本科毕业设计 膜片弹簧离合器优化与结构设计.doc

安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
汽车摩擦离合器参数优化与结构设计
摘 要
离合器实现了汽车主从动件的分离，保证汽车起步平稳。它可以实现换挡平顺和过载保护的重要部件，离合器类似于开关，接合或断离动力传递作用，并且在传动过程中还要有相对转动。离合器用在各种车里，深入研究具有十分重要的理论价值和实践意义。任何形式的汽车都有离合装置，只是形式不同而已。
本文在对离合器的产生、分类、发展以及今后的发展方向进行了简要介绍，首先我学习了matlab相关知识，并结合《机械最优化设计》一书，进行了对膜片弹簧和压盘的与优化设计的数学模型。之后通过数学计算确立了各个部件的参数，并对一些部件的尺寸进行设计和校核，绘制了总体装配图和部分零件图，运用了CAD进行图形绘制二维图，使用solidworks进行三维建模，并进行了装配。
离合器的优化设计可以使离合器拥有最佳性能，提升企业的制造品质，会带来丰厚的回报。

关键字： 离合器结构设计、优化设计、 三维建模

Configuration Design and Optimization for Friction Clutch of Automobile

Abstract

Clutch realized the car followers’ separation and ensure the vehicle start smoothly. It can realize smooth shifting and overload protection, clutch is similar to the switch, the joint or breaking is away from the power transmission,and it may be relatively rotating in the transmission process . Every car has any form of auto clutch device. It has the extremely important theory value and practical significance to do further study.
This paper briefly introduces the clutch, classification, development and future direction of development.At first I learn the related knowledge of MATLAB, and combined with the "mechanical optimization design " , the mathematical model of the diaphragm spring and the pressure plate and optimization design. After establishing the parameters of each component are calculated by mathematics, and some parts of the size of the design and check, drawing the overall assembly drawing and parts drawing, using CAD drawing two-dimensional map, using SolidWorks three-dimensional modeling, and make the assembly.
Optimization design of clutch can let the clutch has the best performance, and improving the quality of manufacturing enterprises,it will produce generous returns.

Keywords: clutch structure design、 optimization design 、3D modeling

目 录

引言 1
第1章 绪论 3
1.1离合器设计的设计要求 3
1.2毕业设计课题有关研究现状和发展趋势 3
1.3课题研究意义 4
第2章 离合器优化设计数学模型 5
2.1 从动盘盘优化设计 6
2.2 膜片弹簧的优化设计数学模型 6
第3章 某轿车离合器的设计参数计算 8
3.1 离合器的整体方案选择 8
3.2 离合器基本参数的确定 8
3.3离合器从动盘总成设计要求 10
3.4压盘和离合器盖的设计 12
3.5 膜片弹簧的设计 13
3.6 扭转减振器的设计 16
第4章 离合器三维建模过程 18
4.1 部分零件三维建模. 18
4.2 从动盘零件装配 21
4.3 离合器盖部分零件装配图 21
4.4 离合器装配图的形成..............................................................................................................22
结论与展望 24
致 谢 25
参考文献 26
附录A: 参考文献的题录及摘要 27
附录B: 三维装配及爆炸图 29
附录C：优化程序代码 32
附录D：Matalab程序运行截图 34
附录E：外文翻译 36
附录F: 离合器装配图A3图纸 另附

插图清单

图2-1 膜片弹簧工作点位置图...............................................................................................7
图3-1 从动盘..........................................................................................................................10
图3-2 压盘..............................................................................................................................12
图3-3 拉式膜片弹簧的支撑形式..........................................................................................13
图4-1过程1.............................................................................................................................18
图4-2过程2 ........................................................................................................................... 18
图4-3过程3............................................................................................................................18
图4-4 过程4............................................................................................................................18
图4-5过程5............................................................................................................................18
图4-6过程6........................................................................................................................... 18
图4-7过程7........................................................................................................................... 19
图4-8过程8........................................................................................................................... 19
图4-9过程9........................................................................................................................... 19
图4-10 过程10...................................................................................................................... 19
图4-11 过程11...................................................................................................................... 19
图4-12 过程12...................................................................................................................... 19
图4-13 过程13...................................................................................................................... 20
图4-14 过程14...................................................................................................................... 20
图4-15 过程15...................................................................................................................... 20
图4-16 过程16...................................................................................................................... 20
图4-17 过程17...................................................................................................................... 20
图4-18 过程18........................................................................................................................21
图4-19 过程19........................................................................................................................21
图4-20 过程20........................................................................................................................21
图4-21 过程21........................................................................................................................21
图4-22 过程22........................................................................................................................21
图4-23 过程23........................................................................................................................22
图4-24 过程24........................................................................................................................22
图4-25 过程25........................................................................................................................22
图4-26 过程26........................................................................................................................22
图4-27 添加图纸....................................................................................................................22
图4-28添加三维装配体.............................................................................................................22
图4-29剖切指令.....................................................................................................................23
图4-30剖切图.........................................................................................................................23

插表清单

表2-1 摩擦片优化结果...........................................................................................................................7
表2-2 膜片弹簧优化结果...........................................................................................................................7
表3-1 某轿车的发动机及其车身基本参数.......................................................................................8
表3-2 减振弹簧个数的选取.................................................................................................................16
表3-3 压簧的计算公式表.....................................................................................................................17

V

引言
在汽车销售中我们经常听到大众主推的DSG双离合，那么离合器的有关研究现状和发展趋势是什么呢，下面将一一说明。
离合器有摩擦式离合器、液力偶合器、电磁离合器等几种。摩擦式离合器又分为湿式和干式两种。1、液力偶合器靠工作液（油液）传递转矩，外壳与泵轮连为一体，是主动件；涡轮与泵轮相对，是从动件。当泵轮转速较低时，涡轮不能被带动，主动件与从动件之间处于分离状态；随着泵轮转速的提高，涡轮被带动，主动件与从动件之间处于接合状态。 2、电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。3、目前，与手动变速器相配合的绝大多数离合器为干式摩擦式离合器，按其从动盘的数目，又分为单盘式、双盘式和多盘式等几种。湿式摩擦式离合器一般为多盘式的，浸在油中以便于散热。
汽车的发展已有一百多年的历史了，在汽车的发展史中，离合器占据着举足轻重的作用。我国汽车离合器的研究制造起源于上个世纪30年代，当时制造设备极其简陋，而且生产手段也极其有限。直到上世纪50年代中期开始，一汽、南汽、上汽、“二汽”等才相继成立。离合器在车间或工厂才开始批量化生产，此时才有了真正意义上的离合器制造。上世纪70年代，我国的离合器探索研究才初具雏形。此后由于汽车产量的逐年增加，各地又建立了一批离合器专业制造厂，逐渐形成了行业的雏形并初具规模。改革开放以后，国家重点支持一汽东光离合器、上海离合器厂、南汽离合器厂、黄石离合器厂等。各企业通过研究发展，均取得较大进步。其中黄石离合器厂分别从英国AP公司、德国F·S公司、美国BW公司、法国VALEO公司引进具有当代水平的膜片弹簧离合器产品及制造技术，带动了离合器行业的快速发展。通过产、学、研相结合，消化和吸收，实现螺旋弹簧离合器向膜片弹簧离合器的换代，行业的规模和，水平都获得了提高。
国内离合器行业虽然已经有了进步，但与国际同行相比较，差距仍然很大。企业经营规模小，抗风险能力低，缺乏高技术含量的、前瞻性、可持续发展的产品，都是我国面临的主要问题。除此之外，品牌意识淡薄，标准化程度低。国内企业缺乏高水平的研究开发性人才，企业自主开发能力还比较低；企业内部平均管理水平不高，没有一个系统的人才培训机制，人才流失等现象较为严重。国内原材料供应商的质量、技术水平停留在一个较低的标准，一些关键部件只能依赖进口，增加了一些零部件企业的生产成本。
技术方面：缺乏创新能力，缺少自主的专项、专利技术；新产品、新技术、新工艺落后，将受制于跨国公司；生产工艺先进程度、可靠性较差，自动化程度和生产率相差甚远；研发的人力、物力、财力严重不足，研发手段落后；实车试验及主观评价极少实行。
望眼全球汽车市场，中国的轿车工业一支独秀。全球知名厂商纷纷到中国合资建厂，导致国内市场竞争激烈，新车型如雨后春笋般的让人日不暇接，车型的更新换代也更加频繁。离合器是决定整车性能的主要部件之一。
薛矫智在湿式双离合器变速器换挡品质的研究一文中提出结合江淮汽车公司(JAC) 6速湿式双离合器变速器(6DCT)项日的要求，开展了双离合器变速器换挡品质的研究，分析了影响换挡品质的因素，并结合对JAC、AMT、AT及大众汽车公司的Golf GTI(DSG)的试验，提出了改善换挡品质的对策。
在单项离合器对自动变速器性能的影响一文中也描述道：单向离合器可以单向接合2个部件，单向离合器在分离时能产生超越作用。单向离合器在自动变速器中的作用和用于自动变速器的限制条件。指出具有超越作用的单向离合器，在齿抡变速机构中能够消除降档冲击，因而在自动变速器中得到应用。使用单向离合器会使汽车失去发动机制动的作用，必一要时要取消单向离合器的作用。
汽车离合器行业并行工程的产品开发流程是：当初步的需求规划确定后，以产品设计人员为主，其它专业领域的人员为辅，共同进行产品的概念设计。车辆起步时对离合器控制提出了很高的要求。传统的机械式换挡机构中，离合器的操纵十分复杂，例如，起步时要求驾驶员根据不同道路环境条件，负载等各种因素，准确判断离合器半接合点的位置，以保证车辆的平稳起步；同时，还要求离合器踏板、油门踏板的操纵动作的配合准确、协调。
邓人锋在模糊理论在离合器上的应用一文中介绍了模糊理论在离合器中的一些应用，其中包括依靠传统控制方法或基于现代控制理论的自动控制方法很难很好地解决离合器的起步控制问题。采用建立在驾驶员经验基础之上的模糊逻辑控制方法可望获得较理想的控制效果。将驾驶员的经验形成控制语言规则，在实时工况下选择合适的语言变量和控制参数，可以实现对离合器的合理控制。离合器分离、接合过程的质量对车辆换挡品质尤其是换挡冲击度有较大影响。离合器的性能对机车起步的平稳性、机车换挡的便捷性以及短时间克服系统超负荷的灵敏性极为重要。
在动力装置自动同步离合器阻尼腔中保持一定的油压，阻尼孔维持不变的情况下，通过改变主机的调节特性达到改变离合器动作时间的日的，简化了传动系统设置。通过对原动机及控制器工作原理的深入研究，建立了相应的数学模型，利用动力学仿真软件ADMAS的平台对离合器特性时间参数进行了深入的分析，得出其时间参数的控制方法，为传动系统的设计运行提供参考。

- 1 -

第1章 绪论
1.1离合器设计的设计要求
为了保证汽车具有良好的工作性能，对汽车离合器设计提出如下基本要求：
1）在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备；
2）接合时要平顺柔和，以保证汽车起步时没有抖动和冲击；
3）分离时要迅速、彻底；
4）离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击，便于换挡和减小同步器的磨损；
5）应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果，以保证工作温度不致过高，延长其使用寿命；
6）应使传动系避免扭转共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力；
7）操纵轻便、准确以减轻驾驶员的疲劳；
8）作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能；
9)应有足够的强度和良好的动平衡，以保证其工作可靠、寿命长；
10)结构应简单、紧凑、质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便等。
根据离合器的设计要求，进行离合器的总体方案的设计和选择，由于膜片式离合器有自动调节压紧力、操作轻便、结构简单。
1.2毕业设计课题有关研究现状和发展趋势
如今，单片干式摩擦离合器在结构设计方面也相当完善：采用具有轴向弹性的从动盘，提高了离合器的接合平顺性；离合器中装有扭转减振器，防止了传动系统的共振，减少了噪音；以及采用了摩擦较小的分离杆机构等。另外，采用了膜片弹簧作为压簧，可同时兼起到分离杠杆的作用，使离合器结构大为简化，并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。膜片弹簧和压盘的环行接触，可保证压盘上的压力均匀。由于膜片弹簧本身的特性，当摩擦片磨损时，弹簧的压力几乎没有改变，且可减轻分离离合器时所需要的踏板力。为了提高离合器的传扭能力，在重型汽车上多采用多片干式离合器。次外，近年来由于多片湿式离合器在技术上的不段改善，在国外的某些重型牵引汽车和自卸车上又开始采用多片湿式离合器，并有不断增加的倾向。 与干式离合器相比，由于用油泵进行强制制冷的结果，摩擦表面的温度较低（不超过 93℃）。因此，允许起步时长时间地打滑或用高档起步而不致烧损摩擦片，具有良好的起步能力。据说这种离合器的使用寿命可达干式离合器的五、六倍。 
为了实现离合器的自动操纵，有自动离合器。比如：；液压式自动离合器则是由ECU发送信号驱动电动液压系统，通过液压操纵离合器动作，这是一种采用自动离合器时可以省去离合器踏板，实现汽车的“双踏板”操纵。与其他自动传动系统（如液力传动）相比，它具有结构简单，成本低廉及传动效率高的优点。因此，在欧洲小排量汽车上曾得到广泛的应用。但是在现有自动离合器的各种结构中，离合器的摩擦力矩的力矩调节特性还不够理想，使用性能不尽完善。例如，汽车以高档低速上坡时，离合器往往容易打滑。因此必须提前换如低档以防止摩擦片的早期磨损以至烧坏。这些都需要进一步改善。 
随着汽车运输的发展，离合器还要在原有的基础上不断改进和提高，以适应新的使用条件。从国外的发展动向来看，近年来汽车的性能在向高速发展，发动机的功率和转速不断提高，载重汽车趋向大型化，国内也有类似的情况。此外，对离合器的使用要求也越来越高。所以，增加离合器的传扭能力，提高其使用寿命，简化操作，已经成为目前离合器的发展趋势。
1.3课题研究意义
离合器是汽车传动系不可或缺的重要总成，有保证汽车平稳起步，保证传动系换档时工作平顺，限制传动系所承受的最大转矩，防止传动系过载等功用。膜片弹簧离合器是目前乘用车传动系设计中的主流方案之一，离合器参数优化与结构设计与汽车工程实践密切相关，有利于训练我们的综合设计能力。

第2章 离合器优化设计数学模型

2.1 从动盘盘优化设计
离合器的性能参数有单位压力和后备系数，其参数主要有摩擦片内径d,摩擦片外径D和其厚度b。下面就将对其进行数学模型的建立。后背系数由下式得到，由摩擦片内径d,摩擦片外径D和离合器工作压力决定
（2-1）
式中： 为静摩擦力矩N.m;f为静摩擦因数；F为施加在压盘上的压力N；为摩擦片平均摩擦半径mm;Z为摩擦面数量；c为摩擦片的内外径之比。

2.1.1 目标函数
离合器基本参数的优化设计是保证在使用要求的前提下尽量保持最小的设计尺寸，其目标函数为：
（2-2）
2.1.2设计变量
单位压力由下式确定，取决于F和D和d。其基本参数优化变量为：
（2-3)

2.1.3 约束条件
1）摩擦片的外径D的选取应让最大圆周率不多于65~70m/s，故
（2-4）
其中:
（2-5）
2）摩擦片内外径比c应在0.5~0.7之间，所以
（2-6）
3）为离合器可靠传递转矩的系数，其取值范围为1.2~4.0之间，所以
（2-7）
4）为了防止过载，单位面积的转矩应小于许用值，所以：
（2-8）

5）因为要安装扭转减震器所以摩擦片内径d应大于减震弹簧位置直径2约50mm,所以：
（2-9）
6）摩擦片单位压力的许用值范围为0.10~1.5，所以：
（2-10）

7）为防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤，一次接合单位摩擦功应小于许用值，即：
（2-11）
式中：为单位面积摩擦功，;为其许用值，；W是汽车起步离合器接合一次产生的滑磨功J。

2.2 膜片弹簧的优化设计数学模型
膜片弹簧的优化设计就是确定一组弹簧的基本参数，使其满足使用性能要求，而且弹簧强度也满足使用及设计要求。
2.1.1 目标函数
在对膜片弹簧的优化设计中，应满足膜片弹簧的主要性能要求。所以就要求膜片弹簧的工作压紧力尽可能小 。因此，膜片弹簧的优化设计的目标函数为：摩擦片的极限磨损范围内摩擦片的平均工作压力尽量小，即：
（2-12）
式中：为膜片弹簧的工作压紧力，N；为工作过程中某点的工作压力，N；N为摩擦片的的磨损范围内的等分数。
2.1.2 设计变量
膜片弹簧的载荷F变形量之间的关系为：
（2-13）
式中：E为弹性模量，Mpa；为泊松比；H为膜片弹簧自由状态下碟簧部分的内截锥的高度，mm；h为弹簧钢板厚度，mm;R为自由状态下的碟簧大端半径，mm;r为自由状态下碟簧部分小端半径，mm；为压盘加载点半径，mm;为支撑环加载点半径，mm.式中可以看出，应取H 、h 、R 、r 、 、六个尺寸参数以及在接合工作点相应在弹簧工作压紧力的大端变形量为最优化设计变量，即：
（2-14）
2.1.3 约束条件
1) 为保证离合器传递扭矩的可靠性，膜片弹簧的压紧力应与压紧力相等，即：
（2-15）
2) 为保证A B C较适合的位置，所以选择相对拐点的位置如图2-1，一般
即：
（2-16）
图2-1 膜片弹簧工作点位置图

3）摩擦片磨损后也要保证能够提供可靠地工作压紧力，所以其提供的压紧力应大于新压紧力即：
4）弹簧的与初始锥角在一定范围内，即：
(2-17)
(2-18)
5）压紧力应分布均匀，膜片弹簧的加载点半径应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即：
(2-19)
6）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，因此，即：
(2-20)
7）膜片弹簧工作过程中A点的最大压应力不超过许用值，即
(2-21)
8）为避免弹力减要求，B点的最大的拉应力不能小于许用值，即：
(2-22)
至此，函数优化过程的数学模型建立完毕。优化程序和程序运行图见附录部分，运行结果如下图：

名称
优化前
优化后
摩擦片外径D(mm)
250
223.5
摩擦片内径d(mm)
150
133.8
表2-1摩擦片优化结果

表2-2膜片弹簧优化结果

名称
优化前
优化后
内截锥高度H（mm）
5
4.24
钢板厚度h（mm）
2
1.94
工作点变形量
2.5
2.62

第3章 某轿车离合器的设计参数计算
表3-1 某轿车的发动机及其车身基本参数

发动机
直系4缸
轮胎规格
205/65 R15
最大功率（kw/rpm）
98/5500
发动机压缩比
10:1
扭矩（Nm/rmp）
182/4300-4500
缸径×行程
83.5×90
气门总数
16
制动器类型
盘式
整备质量（kg）
1350
满载质量（kg）
1785

3.1 离合器的整体方案选择
3.1.1 离合器干湿的选择
单盘干式摩擦离合器结构简单，调整方便，轴向尺寸紧凑，分离彻底，从动件转动惯量小，散热性好，采用轴向有弹性的从动盘时也能结合平顺。因此符合这款车型的要求。故选用单盘干式摩擦离合器。
3.1.2 压紧弹簧的结构形式及布置
离合器压紧弹簧的结构形式有：圆柱螺旋弹簧、矩形断面的圆锥螺旋弹簧和膜片弹簧等。膜片弹簧离合器的优点
膜片弹簧离合器主要有如下优点：
1）结构简单，重量轻。因为才用哪个膜片弹簧作为压紧弹簧，离合器省去了螺旋压缩弹簧和分离杠杆，使得整个离合器的结构变得简单，体积和重量都大为减少。 
2）压力分布均匀，因为膜片弹簧与压盘呈圆周接触，压力在摩擦片上到均匀分布，故摩擦片磨