基于ug的汽车膜片弹簧建模与设计毕业设计说明书.doc

毕业设计说明书 学生姓名： X X X 学 号： XXXXXXXX 学 院： XXXXXXXX 学院 专业年级： 201X 级 XXXXXXX 班 题 目： 基于 UG 的汽车膜片弹簧建模与设计 指导教师： X X X 教授 评阅教师： 201X 年 05 月 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 摘摘 要要 离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和 实现对传动系的动力传递，以保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合， 确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换挡齿轮 之间的冲击；在工作中受到大的动载荷时；能限制传动系所承受的最大转矩， 防止传动系各零件因过载而损坏；同时，由于离合器避免了发动机与变速箱的 刚性连接，能有效地降低传动系中的振动和噪声。因此，离合器在使用过程中， 故障率极高，其中以因压紧力不足而出现难挂挡而导致异常磨损或烧蚀以及踏 板力沉重为主。 膜片弹簧是离合器中最关键的部件，离合器的工作压力以及踏板力、压盘 升程和分离行程都与膜片弹簧相关。因此，研究膜片弹簧的力学性能对查找离 合器故障原因以及提出优化方案不仅具有理论意义，也具有巨大的现实利益。 本论文的重点有三方面的内容：一、离合器的工作原理与结构；二、膜片 弹簧的数学模型的建立以及理论推导；三、基于 UG 对于膜片弹簧的建模设计。 首先，分析了离合器的国内外发展现状，并提出本文的研究内容，目的和 意义。 其次，分析离合器工作原理与结构，离合器的关键零部件在离合器工作中 的作用，并提出膜片弹簧对离合器技术参数的影响。 接着对膜片弹簧进行数学建模，强度校核等，并基于 UG 进行建模。 最后结合前面所有的研究成果，总体宏观把握，提出了工作总结与展望。 关键词：膜片弹簧；建模与设计；UG；汽车离合器 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 TitleTitle Modeling and design of automobile diaphragm spring based on UG Abstract Clutch of automobile driving system is directly connected with the engine assembly and its main function is cut off and the transmission power of the transmission line, to ensure the car started the engine and transmission line joins smoothly and ensure a smooth start car; the shifting of the engine and the transmission line separation, reduce the impact between the shift gears of the transmission; in the work by the large dynamic load; to limit the transmission under the maximum torque to prevent transmission parts from being damaged due to overloading; at the same time, due to the clutch to avoid the rigid connection of the engine and the gearbox, effectively reduce the vibration and noise of the transmission system. Therefore, the clutch in the use of the process, the high failure rate, which in due to the lack of compression force and the difficulty of the suspension caused by abnormal wear or erosion and heavy pedal force. Diaphragm spring is the key part in the clutch, clutch working pressure and pedal force, pressure plate rise and separating stroke are and the diaphragm spring. Therefore, the study of the mechanical properties of the diaphragm spring for finding the clutch failure reasons and the proposed optimization scheme not only has the theoretical significance, but also has huge real benefits. This paper focuses on three aspects of content:, clutch working principle and structure; second, the mathematical model of the diaphragm spring is established and the theoretical derivation; third, based on the UG modeling and design of diaphragm spring. Firstly, the paper analyzes the development of the clutch at home and abroad, and puts forward the research content, purpose and significance of this paper Secondly, it analyzes the working principle and structure of the clutch, the key parts of the clutch in the clutch work, and puts forward the influence of diaphragm spring on the clutch technical parameters XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 Then, the mathematical modeling of diaphragm spring, strength checking, etc., and based on UG modeling. In the end, the overall macro grasp of the research results, and the summary and Prospect of the work is presented. Keywords : Diaphragm spring; Modeling and design; UG; Automobile clutch XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 目 录 1 绪论.1 1.1 研究背景.1 1.2 课题的研究内容和目的.2 1.3 汽车膜片弹簧的研究和发展现状.2 1.3.1 汽车离合器的发展.2 1.3.2 国内外汽车膜片弹簧研究现状.6 2 膜片弹簧离合器结构分析.8 2.1 膜片弹簧离合器工作要求.8 2.2 膜片弹簧离合器的工作原理.8 2.3 膜片弹簧离合器结构10 3 膜片弹簧的设计11 3.1 车型选择11 3.2 膜片弹簧的概念及弹性特性11 3.3 膜片弹簧的结构特点13 3.4 膜片弹簧基本参数的选择13 3.4.1 比值 和的选择 13/H hh 3.4.2 比值和、 的选择 13/R rRr 3.4.3 膜片弹簧起始圆锥底角14 3.4.4 分离指数目、切槽宽、窗孔槽宽、及半径14n 1 2 e r 3.4.5 膜片弹簧小段内半径及分离轴承作用半径的确定14 0 r f r 3.4.6 压盘加载点半径和支承环加载点半径 的确定 14 1 R 1 r 3.5 膜片弹簧的优化设计14 3.6 弹簧材料及制造工艺15 4 基于 UG 对膜片弹簧的建模.17 4.1 UG 软件介绍 .17 4.2 UG 模型绘制 .18 结论.20 致谢.21 参考文献.22 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 汽车是重要的交通运输工具，是科学技术发展水平的标志，随着现代生活 的节奏越来越快，人们对交通工具的要求也越来越高。汽车作为最普通的交通 工具，在日常的生活和工作中起了重要的作用。因此，汽车工业的规模及产品 的质量就成为衡量一个国家技术的重要标志之一。 膜片弹簧离合器是近年来在轿车和轻型汽车上广泛采用的一种离合器，它 的转矩容量大而且较稳定，操作轻便，平衡性好，也能大量生产，对于它的研 究已经变得越来越重要。随着汽车发动机转速、功率不断提高和汽车电子技术 的高速发展，人们对离合器的要求越来越高1。从提高离合器工作性能的角度 出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式膜片弹簧离合器结构发 展，传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和 延长其使用寿命，适应发动机的高转速，增加离合器传递转矩的能力和简化操 纵，已成为离合器的发展趋势。 随着社会节奏的加快以及人们生活水平的提高，对汽车来说，人们要求它 有自重轻、行使速度 高、加速性能好、可以在各种路面上甚至无路地区行驶及 机动灵活等特点。为了满足各种行驶的需求，在汽车上要需要有一套复杂的传 动系统。现代汽车上最常用的是机械式传动系统，它是由发动机以及离合器、 变速器、万向节传动轴、主减速器、差速器和驱动车轮的传动装置（如半轴） 等部件组成。其中离合器是作为一个独立的部件而存在的。它在传动系统中起 着传递扭矩、分离传动、减振和过载保护多重功用，其品质直接影响汽车性能， 对于使用工况复杂、超载严重的中国汽车更是如此2。 为了满足汽车配套的需要，上世纪 80 年代，几个厂家先后从国外引进了膜 片弹簧设计与制造技术。这些企业引进工作有力地促进国内汽车离合器行业的 发展，为今后工作打下了一定的基础，但由于技术与资金的有限，缺乏长期高 额投资的能力，形式不容乐观，与国外先进产家相比仍有相当大的差距3。 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 1.2 课题的研究内容和目的课题的研究内容和目的 根据自选车型及整车技术参数，选择合适膜片弹簧的结构参数，设计计算 其参数尺寸；目前汽车膜片弹簧离合器的应用越来越广泛。在国外,不但轿车上 用,在中吨位货车上也得到了广泛的应用,甚至在重型货车上也有应用的趋势。国 产的汽车上虽然还没有大量采用,但是我国同国外合资的汽车生产线所引进的样 车都采用了膜片弹簧离合器。所以,各汽车生产厂家在这方面都做了许多工作,以 便进一步提高合资生产汽车国产化的比重和改善国产汽车的性能。 离合器是传动系中切断和传递动力的部件，是汽车传动系中的重要组成部 分。而离合器中膜片弹簧特性对于离合器工作状况的影响非常大，改进离合器 膜片弹簧就显得尤为重要。但由于膜片弹簧设计中需考虑的因素多、计算公式 繁琐,膜片弹簧的设计过去一直采用试凑法,即按一定步骤计算得出结果。如果不 合适,则修改参数,重新计算,直到满意为止4。这样的设计方法慢而烦,工作量又 大,很难得到最优结果。采用优化设计可将以前作为简化的参数都考虑进去,通过 优化程序计算可以很快地得到满意的结果。所以,进行膜片弹簧优化设计是一项 具有实际意义的工作5。 1.3 汽车膜片弹簧汽车膜片弹簧的研究和发展现状的研究和发展现状 1.3.1 汽车离合器的发展 在 100 多年的汽车发展史中，几乎所有的零部件在技术方面都经历过巨大 的发展变化：可靠性、生产成本、维护便利性、节能减排性等，都已经且将一 直成为汽车行业的追求目标，这些发展目标要求汽车工程师们不断地开发出更 新更好的解决方案6。 离合器通过脚踏板来工作。踩下离合器踏板，通过分离拨叉拉回锥形座圈， 释放弹簧，从而使离合器分离。在 1889 年，戴姆勒的钢轮汽车已使用这种设计 原理的基本形式：配备了一个锥形/斜面摩擦离合器。这个可以自由移动的锥形 盘位于变速器轴上，与曲轴上带锥形凹槽的飞轮可以牢牢地接合。螺旋弹簧将 锥形盘压入到飞轮锥形凹槽里，离合器接合；可踩下脚踏板，通过分离套筒、 弹簧将此锥形盘拉回，从而分离离合器，中断动力传输。最初使用驼毛做为锥 形盘摩擦面的材料，但很快被皮革取代。后者在蓖麻油中浸泡过，可以防潮湿， 防油/脂。其优点是：可以自动调节，变速器输入轴上不受应力，但也有缺点， XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 就是太重。一方面，摩擦片磨损太快，更换太复杂，后在皮革摩擦片中设计了 压紧弹簧销或传动片以做改进。另一方面，飞轮和离合器锥盘体积太大，因而 其惯性力矩较大导致换档时离合器比其要求的分离过程要慢很多。若干年后， 单盘离合器就淘汰了锥形盘离合器。De Dion 和 Bouton 是第一个认识到单盘离 合器是离合器未来发展方向的人7。随着 Ferodo 石棉摩擦片的出现，离合器技 术取得了一大进步。石棉摩擦片大概从 1920 年代起一直使用到当代，直到其被 非石棉摩擦片取代。单盘干式离合器的优点是很明显的：较低的从动盘质量使 其分离后可更快地停止转动，从而使换档更容易彻底告别了变速器制动结 构8。 单盘干式的最初构造相对较复杂。离合器外罩用法兰固定在飞轮上，离合 器盖用螺栓固定在离合器外罩里。带弹簧向内侧压缩的分离杠杆的离合器盖从 中间盘经由摩擦盘传递压力，将来自飞轮的转矩传到变速器。摩擦盘通过驾驶 员将其连接到连接处或变速器输入轴。离合器通过一个可让锥形盘前后移动的 滑动环片来实现分离和接合。锥盘的各侧相应地作用于分离杠杆，分离杠杆由 螺旋弹簧起作用，受到压紧或分开，即中间盘接合/分离。由于锥盘是转动的， 而滑动环片是静止的，故需要定期地润滑9。 然而随着发动机转速的不断增加，离合器变得越来越重。除此以外，用来 作用于分离杠杆的分离轴承一直处在受压状态下，使其和离合器外罩很容易发 生磨损，尤其是在发动机高转速时换档，会很快地磨损。 为了解决上述这些系统性的不足，人们便开发出了膜片弹簧离合器，膜片 弹簧离合器诞生于 1936 年通用汽车的研究实验室里，并在 1930 年代后期在美 国大批量生产10。在欧洲，是在第二次世界大战之后，人们通过美国通用公司 的军用卡车才开始熟悉膜片弹簧离合器，并在 1950 年代中期应用在一些单一的 欧洲车型上。保时捷 356，Goggomobil，宝马 700 和 DKW Munga 是第一批配 备了膜片弹簧离合器的德国制造的汽车。膜片弹簧离合器大批量生产始于 1965 年的欧宝 Rekord 车型11。 由于膜片弹簧离合器能够均衡、对称地转动，因而不受发动机转速的影响。 膜片弹簧离合器在 1960 年代获得了成功，那时凸轮轴顶置式高转速发动机 (Glas，宝马，阿尔法罗密欧)大范围地取代了凸轮轴下置式发动机12。1960 年 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 代末至今，几乎所有的汽车制造商都采用膜片弹簧离合器。 当前，我国汽车离合器技术也正处于发生深刻变化的时期。随着多种变速 箱技术的发展和齐头并进，我国离合器技术也逐渐由单一的、传统的摩擦式离 合器向多种传动技术并存的方向发展13。 2000 年以前，我国基本上还是摩擦式离合器一枝独秀，2000 年以后，随着 汽车逐渐向舒适性和环保节能的要求转变，加上国外先进传动技术的相继研发 和引进，我国摩擦式离合器作为传动部件的垄断地位逐渐被打破14。最近几年， 我国自动档车型产量上升很快，2007 年，我国乘用车自动档的比重已经突破 30%。 自动变速器目前已经在用的技术有 AT、AMT、CVT 和 DCT 等，它们对应的传 动部件都不完全相同。AT、CVT 主要对应的是液力变矩器（TC），同时也附 带有一个锁止离合器。 AMT 主要还是传统的摩擦式离合器，但需要改进成自 适应（自动补偿）离合器。DCT 主要对应是干式或者湿式双离合器、双质量飞 轮15。目前，国内主要的离合器技术还是适应手动变速器（MT），也就是传 统的摩擦弹簧离合器。摩擦弹簧离合器主要有螺旋弹簧离合器、膜片弹簧离合 器、单片离合器、多片离合器、拉式离合器、湿式离合器和干式离合器等不同 分类。 目前，我国离合器技术发展也由传统摩擦弹簧离合器向多种传动技术方式 的发展。螺旋弹簧离合器基本上即将退出市场，目前只是在维修市场因价格便 宜还有一些车主使用。膜片弹簧已经成为我国目前离合器的主流技术。在自动 档领域，液力变矩器我国已经在上海萨克斯实现了产业化，国内还有数家企业 的液力变矩器也已经实现小批量生产。目前，国内技术开发最困难的是双离合 器。目前，国内的杭维柯、上汽变速器等都已经推出了双离合器变速器样品， 但核心技术主要还是来自国外。 与跨国企业相比较，我国汽车离合器的技术差距，可以表现为两个方面： 一方面是在商用车尤其在载货车领域，跨国企业的离合器产品与国内产品存在 差距，也即国内企业的产品有一定的竞争优势。另一方面，在乘用车领域，我 国离合器产品与跨国企业的产品有很大的差距，跨国企业产品有很大的竞争优 势。中外汽车离合器技术差距产生的因素，主要有市场、技术发展趋势、工业 基础、车主消费习惯、政策环境等因素16。 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 我国商用车离合器与国外相比是有竞争优势的，很多外资企业都无法进入 我国载货汽车的配套体系。为什么呢，难道国外公司没有开发出不适合载货汽 车用的离合器？不是的，最主要的差别还是中国的国情造成的。在中国，载货 汽车超载已经成为一个普遍的现象，即“大吨小标”现象非常突出，而且屡禁 不止，有时候还不算违法。比如，很多超载的汽车只要不上路，不违法；单位 内部用的车辆，无论怎么超载也不违法，而且还受到单位的鼓励，说要提高效 率。对国外企业来讲，他们就不明白一辆额定载重为 10 吨的汽车离合器为什么 要用到适合在 30、40 吨汽车上用的离合器。而一旦按额定载重匹配上离合器， 车主很快就会发现，即使是国外品牌的离合器，都不经用、不好使。国内的载 货车车主不会认为是自己超载惹的“祸”，而是自然地认为是国外品牌的产品 品质不好。所以，即使是国外品牌再好的离合器，一进入中国载货汽车领域， 马上就会出现“水土不服”，而国内离合器生产企业恰恰对国内的情况非常熟 悉和了解，能够运作自如。所以，我们可以发现，在商用车离合器领域，市场 基本上是国内企业在做，外资企业基本上是没有涉及这个领域17。去年底萨克 斯高调宣布进军商用车离合器领域，不知道是客车还是载货汽车，如果是载货 汽车，它是否会同样面临中国式的“水土不服”的问题。对这种情况，国内一 个离合器企业的领导说，这叫“应用技术”，国内企业在商用车离合器的“应 用技术”水平高于国外，国内企业要提高的是离合器产品的应用技术水平，更 好地适应中国客户的要求18。 在乘用车领域，国内技术与国外技术差距明显。主要的原因是中国轿车 工业基础一直比较薄弱，原来国内人民的生活水平也比较低下，轿车对普通大 众来讲还是一种身份、地位和奢侈的象征，通过合资引进轿车，虽然国内的轿 车各方面的技术有了很大的进步，老百姓对轿车的要求也逐渐提高，但基本上 还是属于“供给创造需求”的被动接受的状态。在国外，汽车早就向舒适、环 保节能方向发展。一位 LuK 公司的人士称，今后离合器行业发展的一个方向就 是如何提高换档的舒适性。为了提高换档舒适性，国外各种自动变速器技术和 减震、降噪的离合器技术应用而生19。比如，LuK 公司在 1985 年就研发出能 降低减震和噪声效果的双质量飞轮。国内现在也在开发双质量飞轮，但除了碰 到技术原因之外，由于国内工业基础比较薄弱，很多一些双质量飞轮的零部件 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 如变形弹簧、轴承等都很难在国内采购到。又如，为了既有舒适性又节约油耗， 博格华纳和 LuK 公司相继研发出了双离合器（DCT），双离合器不仅对传统离 合器企业提出了很高的要求，而且还对传统的变速箱企业也提出了一个很高的 要求。据杭齿的人士讲，国内要推出 DCT，最快也要 2-3 年时间，而且还是一 个初级 DCT，可能不搭载双质量飞轮的 DCT。这样的 DCT，舒适性也将大打 折扣。其他传统离合器的替代产品如自适应离合器、液力变矩器、电子自动离 合器等，都是轿车向舒适化、环保节能化方向发展的结果。随着国内人民生活 水平的提高，对这些方面也会越来越重视，国内企业也将逐渐缩小与国外企业 的技术差距，但这个过程将会比较漫长，尤其是需要政府的大力支持，有了资 金和市场，国内缩小这些差距过程也将大大缩短20。 1.3.2 国内外汽车膜片弹簧研究现状 膜片弹簧离合器相对于螺旋弹簧离合器有着一系列的优点：膜片弹簧的非 线性特性使在摩擦片整个磨损过程中保证压盘受到压紧力基本保持不变，保证 离合器工作性能更稳定；膜片弹簧的分离指起到分离杠杆的作用，这样，省去 了多组分离杠杆装置，零件数目减少，质量也减轻；在满足相同压紧力的情况 下，膜片弹簧的轴向尺寸较螺旋弹簧小，在有限的空间内便于布置，使离合器 的结构更为紧凑；同时膜片弹簧是圆形旋转对称零件，平衡性好，在高速时， 其压紧力降低很少。并且制造工艺水平的不断提高，膜片弹簧离合器越来越广 泛运用在现在汽车中。 1930 年，关国斯坦福大学的铁摩幸柯提出了著名的铁摩幸柯假设，开始了 对膜片弹簧的研究。1936 年，美国通用汽车公司研究实验部工程师阿尔曼和拉 斯路根据铁摩幸柯假设，推导出了著名的阿尔曼一拉斯路公式，简称 A-L 公式， 奠定了膜片弹簧的计算基础。此后各国学者又在对 A-L 法进行了进一歩研究的 基础上，提出了更加完善的计算公式21。 近年来随着我国汽车工业的飞速发展，汽车发动机转速和功率的不断提高、 汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求越来越高。如何在高转速大功 率下保证离合器的稳定工作成为国内外研究的主要课题。从提高离合器工作性 能的角度出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式结构发展，传 统的操作形式正向自动操作形式发展，传统的离合器作为单一总成也正在向离 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 合器与其他总成复合集成化发展。因此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适 应高转速，増加传递转矩的能力和简化操作，己成为离合器的发展趋势。 在国内，对于膜片弹簧的优化是目前离合器的设计一个比较令人关注的热 点。近几年出版的专著及发表的文献都对现有的膜片弹簧离合器优化设计有一 定的研究。如江苏理工大学的夏长高和朱茂桃的汽车离合器膜片弹簧优化设 计的数学模型分析、彭书志的重载机械膜片弹簧离合器的优化设计、赵 晋敏、杨万福等人在汽车离合器膜片弹簧的模糊可靠性优化设计中都是采 用对单目标函数进行优化。多目标优化设计方法也得到了使用，如廖林清、陈 益的基于灵敏度分析的工程稳健优化设计方法及其应用等都取得了较好的 结果。 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 2 2 膜片弹簧离合器结构分析膜片弹簧离合器结构分析 2 2.1.1 膜片弹簧离合器工作要求膜片弹簧离合器工作要求 为了保证离合器具有良好的工作性能，汽车离合器应具备以下基本要求： (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。 2 2. .2 2 膜片弹簧离合器的工作原理膜片弹簧离合器的工作原理 广义上来讲，摩擦离合器由主动部分(包括：发动机飞轮、离合器盖和压盘 等)、从动部分(从动盘)、压紧机构(压紧弹簧)和操纵机构(分离叉、分离轴承、 离合器踏板及传动部件等)四部分组成。主、从动部分和压紧机构是保证离合器 处于接合状态并能传递动力的基本结构，操纵机构是使离合器主、从动部分分 离的装置22。 离合器的工作过程是离合器操纵机构对离合器的作用结果。 就当前研究的干式单片摩擦离合器而言，按其功能要求，结构上应由下列 几部分组成：主动件、从动件、膜片弹簧和分离杠杆。其结构原理图如图 2-1 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 所示 (a)离台器接合状态 (b)离合器分离状态 1-飞轮 2-从动盘总成 3-压盘 4-分离杆 5-分离套筒 6-分离器 制动 7-离合器踏板 8-压紧弹簧 9-离合器盖 10-变速器第一轴(离合 器输出轴) 11-分离拨叉及操纵连接杆 图 2-1 离合器结构 从图 2-1 中可以看到，压盘 3、分离杆 4 和压紧弹簧 8 一起组装在离合器盖 9 内，称为离合器盖总成，盖总成通过螺栓安装到发动机的飞轮上，飞轮 1 和 压盘 3 为主动件，发动机的转矩通过这两个主动件输入，飞轮 l 和压盘 3 之间 为从动盘总成 2，它作为从动件通过摩擦接受由主动件传来的输入转矩，并通 过其中间的从动盘花键输出转矩(由变速器第一轴 10 接受)。膜片弹簧 8 通过压 盘 3 把从动盘总成紧紧压在飞轮上，形成工作压力。当发动机工作带动飞轮 l 和压盘 3 一道旋转时，通过压盘上压紧弹簧产生的工作压力所形成的摩擦力， 带动从动盘总成旋转，完成转矩的输出。 如图 2-1(a)所示，离合器通常总是处于接合状态。当需要切断动力时，驾 驶员通过离合器操纵系统中的踏板 7，并经过操纵传动杆系及分离拨叉 ll 推动 分离套筒 5 向前，消除间隙，使分离杆 4 绕其在离合器盖 9 上的支点转动，克 服压紧弹簧 8 的工作压力后，压盘 3 向后移动，从动盘总成 2 和压盘 3 脱离接 触。图 2-l(b)所示从动盘总成 2 不再输出转矩：分离套筒向左移动时，在消除间 隙r 后，输出轴 10 受到了制动，转速很快下降，此种状况称为离合器制动， 目的是为了容易换挡。但这种离合器制动主要用在重型离合器上，一般离合器 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 不一定采用。分离杆和分离轴承之间的间隙y 通常是需要的，因为从动盘总 成因摩擦面磨损后会使压盘 3 向左移动，如果这一移动受到分离轴承的限制， 就会导致压盘 3 不能很好地压紧摩擦面，造成从动盘在传扭时发生打滑现象。 2.3 膜片弹簧离合器结构膜片弹簧离合器结构 膜片弹簧离合器总成由分离轴承、盖总成与从动盘总成组成，其中，从动 盘总成由轮毂、波形弹簧片、摩擦片、夹持盘、减振弹簧等组成，如图 2-2(a) 所示。盖总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片等部分组成，如图 2-2(b) 所示。 (a)从动盘总成结构图 1-减振弹簧，2-铆钉，3，3，5-垫片，6-波形弹簧片 7，9-夹持盘，8-从动盘轮毂，10-摩擦片 (b)盖总成结构图 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 1-离合器盖，2-传动片，3-膜片弹簧，4-支撑环，5-压盘 图 2-2 离合器盖总成及从动盘结构图 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 3 3 膜片弹簧的设计膜片弹簧的设计 3.1 车型选择车型选择 车型：捷达 2013 款 1.4L 手动舒适型 整车质量： 1120kg 主要尺寸： 长 x 宽 x 高 4487x1706x1470 mm 轴距 2603mm 最小离地间隙 120mm 发动机最大扭矩： 132 N.m 发动机最大扭矩转速： 3800 rpm 3.2 膜片弹簧的概念及弹性特性膜片弹簧的概念及弹性特性 膜片弹簧的大端处为一完整的截锥，类似无底的碟子，和一般机械上用的 碟形弹簧一样，故称作跌黄部分。膜片弹簧起弹性作用的正是其跌黄部分。与 碟形弹簧不同的是在膜片弹簧上还有径向开槽部分，形成许多称为分离指、起 分离杠杆作用的弹性杠杆。分离指与碟簧部分小端交接处的径向槽较宽且呈长 方孔，分离指根部的过度圆角半径大于 4.5mm,以减小分离指根部的应力集中， 长方孔又可用来安置销钉固定膜片弹簧。 通过支撑环和压盘加在膜片弹簧上的载荷集中在支撑点处，加载点间 1( )P N 的相对轴向变形(图 5.1)，则膜片弹簧的弹性特性如下式表示： 1(mm) 2 11 111 2 1111 ()()() 6(1)2 EhRrRr PfHHh RrRr 3 1 式中 E材料的弹性模量(Mpa),对于钢：Mpa 5 2.1 10E 材料的泊松比，对于钢：0.3 H膜片弹簧自由状态下跌黄部分的内截锥高度(mm) h膜片弹簧钢板厚度(mm) R、r自由状态下碟簧部分大、小端半径(mm) R1、r1压盘加载点和支撑环加载点半径(mm) XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 图（3.1） 膜片弹簧在离合器结合和分离状态下的受力和变形 a)自由状态 b)结合状态 c)分离状态 膜片弹簧的弹性特性由其碟簧部分所决定，是非线性的，与自由状态下碟 簧部分的内截锥高 H 及弹簧的钢板厚 h 有关。不同的值有不同的弹性特/ hH 性(图 5-2)，当时，为增函数，这种弹簧的刚度适于承受(/ )2H h 11 ()Pf 大载并用做缓冲装置中的行程限制。当时，有一极值，该/2H h 11 ()Pf 极值点恰为拐点；当时，则特性曲线中有一段负刚度区域，2/2 2H h 即变形增加而载荷反而减小。这种特性很适于作为离合器的压紧弹簧。因为可 利用其负刚度区域使分离离合器时载荷下降，达到操纵省力的目的。当然，负 刚度也不宜过大，以免弹簧工作位置略微变动就引起弹簧压紧力过大的变化。 为兼顾操纵轻便及压紧力变化不大，汽车离合器膜片弹簧通常取在之1.5 2.0 间。当,侧特性曲线具有更大的负刚度区且具有载荷为负值的区域，/2 2H h 这种弹簧适于汽车液力传动的锁止机构。 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 图 3.2 膜片弹簧的弹性特性 3.3 膜片弹簧的结构特点膜片弹簧的结构特点 本设计中的压紧弹簧是膜片弹簧。而膜片弹簧离合器分推式和拉式，在本 设计中采用拉式结构。 膜片弹簧在结构形状上分为两部分。在膜片弹簧的大端处为一完整的截锥 体，它的形状像一个无底的碟子和一般机械上用的碟形弹簧完全一样，故称作 碟簧部分。膜片弹簧起弹性作用的正是其碟簧部分。碟形弹簧的弹性作用是这 样：沿其轴线方向加载，碟簧受压变平，卸载后又恢复原形所。可以说膜片弹 簧是碟形弹簧的一种特殊结构形式。所不同的是，在膜片弹簧上还包括有径向 开槽部分。膜片弹簧上的径向开槽部分像一圈瓣片，它的作用是，当离合器分 离时作为分离杠杆。故它又称分离爪。分离爪与碟簧部分交接处的径向槽较宽 呈长方圆形孔。这样做，一方面可以减少分离爪根部应力集中，一方面又可用 来安置销钉固定膜片弹簧，分离爪根部的过渡圆角。4.5R 3.4 膜片弹簧基本参数的选择膜片弹簧基本参数的选择 3.4.1 比值 和的选择 /H hh 比值是指碟簧的原始内截锥高度及弹簧片厚度之比。设计膜片弹/H hHh 簧时，要利用其非线性的弹性变形规律，因此要正确选择其弹性特性曲线的形 状，以获得最佳的使用性能。膜片弹簧的弹性特性和比值有关，不同的/H h 比值可以得到不同的弹性特性曲线。一般汽车汽车膜片弹簧的值的/H h/H h 范围在 1.52.0 之间，板厚 为 24 mm 。h 本次设计取， ，即 。 2hmm/ 1.8H h 3.6Hmm 3.4.2 比值和、 的选择/R rRr 通过分析表明，越小，应力越高，弹簧越硬，弹性曲线受直径误差影/R r 响越大。汽车离合器膜片弹簧根据结构布置和压紧力的要求，常在/R r 的范围内取值。1.20 1.35 本设计中取，拉式膜片弹簧的 宜取为大于或者等于,则 取/ 1.25R r r c R r 72mm XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 。1.2590Rrmm 3.4.3 膜片弹簧起始圆锥底角 膜片弹簧自由状态下圆锥角与内截锥高度关系密切，一般在H 范围内。9 15 /(Rr)arctan HrHR32 代入数值计算可得，符合要求。12.04 3.4.4 分离指数目、切槽宽、窗孔槽宽、及半径n 1 2 e r 汽车离合器膜片弹簧的分离指数目，一般在 18 左右，采用偶数，本12n 次设计取分离指数目。 18n 切槽宽，窗孔槽宽，半径 r 的取值应满足 1 3.2 3.5 mm 2 9 10 mm e rr 2 33 本次设计取， ，。 1 3.3mm 2 9mm63 2e rrmm 3.4.5 膜片弹簧小段内半径及分离轴承作用半径的确定 0 r f r 的值主要由离合器的结构决定，其最小值应大于变速器第一轴花键的外 0 r 径。花键的尺寸可根据摩擦片的外径 D 与发动机的最大转矩取得。分离轴 maxe T 承作用半径应大于。本次设计取 ， 。 f r 0 r 0 r30mm f r31mm 3.4.6 压盘加载点半径和支承环加载点半径 的确定 1 R 1 r 和的取值将影响膜片弹簧的刚度。应略大于 且尽量接近 ，应 1 R 1 r 1 rrr 1 R 略小于且尽量接近。故选择，。RR 1 89Rmm 1 73rmm 3.5 膜片弹簧的优化设计膜片弹簧的优化设计 膜片弹簧的优化设计就是要确定一组弹簧的基本参数，使其弹性特性满足 离合器的使用性能要求，而且弹簧强度也满足设计要求，以达到最佳的综合效 果23。 （1）为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的 与初始底锥角/H h XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 应在一定范围内，即 /HRr 1.622.2H h34 9/12.0415HRr 35 （2）弹簧各部分有关尺寸的比值应符合一定的范围，即 1.20/1.251.35R r36 0 3.5/4.565.0R r37 （3）为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，拉式膜片弹簧的压盘加载点 半径 r1 应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即 1 7/ 4/ 23DdrD3 8 （4）根据弹簧结构布置要求，与，rf与 r0之差应在一定范围内，即 1 RR 1 117RR 39 0 044 f rr3 10 （5）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，因此其杠杆比应在一定范围内 选取，即 1 11 r 3.53.59.0 f R Rr 3 11 3.6 弹簧材料及制造工艺弹簧材料及制造工艺 国内膜片弹簧一般采用 60Si2MnA 或 50CrVA 等优质高精度钢板材料。为 了保证其硬度、几何形状、金相组织、载荷特性和表面质量等要求，需进行一 系列热处理。为了提高膜片弹簧的承载能力，要对膜片弹簧进行强压处理，即 沿其分离状态的工作方向，超过彻底分离点后继续施加过量的位移，使其过分 离 38 次，并使其高应力区发生塑性变形以产生残余反向应力。另外，对膜片 弹簧的凹面或双面进行喷丸处理，即以高速弹丸流喷射到膜片弹簧表面，使表 层产生塑性变形，形成一定厚度的表面强化层，起到冷作硬化的作用，同样也 可提高疲劳寿命。为提高分离指的耐磨性，可对其端部进行高频感应加热淬火 或镀铬。为了防止膜片弹簧与压盘接触圆形处由于拉应力的作用产生裂纹，可 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 对该处进行挤压处理，以消除应力源。 膜片弹簧表面不得有毛刺、裂纹、划痕等缺陷。碟簧部分的硬度一般为 4550HRC，分离指端硬度为 5562HRC，在同一片上同一范围内的硬度差不 大于 3 个单位。碟簧部分应为均匀的回火托氏体和少量的索氏体。单面脱碳层 的深度一般不得超过厚度 3。膜片弹簧的内外半径公差一般为 H1l 和 h11，厚 度公差为，上、下表面的表面粗糙度为，底面的平面度一般要0.025mm1.6 m 求小于 0.1mm，初始底锥角公差为10。膜片弹簧处于接合状态时，其分离指 端的相互高度差一般要求小于 0.81.0mm。 表 3-1 膜片弹簧的相关参数 类目数据 比值和的选择/H hh /1.8H h 3hmm 比值和、的选择/R rRr /1.25R r 72rmm90Rmm 的选择 12.04 分离指数目n18n 切槽宽度、及半径 1 2 e r 1 3.3mm 2 9mm63 e rmm 膜片弹簧小段内半径 0 r 分离轴承作用半径 f r 0 30rmm 31 f rmm 压盘加载点半径 1 R 支撑环加载点半径 1 r 1 89Rmm 1 73rmm XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 4 基于基于 UG 对膜片弹簧的建模对膜片弹簧的建模 4.1 UG 软件介绍软件介绍 UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software 公司出品的一个产品工程 解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。 Unigraphics NX 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践 验证的解决方案。是一个交互式 CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造) 系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构24。 NX 为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的 解决方案。利用 NX 建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。 NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机 械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何 复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、 钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。 UG NX 加工基础模块提供联接 UG 所有加工模块的基础框架，它为 UG NX 所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在 图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨 迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用 于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用 户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半 精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。 UG 软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全 相关25。 NX 产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程 并与扩展的企业共享产品信息。 NX 与 UGS PLM 的其他解决方案的完整套 件无缝结合。这些对于 CAD 、 CAM 和 CAE 在可控环境下的协同、产品数 据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 4.2 UG 模型绘制模型绘制 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 (i) (j) (k) (l) 图 4.1 基于 UG 的膜片弹簧建模 图 4.2 基于 UG 的膜片弹簧建模流程图 绘制草图对草图拉伸 拔模 回转