e f o r m a t i o nC u r v e2 1 弹簧工作时最大应力最小在某一寿命条件下，破坏材料的极限应力是确定的，所以在进行膜片弹簧设计的过程中只要依据疲劳强度条件来选取最大应力即可。而单纯的把最大应力最为优化目标是不合理的，最大应力小于许用应力可以通过施加约束的条件来保证。2 2 摩擦片磨损前、后压紧力之差绝对值最小为了保证离合器传递转矩的能力稳定，膜片弹簧必须保证在摩擦副磨损过程中压紧力变化尽量小。A 点的压紧力：，-厂(A。)B 点的压紧力：R _ 厂(A。)式中：扎、A 厂一摩擦片面磨损至极限位置与磨损前膜片弹簧压盘压紧点处变形量。仅仅以摩擦片磨损前、后压紧力之差绝对值尽可能的小，即m i n I t 一吒l 为优化目标并不能达到理想效果。在优化过程中，即使目标函数为0，也无法保证在摩擦副磨损过程中压紧力的变化较小，甚至会增加压紧力的变化量。2 3 分离行程中，驾驶员作用的分离操纵力平均值最小优化目标可以减轻驾驶员的操作压力，确实是设计时应该考虑的一个重要指标。z(戈)=m i n 告t(2)T li=1式中：一分离行程中所取的样点数；F 一样点处对应的分离轴承作用力。在离合器分离过程中，驾驶员作用在踏板上的力从膜片弹簧工作开始压力之后就开始下降，踏板力已经越来越小。如果在这个基础上在继续追求减少分离操纵力，由图2 可以看出，必将导致曲线的曲段更加的上拱，这样就会导致在摩擦副磨损过程中膜片弹簧的压紧力变化大幅增加，单纯的以该目标函数得不到最优解。2 4 压紧力变化的平均值最小优化目标也是衡量离合器性能最重要的指标之一。该目标的主要目的是保证曲线n 6 段过渡平缓，从而使得在离合器整个使用的过程中后备系数没有过大的变化 2 1，同时也能保证最大工作点应力以及新旧摩擦片压紧力只差较小。t工(石)=m i n I I E(3)式中：眠一磨损极限范围内中所取的样点数；F 一样点处对应的压紧力；R 新摩擦片的初始压紧力。虽然目标函数可以保证在磨损区域内压紧力变化趋于平缓，但是也会使曲线b c 段变化降低，分离操纵力的平均值就会增加，从而加大了驾驶员的工作强度。2 5 新目标优化函数根据前面的分析可以知道膜片弹簧的最大应力可以通过约束条件得到保证，而在分离行程中，驾驶员作用的分离操纵力平均值最小，压紧力变化的平均值最小是一对相互矛盾的优化目标，为了平衡两者关系，可以通过构造包含有上述两个目标的目标函数来实现膜片弹簧的综合优化。驰劬 訾+等式中；a l、b。一以驾驶员作用的分离操纵力平均值为单目标函数优化出的最小值以及最大值；2、6 厂一以压紧力变化的平均值为单目标函数优化出的最小值以及最大值。新的目标函数不仅综合考虑了两种性能指标的要求，并且通过最大与最小值之间的差值来设定两个目标函数的权函数，实现两个目标函数的归一化。3 设计变量与约束条件3 1 设计变量由膜片弹簧的载荷一变形公式可以看出，仅有h、t、R、r、L、l这6 个参数以及膜片弹簧的变形量在公式中出现，所以这里以这7 个参数作为设计变量，即：x=工lz 2 戈3 石4 戈5 工6 戈7 k tRrL2A 6 73 2 约束条件(1)为了保证摩擦片磨损后离合器仍能可靠传递转矩，并考虑到磨损后摩擦系数的下降，则摩擦片磨损后弹簧工作压紧力应大于新摩擦片时的压紧力，即：凡R(5)(2)为了保证离合器使用性能的要求，弹簧的高后比觥以及初始锥底角O=h(R r)应保证在一定的范围内，即：1 6 _ h l t 2 2(6)9 0 s d 曼1 5。(7)(3)膜片弹簧各部分有关尺寸比值的一般取值范围应取：1 2 _ R r 1 3 5(8)3 5 -R t s 5 0(9)(4)为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，膜片弹簧的压盘加载点半径应位于摩擦片的平均半径与外半径之间的范围，即：0 2 5(D+d)-0 5(D+d)(1 0)(5)根据弹簧结构布置的要求，R、r、L、z 之间要满足一定的尺寸关系，即：1 尺L 7(1 1)0 1 卜f 兰6(1 2)(6)膜片弹簧的分离指可以起到分离杠杆的做用，因此杠杆比应在一定的范围内，即：万方数据7 0机械设计与制造N O 6J u n e 2 0 1 42 _ 3 鲁 4 5)7 0 0 0式中：r，离合器分离轴承作用半径。(7)强度条件。膜片弹簧各个工作点的最大应力值不能超过许用应力值，即：盯。l 盯：J(1 4)(8)在膜片弹簧制造加工的过程中，一些主要的尺寸参数如h、t、R、r 都存在加工偏差，同样的，在离合器装配过程中也会出现偏差，而这些偏差不能超过某一范围，即：A F t+-A F,+i-A G+_ _ a Es0 0 5(15)，6I 矿ll 寻-0 0 5(1 6)b4 优化结果分析依据上述优化模型的设计变量和约束条件，建立优化函数，计算得出的膜片弹簧尺寸，如表1 所示。表1 中，方案1 为原设计尺寸，(方案2 方案4)分别为以(2 3 2 5)中的函数为目标函数优化出的结果。表1 几种方案膜片弹簧尺寸参数T a b 1S i z eP a r a m e t e r so fD i a p h r a g mS p r i n gi nD i f f e r e n tS c h e m e s三种优化方案与原方案设计出的膜片弹簧特性曲线对比图，如图3 图5 所示。从图3 图5 中可以看出，方案2 优化的曲线确实达到了减小驾驶员作用的分离操纵力平均值的目的，但是效果并不明显，并且在摩擦片磨损范围内，弹簧压紧力变化增大，优化效果并不理想；方案3 使膜片弹簧在摩擦片磨损范围内压紧力变化范围大幅度的减小，并且驾驶员作用的分离操纵力平均值还略有减少，优化效果较为理想；方案4 在保证了膜片弹簧在摩擦片磨损范围内压紧力变化范围有明显减小的同时还使驾驶员作用的分离操纵力平均值有较大幅度的减小，优化效果较前两种方案有明显提高。8 0 0 07 0 0 06 0 0 05 0 0 0喜4 0 0 03 0 0 02 0 0 01 0 0 0OO23456(m n l)图3 方案1、2 膜片弹簧特性曲线F i g 3D i a p h r a g mS p r i n gC h a r a c t e r i s t i cC u r v eo fS c h e m ela n dS c h e m e2啦一j虢8、。：7图5 方案1、4 膜片弹簧特性曲线F i g 5T h eD i a p h r a g mS p r i n gC h a r a c t e r i s t i cC u r v eo fS c h e m e1a n dS c h e m e45 结论基于离合器膜片弹簧两个指标综合考虑，建立了新的数学模型。并将该方案的优化结果与原先的优化方案结果进行比对。发现新目标函数的优化模型，更加贴近|生能指标所追求的目标，依据新方案计算出来的膜片弹簧参数具有更好的综合性能。参考文献 1 夏长高，朱茂桃汽车离合器膜片弹簧优化设计的数学模型分析 J 汽车技术，1 9 9 6(1 2)：1 2 1 5(X i aC h a n g g a o，Z h uM a o-t a o T h e M a t h e m a t i c a lm o d e lA n a l y s i so fA u t o m o b i l eC l u t c hD i a p h r a g mS p r i n gO p t i m i z a t i o nD e s i g n J A u t o m o b i l eT e c h n o l o g y，1 9 9 6(1 2)：1 2-1 5)2 李林，触睢信汽车离合器膜片弹簧的优化设计 J 清华大学学报，1 9 9 0，3 0(5)：9 6 1 0 3(“L i n，uW e i x i n O p t i m i z a t i o nD e s i g nf o rt h eD i a p h r a g mS p r i n go nA u t o m o b i l e J J o u r n a lo f Q i n g h u a U n i v e r s i t y，1 9 9 0，3 0(5)：9 6-1 0 3)3 付铁军，谢飞，李贺基于汽车离合器综合性能要求的膜片弹簧优化设计 J 汽车技术，2 0 0 9(11)：3 0 _ 3 4(F uT i e-j u n，X i eF e i，L iH e O p t i m u mD e s i g no f D i a p h r a g mS p r i n gb a s e do nC o m p r e h e n s i v eP e r f o r m a n c eR e q u i r e m e n to fA u t oC l u t c h J A u t o m o b i l e T e c h n o l o g y，2 0 0 9(1 1)：3 0 一3 4)4 曹涌，陶华基于灵敏度分析的离合器膜片弹簧优化设计 J 西北工业大学学报，2 0 0 3，2 1(6)：7 6 1-7 6 4(C a oY o n g，T a oH u a O nB e t t e rO p t i m i z a t i o nD e s i g no ft h eD i a p h r a g mS p r i n gU s e di nA u t o m o b i l eC l u t c h J J o u r n a lo f N o r t h w e s t e r nP o l y t e e h n i c a l U n i v e r s i t y,2 0 0 3 2 1(6)：7 6 1 7 6 4)(下转第7 4 页)万方数据7 4机械设计与制造N o 6J u n e 2 0 1 44 3 检测分析完成几何精度调试和测量后，进行定位精度和重复定位精度的检测与分析。测量系统，如图8 所示。当工作台旋转时，转台自带的译码器记录旋转角度，测量系统测量差值，并读出角度偏差 8 1。对当前批量使用的转台进行精度检测，同时对优化设计后的转台进行精度测量，优化设计后转台的定位精度和重复定位精度优于当前转台，本次优化设计的研究与试验对转台技术提高具有重要意义。(a)N 量原理(b)A g i l e n t 角度定位测量系统图8A g i l e n t 角度定位测量系统及测量原理F i g 8A g i l e n tL e a s e rA n g u l a rP o s i t i o nM e a s u r e m e n tS y s t e m5 结论对牙盘转台进行具体工况分析，对其机械结构进行优化配置，使主机构的配合在满足精度和稳定性的前提下，达到最优化。设计快速响应的液压、电气回路，可以避免齿盘和蜗轮蜗杆在延迟中造成受力和弹性变形，为保证高精度转台起到重要的作用。提供简单有效的背隙调整和机械原点调整补正的方法，对改进后的转台进行调试和检测。参考文献 1 王爱玲现代数控机床 M 北京：国防工业出版社，2 0 0 9(W a n g A i-l i n g，M o d e m C N C m a c h i n e t o o l s M B e i j i n g：N a t i o n a l D e f e n c eI n d u s t r yP r e s s，2 0 0 9)2 机械设计手册编写组机械设计手册 m d L 京：机械工业出版社，1 9 8 0(H a n d b o o ko f M e c h a n i c a lD e s i g nW r i t i n gG r o u p H a n d b o o ko f M e c h a n i c a lD e s i g n M B e i j i n g：C h i n aM a c h i n eP r e s s，1 9 8 0)3 顾华锋，洪荣晶数控机床回转工作台动态性能分析与仿真 J 机床与液压，2 0 0 8，3 6(5)：2 1 6 2 1 9(G uH u a-f e n g，H o n gR o n g-j i n g S i m u l a t i o na n dD y n a m i cP e r f o r m a n c eA n a l y s i s o n R o t a t i o n P l a t f o r m o f N C M a c h i n e J M a c h i n e T o o l H y d r a u l i c s，2 0 0 8，3 6(5)：2 1 6 2 1 9)4 雷亮，吴涛变导程蜗轮蜗杆副在高精度分度中的应用 J 机床与液压，2 0 0 7，3 5(3)：6 6 6 7(L e iL i a n g，W uT a o T h eA p p l i c a t i o no fV a r i e dL e a d i n t e r v a lW o l T r na n dW o r mW h e e lK i n e m a t i cP a i ri nH i g hP r e c i s i o nR o u n dS u b s e c t i o nl Jj M a c h i n et o o l&H y d r a u l i c s，2 0 0 7，3 5(3)：6 6 6 7)5 成大先机械设汁手册 M 第五版北京：化学工业出版社，2 0 1 0(C h e n g D a-x i a n H a n d b o o ko f M e c h a n i c a l D e s i g n M 1 5 t h E d i t i o n B e i j i n g：C h e m i c a lI n d u s t r yP r e s s 2 0 1 0)6 金令诚端齿盘分度装置 M 北京：国防工业出版社，1 9 9 5(J i nL i n g-c h e n g E n d t o o t h e dD i s cI n d e x i n gM e c h a n i s ml MJ B e i j i n g：N a t i o n a lD e f e n c eI n d u s t r yP r e s s，1 9 9 5)7 姜华高速精密卧式加工中心开发的关键技术研究 D 成都：四川大学，2 0 0 7(J i a n gH u a _ R e s e a r e ho nt h eK e yT e c h n o l o g i e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fH i g hS p e e dP r e c i s i o nH o r i z o n t a lM a c h i n i n gC e n t e rl DJ C h e n g d u：S iC h u a nu n i v e r s i t y，2 0 0 7)8 MT s u t s u m i，AS a i t o I d e n t i f i c a t i o no fa n g u l a ra n dp o s i t i o n a ld e v i a t i o n si n h e r e n tt o5-a x i sm a c h i n i n gc e n t e r sw i t hat i l t i n g r o t a r yt a b l eb ys i m u l t a n e o u sf o u ra x i sc o n t r o lm o v e n l e n t sl J j I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM a c h i n eT o o l s&M a n u f a e t u r e 2 0 0 4(4 4)：l3 3 3 13 4 2+璋一十遵一十 一一十潭一+4，卜+，q、4 十谭”、1 q+、璺 _ q p p h e，q、s _、曼 娜e 州+垮一他一+壤，卜+一一瞳一删M+、”他斤+州 州一w+悄一悄删州州M 升岵斤(上接第7 0 页)5 孟姝君，崔胜民，孙宇航自调式离合器膜片弹簧优化设计及有限元分析 J 机械设计与制造，2 0 1 1(1 0)：2 6 2 7(M e n gS h u-j u n，C u iS h e n g-m i n g，S u nY u-h a n g O p t i m a ld e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nd i a p h r a g ms p r i n go fs e l f-a d j u s t i n gc l u t c h J M a e h i n e r y D e s i g n M a n u f a c t u r e 2 0 1 1(1 0)：2 6 2 7)6 张昆晓，何海明，吴东盛基于M A T L A B 目标函数的建立优化离合器膜片弹簧的设计研究 J 研究与开发，2 0 1 2(5)：7 3 7 5(Z h a n g K u n-x i a o，H e iH a i-m i n g，W uD o n g s h e n g S t u d yo nO p t i m i z a t i o nD e s i g no fC l u t c hS p r i n gB a s e do nO b j e c t i v eF u n c t i o ni nM A T L A Bl JJ R e s e a r c h o nD e v e l o p m e n t 2 0 1 2(5)：7 3 7 5)7 马岳，崔盛民自调式膜片弹簧离合器优化设计 J 机械设计与制造，2 0 0 9(1 0)：1 9 2 0(M aY u e，C u iS h e n g r u i n g O p t i m u md e s i g no fs e l f-a d j u s t i n gc l u t c h J M a c h i n e r yD e s i g n M a n u f a c t u r e 2 0 0 9(I O)：1 9-2 0)8 孙东野，申付松，陈丽君自动离合器液压执行机构正向设计方法 J 中国机械工程，2 0 1 1，2 2(1 7)：2 1 2 7 2 1 3 2(S u nD o n g-y e，S h e nF a s o n g，C h e nL i q u n F o r w a r dD e s i g nM e t h o do fA u t o m a t i cC l u t c hH y d r a u l i cA c t u a t o r J C h i n aM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g，2 0 1 1 2 2(1 7)：2 1 2 7 2 1 3 2)9 曾纪杰膜片弹簧大端载荷变形特性多项式回归分析 J 机械设计与制造，2 0 0 6(1)：3 8 3 9(Z e n gJ i-j i e A n a l y s i so nc h a r a c t e r i s t i c so fl o a da n dd e f o r m a t i o na to u t e rf u l c r u mo fd i a p h r a g ms p r i n g sw i t hm u h i n o n f i a lr e g r e s s i o nl Jj M a c h i n e r yD e s i g n M a n u f a e t u r e 2 0 0 6(1)：3 8 3 9)万方数据汽车离合器膜片弹簧的优化设计分析汽车离合器膜片弹簧的优化设计分析作者：朱茂桃，刘雪莱，ZHU Mao-Tao，LIU Xue-Lai作者单位：江苏大学汽车与交通工程学院,江苏南京,212013刊名：机械设计与制造英文刊名：Machinery Design&Manufacture年，卷(期)：2014(6)本文链接：http:/