【文章內(nèi)容簡介】 片彈簧離合器結(jié)構(gòu)正逐步地向拉式結(jié)構(gòu)發(fā)展，傳統(tǒng)的操作形式正向自動操作形式發(fā)展，傳統(tǒng)的離合器作為單一總成也正在向離合器與其他總成復(fù)合集成化發(fā)展。因此，提高離合器的可靠 性和使用壽命，適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，増加傳遞轉(zhuǎn)矩的能力和簡化操作，己成為離合器的發(fā)展趨勢。 在國內(nèi)，對于膜片彈簧的優(yōu)化是目前離合器的設(shè)計一個比較令人關(guān)注的熱XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 點。近幾年出版的專著及發(fā)表的文獻都對現(xiàn)有的膜片彈簧離合器優(yōu)化設(shè)計有一定的研究。如江蘇理工大學(xué)的夏長高和朱茂桃的《汽車離合器膜片彈簧優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型分析》、彭書志的《重載機械膜片彈簧離合器的優(yōu)化設(shè)計》、趙晉敏、楊萬福等人在《汽車離合器膜片彈簧的模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計》中都是采用對單目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化。多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法也得到了使用，如廖林清、陳益的《基于靈敏度分析的工程 穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計方法及其應(yīng)用》等都取得了較好的結(jié)果。 XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 2 膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)分析 膜片彈簧離合器工作要求 為了保證離合器具有良好的工作性能，汽車離合器應(yīng)具備以下基本要求： (1)在任何行駛條件下均能可靠地傳遞發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩，并有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩儲備。 (2)接合時要平順柔和，以保證汽車起步時沒有抖動和沖擊。 (3)分離時要迅速、徹底。 (4)離合器從動部分轉(zhuǎn)動慣量要小，以減輕換擋時變速器齒輪間的沖擊，便于換擋和減小同步器的磨損。 (5)應(yīng)有足夠的吸熱能力和良好的通風(fēng)散熱效果，以保證工作溫度不致過高，延 長其使用壽命。 (6)應(yīng)使傳動系避免扭轉(zhuǎn)共振，并具有吸收振動、緩和沖擊和減小噪聲的能力。 (7)操縱輕便、準(zhǔn)確，以減輕駕駛員的疲勞。 (8)作用在從動盤上的壓力和摩擦材料的摩擦因數(shù)在使用過程中變化要盡可能小，以保證有穩(wěn)定的工作性能。 (9)應(yīng)有足夠的強度和良好的動平衡，以保證其工作可靠、壽命長。 (10)結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單、緊湊、質(zhì)量小，制造工藝性好，拆裝、維修、調(diào)整方便等。 膜片彈簧離合器的工作原理 廣 義 上來講，摩擦離合器由主動部分 (包括：發(fā)動機飛輪、離合器蓋和壓盤等 )、從動部分 (從動盤 )、壓緊機構(gòu) (壓 緊彈簧 )和操縱機構(gòu) (分離叉、分離軸承、離合器踏板及傳動部件等 )四部分組成。主、從動部分和壓緊機構(gòu)是保證離合器處于接合狀態(tài)并能傳遞動力的基本結(jié)構(gòu)，操縱機構(gòu)是使離合器主、從動部分分離的裝置 [22]。 離合器的工作過程是離合器操縱機構(gòu)對離合器的作用結(jié)果。 就當(dāng)前研究的干式單片摩擦離合器而言，按其功能要求，結(jié)構(gòu)上應(yīng)由下列幾部分組成：主動件、從動件、膜片彈簧和分離杠桿。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 21所XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 示 (a)離臺器接 合 狀態(tài) (b)離合 器分離 狀態(tài) 1飛輪 2從動盤總成 3壓盤 4分離桿 5分離套筒 6分離器 制動 7離合器踏板 8壓緊彈簧 9離合器蓋 10變速器第一軸 (離合 器 輸出軸 ) 11分離撥叉及操縱連接桿 圖 21 離合器結(jié)構(gòu) 從 圖 21 中可以看到，壓盤 分離桿 4 和壓緊彈簧 8 一起組裝在離合器蓋9 內(nèi)，稱為離合器蓋總成，蓋總成通過螺栓安裝到發(fā)動機的飛輪上，飛輪 1 和壓盤 3 為主動件，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩通過這兩個主動件輸入，飛輪 l和壓盤 3 之間為從動盤總成 2，它作為從動件通過摩擦接受由主動件傳來的輸入轉(zhuǎn)矩，并通過其中間 的從動盤花鍵輸出轉(zhuǎn)矩 (由變速器第一軸 10 接受 )。膜片彈簧 8 通過壓盤 3把從動盤總成緊緊壓在飛輪上，形成工作壓力。當(dāng)發(fā)動機工作帶動飛輪 l和壓盤3 一道旋轉(zhuǎn)時，通過壓盤上壓緊彈簧產(chǎn)生的工作壓力所形成的摩擦力，帶動從動盤總成旋轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)矩的輸出。 如圖 21(a)所示，離合器通?？偸翘幱诮雍蠣顟B(tài)。當(dāng)需要切斷動力時，駕駛員通過離合器操縱系統(tǒng)中的踏板 7，并經(jīng)過操縱傳動桿系及分離撥叉 ll推動分離套筒 5 向前，消除間隙，使分離桿 4 繞其在離合器蓋 9 上的支點轉(zhuǎn)動，克服壓緊彈簧 8 的工作壓力后，壓盤 3 向后移動，從動盤總成 2 和壓盤 3 脫離接觸。圖2l(b)所示從動盤總成 2 不再 輸出轉(zhuǎn)矩：分離套筒向左移動時，在消除間隙△ r后，輸出軸 10 受到了制動，轉(zhuǎn)速很快下降，此種狀況稱為離合器制動，目的是為了容易換擋。但這種離合器制動主要用在重型離合器上，一般離合器不一定XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 采用。分離桿和分離軸承之間的間隙△ y 通常是需要的，因為從動盤總成因摩擦面磨損后會使壓盤 3 向左移動，如果這一移動受到分離軸承的限制，就會導(dǎo)致壓盤 3 不能很好地壓緊摩擦面，造成從動盤在傳扭時發(fā)生打滑現(xiàn)象 。 膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu) 膜片彈簧離合器總成由分離軸承、蓋總成與從動盤總成組成，其中，從動盤總成由輪轂、波形彈簧片、摩擦片、夾 持盤、減振彈簧等組成，如圖 22(a)所示。蓋總成由膜片彈簧、離合器蓋、壓盤、傳動片等部分組成，如圖 22(b)所示。 (a)從動盤總成結(jié)構(gòu)圖 1減振彈簧， 2鉚釘， 3， 3， 5墊片， 6波形彈簧片 7， 9夾 持盤， 8從動盤 輪轂 ， 10摩擦片 (b)蓋總成結(jié)構(gòu)圖 XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 1離合器 蓋 ， 2傳動片， 3膜片彈簧， 4支撐環(huán)， 5壓 盤 圖 22 離合器蓋總成及從動盤結(jié)構(gòu)圖 XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 3 膜片彈簧的設(shè)計 車型選擇 車型：捷達 2021 款 手動舒適型 整車質(zhì)量： 1120kg 主要尺寸： 長 x 寬 x 高 4487x1706x1470 mm 軸距 2603mm 最小離地間隙 120mm 發(fā)動機最大扭矩： 132 發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速： 3800 rpm 膜片彈簧的概念及彈性特性 膜片彈簧的大端處為一完整的截錐，類似無底的碟子，和一般機械上用的碟形彈簧一樣，故稱作跌黃部分。膜片彈簧起彈性作用的正是其跌黃部分。與碟形彈簧不同的是在膜片彈簧上還有徑向開槽部分，形成許多稱為分離指、起分離杠桿作用的彈性杠桿。分離指與碟簧部分小端交接處的徑向槽較寬且呈長方孔，分離指根部的過度圓角半徑大于 ,以減小分離指根部的應(yīng)力集中，長方孔又可用來安置銷釘固定膜片彈簧。 通過支撐環(huán)和壓盤加在膜片彈簧上的載荷 1()PN集中在支撐點處，加載點間的相對軸向變形 1(mm)? (圖 )，則膜片彈簧的彈性特性如下式表示： 2111 1 121 1 1 1( ) [ ] [ ( ) ( ) ]6 ( 1 ) 2Eh R r R rP f H H hR r R r? ? ???? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ?31? 式中 E— 材料的彈性模量 (Mpa),對于鋼： 10E??Mpa ? — 材料的泊松比，對于鋼： ?? H— 膜片彈簧自由狀態(tài)下跌黃部分的內(nèi)截錐高度 (mm) h— 膜片彈簧鋼板厚度 (mm) R、 r— 自由狀態(tài)下碟簧部分大、小端半徑 (mm) R r1— 壓盤加載點和支撐環(huán)加載點半徑 (mm) XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 圖（ ） 膜片彈簧在離合器結(jié)合和分離狀態(tài)下的受力和變形 a)自由狀態(tài) b)結(jié)合狀態(tài) c)分離狀態(tài) 膜片彈簧的彈性特性由其碟簧部分所決定，是非線性的，與自由狀態(tài)下碟簧部分的內(nèi)截錐高 H 及彈簧的鋼板厚 h 有關(guān)。不同的 /hH 值有不同的彈性特性(圖 52)，當(dāng) ( / ) 2Hh? 時， 11()Pf?? 為增函數(shù)，這種彈簧的剛度適于承受大載并用做緩沖裝置中的行程限制。當(dāng) /2Hh? 時， 11()Pf?? 有一極值，該極值點恰為拐點；當(dāng) ? ?2 / 2 2Hh??時，則特性曲線中有一段負(fù)剛度區(qū)域，即變形增加而載荷反而減小。這種特性很適于作為離合器的壓緊彈簧。因為可利用其負(fù)剛度區(qū)域使分離離合器時載荷下降，達到操縱省力的目的。當(dāng)然，負(fù)剛度也不宜過大，以免彈簧工作位置略微變動就引起彈簧壓緊力過大的變化。為兼顧操縱輕便及壓緊力變化不大，汽車離合器膜片彈簧通常取在 ~ 之間。當(dāng) / 2 2Hh? ,側(cè)特性曲線具有更大的負(fù)剛度區(qū)且具有載荷為負(fù)值的區(qū)域，這種彈簧適于汽車液力傳動的鎖止機構(gòu)。 XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 圖 膜片彈簧的彈性特性 膜片彈簧的結(jié)構(gòu)特點 本設(shè)計中的壓緊彈簧是膜片彈簧。而膜片彈簧離合器分推式和拉式，在本設(shè)計中采用拉式結(jié)構(gòu)。 膜片彈簧在結(jié)構(gòu)形狀上分為兩部分。在膜片彈簧的大端處為一完整的截錐體，它的形狀像一個無底的碟子和一般機械上用的碟形彈簧完全一樣，故稱作碟簧部分。膜片彈簧起彈性作用的正是其碟簧部分。 碟形彈簧的彈性作用是這樣：沿其軸線方向加載，碟簧受壓變平，卸載后又恢復(fù)原形所?？梢哉f膜片彈簧是碟形彈簧的一種特殊結(jié)構(gòu)形式。所不同的是，在膜片彈簧上還包括有徑向開槽部分。膜片彈簧上的徑向開槽部分像一圈瓣片，它的作用是，當(dāng)離合器分離時作為分離杠桿。故它又稱分離爪。分離爪與碟簧部分交接處的徑向槽較寬呈長方圓形孔。這樣做，一方面可以減少分離爪根部應(yīng)力集中，一方面又可用來安置銷釘固定膜片彈簧，分離爪根部的過渡圓角 ? 。 膜片彈簧基本參數(shù)的選擇 比值 /Hh 和 h 的選擇 /Hh比值是指碟簧的原始內(nèi)截錐高度 H 及彈簧片厚度 h 之比。設(shè)計膜片彈簧時，要利用其非線性的彈性變形規(guī)律，因此要正確選擇其彈性特性曲線的形狀，以獲得最佳的使用性能。膜片彈簧的彈性特性和 /Hh比值有關(guān)，不同的/Hh比值可以得到不同的彈性特性曲線。一般汽車汽車膜片彈簧的 /Hh值的范圍在 ～ 之間，板厚 h 為 2～ 4 mm 。 本次設(shè)計取 2h mm? ， / ? ，即 mm? 。 /Rr比值和 R 、 r 的選擇 通過分析表明， /Rr越小，應(yīng)力越高，彈簧越硬，彈性曲線受直徑誤差影響越大。汽車離合器膜片彈簧根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和壓緊力的要求， /Rr常在~ 的范圍內(nèi)取值。 本設(shè)計中取 / ? ，拉式膜片彈簧的 r 宜取為大于或者等于 cR ,則 r 取72mm XXXXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 UG 的汽車膜片彈簧的建模與設(shè)計 1. 25 90R r mm? ? ? 。 膜片彈簧起始圓錐底角 ? 膜片彈簧自由狀態(tài)下圓錐角 ? 與內(nèi)截錐高度 H 關(guān)系密切， ? 一般在9 ~15??范圍內(nèi)。 ? ? / / ( R r )arc tan H r HR? ?? ?? ? ?32? 代入數(shù)值計算可得 ?? ，符合要求。 分離指數(shù)目 n 、切槽寬 1? 、窗孔槽寬 2? 、及半徑 er 汽車離合器膜片彈簧的分離指數(shù)目 12n? ，一般在 18 左右，采用偶數(shù)，本次設(shè)計取分離指數(shù)目 18n? 。 切槽寬 1 ~ mm? ? ，窗孔槽寬 2? 9 ~10 mm? ，半徑 re 的取值應(yīng)滿足 rr??2? ? ?33? 本次設(shè)計取 1? ? ， 2? 9mm? ， 632er r mm?? ? ? 。 膜片彈簧小段內(nèi)半徑 0r 及分離軸承作用半徑 fr 的確定 0r 的值主要由離合器的結(jié)構(gòu)決定 ，其最小值應(yīng)大于變速器第一軸花鍵的外徑?；ㄦI的尺寸可根據(jù)摩擦片的外徑 D 與發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩 maxeT 取得。 分離軸承作用半徑 fr 應(yīng)大于 0r 。本次設(shè)計取 0r 30mm? ， fr 31mm? 。 壓盤加載點半徑 1 R 和支承環(huán)加載點半徑 1r 的確定 1 R 和 1r 的取值將影響膜片彈簧的剛度。 1r 應(yīng)略大于 r 且盡量接近 r ， 1 R 應(yīng)略小于 R 且盡量接近 R 。故選擇 1 89R mm? ， 1 73r mm? 。 膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計 膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計就是要確定一組彈簧的基本參數(shù)，使其彈性特性滿足離合器的使用性能要求，而且彈簧強度也滿足設(shè)計要求，以達到最佳的綜合效果 [23]。 （ 1）為了滿足