（机械电子工程专业论文）基于成组编码的离合器压盘参数化设计关键技术研究.pdf

中文摘要 成组技术自问世以来，在制造领域得到了广泛的应用。但纵观其发展，我 们可以看出，如果仅仅将它作为一种单一的应用方法，缺乏对其概念性的扩展 和哲理性的理解j 成组技术很有可能会在竞争日益激烈的市场中渐渐失去其优 势。为此，我们考虑将成组技术的传统研究模式与先进设计方法结合起来，形 成新的研究方向。 成组技术的核心是组合优化，而参数化设计正是解决组合最优化的有效方 法之一，两者的结合将更好地优化设计提高效率。参数化( p a r a m e t r i c ) 设计( 也叫 尺寸驱动d i m e n s i o n - d r i v e n ) 是c a d 技术在实际应用中提出的新课题。它以约 束造型为核心，以尺寸驱动为特征，以其快速、准确、传递数据可靠和标准化 等优点被广泛应用于当前的各个领域。因此本文以离合器压盘为研究对象，将 成组技术与参数化设计的理念相融合，提出了离合器压盘参数化与编码系统。 本论文主要研究的内容如下： 1 ) 研究成组技术、分类编码系统、三维设计软件s o l i d w o r k s 的二次开发技 术和参数化设计等相关理论知识。 2 ) 实现压盘参数化设计。根据压盘结构的相似性、设计原理以及 s o l i d w o r k sa p i 接口，压盘参数化设计系统实现了其主要几何尺寸的自动 计算以及三维模型的尺寸驱动，大大提高了设计效率并缩短了开发周期。 3 ) 建立压盘工艺编码系统。针对离合器压盘生产企业重复设计和效率低下 的实际问题，对多种压盘的结构和生产工艺进行分析，提出了针对该企业的压 盘专用工艺编码表，并利用c 抖语言开发压盘工艺编码系统，实现压盘零件的 分类和查询。 4 ) 以s o l i d w o r k s 为平台，以v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 ( c + + ) 为编程工具，开发离 合器压盘参数化与编码系统。在结构上实现s o l i d w o r k s 文件的自动搜索和参数 化设计；在工艺上建立工艺数据库，通过其相应的工艺编码得到工艺数据，即 最终某个压盘的模型和工艺流程直观地展示在屏幕上。 关键词：离合器压盘，参数化设计，二次开发，成组编码 a b s t r a c t s i n c ea p p e a r i n g , g r o u pt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r i n g b u t m a k i n gag e n e r a ls u r v e yo fi t sd e v e l o p m e n t ，w ec a ns e et h a ti ft r e a t e do n l ya sa s i n g l ea p p l i c a t i o np r o c e s s w i t h o u tt h e c o n c e p t u a le x p a n s i o n a n dp h i l o s o p h i c u n d e r s t a n d i n g , g r o u pt e c h n o l o g yw i l lp r o b a b l yl o s e i t sa d v a n t a g ei nt h ef i e r c e l y c o m p e t i t i v em a r k e t t h e r e f o r e ，w ec o n s i d e rt h a tc o m b i n et h et r a d i t i o n a lr e s e a r c h m o d e lo fg r o u pt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dd e s i g nm e t h o dt of o r mt h en e wr e s e a r c h d i r e c t i o n g r o u pt e c h n o l o g y s c o r ei st h ec o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o n , w h i l et h e p a r a m e t r i cd e s i g ni so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d s t h ec o m b i n a t i o no f t h et w ow i l l i m p r o v et h ee f f i c i e n c y b e t t e r t h ep a r a m e t r i cd e s i g n , a l s ok n o w n a st h e d i m e n s i o n - d r i v e n , i san e ws u b j e c tt h a tb ep u tf o r w a r di nt h ec a dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n w i t l lt h eb o u n ds h a p ea st h ec o r ea n dt h ed i m e n s i o n - d r i v e n a st h e c h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a r a m e t r i cd e s i g nh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ne a c hf i e l df o rt h e v i r t u e so ff a s t ，a c c u r a t e ，r e l i a b l et r a n s m i s s i o na n ds t a n d a r d i z a t i o n , e t c t h e r e f o r et h i s p a p e rt a k e st h ec l u t c hp r e s s u r ep l a t ea st h er e s e a r c ho b j e c t , c o m b i n e st h eg r o u p t e c h n o l o g ya n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g nt o g e t h e ra n dp u t sf o r w a r dt h ec l u t c hp r e s s u r e p l a t ep a r a m e t r i ca n dc o d i n gs y s t e m t h em a i n l yc o n t e n ts t u d i e db y t h i sp a p e ri s a s f o l l o w s ： 1 ) r e s e a r c hc o r r e l a t i v et h e o r i e so fg r o u pt e c h n o l o g y , c l a s s i f i c a t i o na n dc o d i n g s y s t e m ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo ft h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r e s o l i d w o r k sa n dp a r a m e t r i cd e s i g n 2 ) c a r r yo u tt h ep a r a m e t r i cd e s i g no ft h ep r e s s u r ep l a t e a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r es i m i l a r i t yo ft h ep r e s s u r ep l a t e ，t h ed e s i g np r i n c i p l ea n ds o l i d w o r k sa p i i n t e r f a c e s ，t h ep r e s s u r ep l a t ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mc a r r i e so u tt h ea u t o m a t i c n u m e r a t i o no fm a i nd i m e n s i o n sa n dt h ed i m e n s i o n - d r i v e no f3 dm o d e l s ，w h i c h g r e a t l yi m p r o v e se f f i c i e n c yo ft h ed e s i g na n d c u t sd o w nt h et i m eo ft h ed e v e l o p m e n t c y c l e 3 ) e s t a b l i s ht h ep r e s s u r ep l a t et e c h n i c a lc o d i n gs y s t e m i na l l u s i o n t ot h e p r a c t i c a lp r o b l e m so fc l u t c hp r e s s u r ep l a t eo nt h er e p e a td e s i g na n dl o we f f i c i e n c y , u a n a l y z es e v e r a lk i n d so fp r e s s u r ep l a t e so nt h ea s p e c to ft h es t r u c t u r ea n dt h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ，p u tf o r w a r ds p e c i a lt e c h n i c a lc o d i n gf o r m , a n de x p l o i tt h e p r e s s u r ep l a t et e c h n i c a lc o d i n gs y s t e mu t i l i z i n gc 抖t oc a t t yo u tt h ec l a s s i f i c a t i o n a n di n q u i r yo f p r e s s u r ep l a t e 4 ) w i t hs o l i d w o r k s 弱t h ep l a t f o r ma n dv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 ( c 抖) a st h e p r o g r a m m i n gt o o l ，e x p l o i tt h ec l u t c hp r e s s u r ep l a t ep a r a m e t r i ca n dc o d i n gs y s t e m o nt h eo n eh a n d ，t h ea u t o m a t i cs e a r c ho fs o l i d w o r k sf i l e sa n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g n i ns t r u c t u r ea r ee a , - r i e do u t ；0 1 1t h eo t h e rh a n d , t h et e c h n i c a ld a t a b a s ei ne t h n i c si s e s t a b l i s h e d t h r o u g hg e t t i n gt h et e c h n i c a ld a t a b a s ef r o mi t sc o d e ，o n ek i n do f p r e s s u r ep l a t e st h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e la n dp r o c e s sf l o wa r ef i n a l l ys h o w no nt h e s c r e e n k e yw o r d s ：p r e s s u r ep l a t e ，p a r a m e t e rd e s i g n ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t , g r o u pc o d i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n j j i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：鑫i 垦日期：碰：冱 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研糊签名) 黼 导师( 签名) ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理丁大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，机械行业作为国民经济的支柱产业，已经成为衡量一个国家工业 发展水平的重要标志。我国加入w t o 以后，机械行业开始面临更加激烈的市 场竞争，迫切要求企业具备快速开发产品和响应市场的能力。本课题以压盘为 研究对象，作为汽车离合器的主要组成部分，它广泛应用于各种车辆中，直 接影响着离合器的彻底分离和摩擦片的均匀压紧。由于摩擦片一般是由石 棉( 或其他有机物) 材料制成，其导热性很差，并直接导致与之相压紧的压 盘温度不断升高，最终由于温升过高导致压盘断裂或磨损而无法正常工作 【1 1 ，这也使得离合器压盘成为目前需求量最大的汽车零部件损耗品之一。 为了减少设计人员的重复性劳动并实现设计数据的标准化，本文将开发离 合器压盘参数化与工艺编码系统，旨在提高压盘生产企业的开发能力及其设 计效率。 1 1 课题的研究背景 随着现代机械工业的发展，“中国制造已经逐渐成为世界制造业的中坚力 量。然而我们在大批量复制和重复劳动的同时，是否也在思考，如何从中国制 造向中国设计的转变。在这个知识经济飞速发展的时代，我们不难看出，个性 化产品已经逐渐成为市场需求的主流，机械行业正朝着产品多样化的方向发展。 现代机械业在要求提高产品更新换代速度和丰富产品品种的同时，又要求以最 短的时间和最低的成本生产出迎合市场潮流的高质量产品。 纵观我国当前很多机械生产企业与国外的差距，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 生产准备工作量大、周期长；( 2 ) 品种单一；( 3 ) 重复性劳动多、经济效益 差；( 4 ) 组织管理复杂化【2 1 。因此成组技术应运而生，它作为一种收集和分析同 类相似零部件在设计、工艺和生产等方面资料的手段，将从根本上解决多品种 设计和大批量生产之间的矛盾。 我们知道，任何事物的发展都是一个循序渐进的过程，所以同类相似零件 之间必然存在着继承性和相似性。成组技术正是利用它们之间的继承性和相似 性，把这些表面上看似零乱的事物，通过相应的分类法则，达到归类成组的目 的，并通过高效化和标准化的方法，制定出解决同类相似零件在结构和工艺设 武汉理工大学硕士学位论文 计过程中所遇到的共同问题。即继承性是结构设计标准化的前提，相似性是工 艺设计优化的基础【3 j 。 以机械产品为例，成组技术就是根据同类相似零件在设计原理、结构形状、 材料和制造工艺等方面的相似性和规律性将零件分类成组，并将同一零件族中 各个型号的零件汇集成较大的成组生产量，从而提高产品的设计、制造和管理 水平。它是一门致力于研究生产技术的科学，着力于研究如何识别和总结设计 过程中同类事物的相似性，并充分利用这种相似性为生产服务，使结构与工艺 设计更加标准化，从而减少设计人员的重复性劳动，在一定程度上将加快产品 的开发周期，使多品种、大批量生产能够在提高生产效率、降低成本和保证质 量的基础上获得更好的经济效果【4 1 。 通过对成组技术在机械制造领域的调研我们发现，世界上成熟的成组分类 编码系统已经有7 0 多种。其中有的是根据设计族零件的结构特点和造型特征， 制定出方便零件设计的各种规范，以促进结构设计标准化；有的则是着重整合 零件的工艺特征，形成成组工艺和工序的集合，将设计族零件按标准化的工艺 路线在同一组机床上加工，并与计算机技术相结合，主要用于计算机辅助工艺 设计。目前应用最为广泛的分类编码系统有前捷克的v u o s o 系统、德国的 o p l t z 系统、日本的k k - 3 系统和我国的j l b m 1 系统等【5 l 。这些分类编码系统 都是面向某一类零件( 如箱体类零件、回转体类零件、非回转体类零件等) 的专 用系统，很难处理形状复杂的零件。 目前，还没有专门针对离合器压盘的分类编码系统。我们通过调研发现， 很多中小型压盘制造企业都或多或少存在着信息共享程度低和再利用程度差的 问题，一些得到实践检验的好的设计方法无法推广应用，不同设计人员对同一 个零件有着不同的设计想法，各种设计方案冗杂、重复且无法达到统一，致使 产品的质量和性能无法达到标准化，严重的影响了企业的发展前景。 压盘作为离合器的重要组成部分，虽然其各种型号的零件结构不尽相同， 但其主体结构形式基本一致，很适合成组技术的应用。本课题“基于成组编码 的离合器压盘参数化设计关键技术研究就是将成组技术的传统应用模式与先 进设计方法相结合，将成组技术运用到离合器压盘的参数化设计中去，最大程 度的利用已有的设计经验和工艺基础，致力于提高压盘企业的设计和生产效率。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题的相关研究现状 1 2 1 成组技术在机械制造业中的应用现状 早在2 0 世纪5 0 年代中期，前苏联的斯帕米特洛范诺夫教授就在成组工 艺科学原理一书中提出了成组技术这个概念，作为一个新兴的理论方法，当 时仅仅应用在各种类型机床的成组加工上，即成组工序1 6 。到了5 0 年代末6 0 年 代初，成组技术开始走系统化和方法化的研究路线，以便更好地服务企业生产， 其显著的代表有我们熟悉的v u o s o 分类编码系统和o p i t z 分类编码系统。2 0 世纪6 0 年代以后，日本和美国也积极研究并推广成组技术。日本作为研究成组 技术的后起之秀，取各国之所长，首先提出针对中小型企业的k c 分类编码系统， 接着又针对大中型企业不断改进，并陆续推出了k k - 1 系统、k k - 2 系统以及k k - 3 系统【7 1 。2 0 世纪7 0 年代，在全球范围内引发了轰动一时的成组技术热，各国都 开始积极扩展概念、拓宽领域和更新应用方式，比如英国针对生产过程提出的 成组技术单元，瑞士针对同类相似零件设计提出的零件族以及法国设计并实际 应用的各种成组技术系统等【s 】。 大约在2 0 世纪6 0 年代初，我国也开始在飞机、机床、纺织机械以及工程 机械生产中推广应用成组技术。到了2 0 世纪7 0 年代，我国进入改革开放阶段， 在有关部门的高度重视下，机械工业部设计研究总院负责制订了机械分类编码 系统j l b m 1 ，这一系统先后经过四次修订最终正式成为我国机械工业部的技 术指导资料【9 】。j l b m 1 系统取o p i t z 系统和k k - 3 系统之所长，克服了o p i t z 系统分类标志不全和k k - 3 系统分类环节过多的缺点，它的出现标志着我国正 式开始推进成组技术的应用和发展。实践表明，成组技术的应用十分显著的提 高了经济效益。 随着科学技术的飞速发展，为了适应瞬息万变的市场需求，不少高校也开 始着力于研究成组技术的基本理论及其应用。针对具体的项目理论联系实践， 将成组技术与数控、计算机集成制造和智能制造等先进技术相结合，致力于零 件设计、工艺设计、计算机辅助设计以及生产过程管理软件的研究，取得了很 多显著的科研成果，这也为后来推广和研究f m s 和c i m s 等先进制造技术奠定 了基础。如今，成组技术作为整合多品种批量生产的科学方法，已经成为我国 先进制造技术的重要基础【l 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 我们知道任何一种机械产品都是由各种不同的零部件以不同的联结方式组 合而成的，例如机床、交通机械、工程机械、采矿机械、冶金机械、农用机械、 水力机械以及纺织机械等。虽然组成这些机械的零部件各不相同，但是大体上 可以分为三大类：复杂件、相似件和标准件【1 1 1 。我们知道，复杂件一般是机械 设备中的主体，其需求量少，不容易损坏，可再用性低，具有唯一性，根据产 品型号的不同而不同。相似件主要指的是具有结构和工艺两方面相似性的零件， 这类零件一般品种多，需求量大，中等复杂程度，可以匹配到各种机械设备中 去。至于标准件，一般结构简单且通用性强。由此我们可知，复杂件一般必须 单独定制，标准件都是制成模具大批量生产的，而只有相似件，由于其在结构 和工艺上有很大的相似性，成为成组技术需要研究解决的关键对象。 1 2 2 参数化设计的研究现状 早在2 0 世纪7 0 年代，美国麻省理工大学的g o s s a r d 教授就提出了变量化 设计的概念，他提出通过非线性约束方程组联和求解，给定初值后用牛顿迭代 法精化得到最终结果。然而由于这种方法过早地把几何约束映射为代数方程组， 使得求解过程过于复杂以致难以控制规模和速度，很难解决实际生产中的问题， 因此变量化设计的概念在当时并没有引起足够的重视，但却为后来的参数化设 计思想的出现奠定了坚实的理论基础f l2 1 。直到p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y 公司于 19 8 7 年底推出了实体造型软件p r o e 后，学术界才真正认识到变量化设计的巨 大作用，变量化设计开始走上历史舞台，迅速成为当时最前沿的c a d 标准l l 引。 同年，根据g o s s a r d 教授的理论思想，p r e m i s e 公司成功研发了可以在w i n d o w s 环境下运行的三维造型软件，被c v 公司收购后引入到c v 系列产品中，获得 了强烈的市场响应，这也是由变量化设计向参数化设计发展过程中一个标志性 的转变【1 4 1 。到8 0 年代中后期，p a r a m e t r i c - t e c h n o l o g y 和s d r c 等公司相继开发 了针对特征的参数设计特征造型软件，特别是新一代p r o e 和i - d e a s 的出现， 使得参数化设计方法彻底从实验室理论走进了市场应用，它将零件的几何形状、 工艺特征等信息数字化，采用一定的约束条件，利用计算机系统实现数据的储 存、传递和管理，从而使设计人员从繁琐重复的手工操作中解放出来，大大提 高了设计的稳定性和设计过程的高效性【i5 1 。 目前，参数化设计已经成为c a d 软件中应用最为广泛的热门技术，甚至成 为评价一个c a d 系统优劣与否的重要标志。参数化设计也叫尺寸驱动 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( d i m e n s i o n - d r i v e n ) ，它通过尺寸关系、拓扑关系、几何关系以及工程关系等约 束条件，允许设计人员在开始阶段就能快速草拟产品零件图，然后通过各种约 束关系精确成图最终完成设计。在后续的设计中，也可以方便的通过变动某些 参数及其约束关系来修改和更新，更好地实现了现代c a d 系统中的概念设计和 并行设计理念【l6 】。参数化设计更符合设计人员的设计习惯，因为在设计构思的 初期，他们往往关心的只是所设计零件的大致形状和性能，只有在设计不断完 善的最后阶段，才会去关注精确的尺寸。 在系列化产品的设计中，参数化设计的优点更为突出。对于同一系列产品 可通过修改图形的某一部分或某几部分的尺寸，或直接修改某些相关参数，自 动完成对图形的修改和驱动，大大改善了图形的修改方式，在一定程度的提高 了产品的设计效率【1 7 】，对三维造型、概念设计、动态设计、装配设计、公差分 析、模型仿真和优化设计等设计方法的发展起到了很好的推动作用，对进一步 提升设计的高效化和柔性化有着重要的应用价值。 1 3 课题研究的目的和意义 我们知道，任何机械产品都是由大小型号各不相同的零部件组合而成的整 体，根据机械产品的不同，与之相匹配的各种机械零件也存在着差异。正是这 些差异，才能实现各种机械产品的不同功能。然而我们发现，针对同一零件族， 采用传统“单打一的设计模式，一切都需要从头开始，针对每一个零件分别 进行产品设计和工艺准备工作，往往在许多微小的差异上造成了大量的重复性 劳动，极大地限制了生产效率的提高和先进生产技术的应用。特别是针对那些 品种多、数量大、中等复杂程度的零件，它们或多或少存在着某些相似性，如 各种型号的齿轮、轴、轴套、轴承座、连杆、支座、盖板等【1 8 】。我们将这些具 有相同或相近特征的零件归为一族，在设计新的零件时，通过修改一个现有的 同族零件即可，从而在一定程度上提高了产品的加工质量和自动化程度，同时 减少了生产准备时间并缩短了产品开发周期。 成组技术的核心是组合优化，而参数化设计也是解决组合最优化的有效方 法之一l l9 1 ，其两者的结合将更好的优化设计提高效率。因此本文将成组技术与 参数化设计的方法相结合，对汽车离合器压盘结构设计参数化和工艺编码系统 进行研究，可以实现企业资源的合理利用，缩短产品的研发周期，规范产品结 5 武汉理工大学硕士学位论文 构和工艺设计，减少设计人员的重复性劳动并提高设计的准确性，使结构设计、 工艺设计、生产制造和模具生产等更加标准化，在一定程度上将提高汽车离合 器的设计精度和速度，对提高汽车设计水平具有重要的实用意义，这也正是本 课题研究的目的和意义所在。 1 4 课题研究的主要内容 本课题基于成组编码的离合器压盘参数化设计关键技术的研究，旨在开发 出一套以s o l i d w o r k s 软件为平台的离合器压盘参数化与编码系统，该系统将大 量压盘零件的结构、尺寸、材料等工艺信息成组归类，通过压盘工艺编码系统 实现零件的检索并为参数化设计提供信息。即实现压盘结构和工艺设计的自动 化，在保证产品多样化的同时提高生产效率并降低成本。该系统将大大提高机 械设计的效率，更直观、全面地反映设计意图，推进产品的系列化和标准化设 计，对促进我国机械行业中计算机应用水平的进一步发展和智能设计的深入研 究具有重要的意义。具体研究的内容如下： 1 ) 研究成组技术、分类编码系统、三维设计软件s o l i d w o r k s 的二次开发技 术和参数化设计等相关理论知识。 2 ) 实现压盘参数化设计。根据压盘结构的相似性、设计原理以及 s o l i d w o r k sa p i 接口，压盘参数化设计系统实现了其主要几何尺寸的自动 计算以及三维模型的尺寸驱动，大大提高了设计效率并缩短了开发周期。 3 ) 建立压盘工艺编码系统。针对离合器压盘生产企业重复设计和效率低下 的实际问题，对多种压盘的结构和生产工艺进行分析，提出了针对该企业的压 盘专用工艺编码表，并利用c + + 语言开发压盘工艺编码系统，实现压盘零件的 分类和查询。 4 ) 以s o l i d w o r k s 为平台，以v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 ( c + + ) 为编程工具，开发离 合器压盘参数化与编码系统。在结构上实现s o l i d w o r k s 文件的自动搜索和参数 化设计；在工艺上建立工艺数据库，通过其相应的工艺编码得到工艺数据，即 最终某个压盘的模型和工艺流程直观地陈列在屏幕上。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章压盘参数化设计 2 1 压盘结构特点 随着全球经济和科学技术的发展，汽车作为一种现代交通工具，逐渐被普 及和推广。近年来，各国政府都从资金和技术等方面大力发展汽车行业，作为 一个新兴产业，它已经成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。众所周知， 绝大多数的汽车都是以内燃机为动力的，而离合器作为机械传动系中直接与发 动机相连的总成，它的性能直接影响着汽车的正常启动，由此我们不难发现离 合器相对于汽车的心脏地位。而压盘作为离合器的主动部分，与飞轮一起带动 从动盘转动以传递发动机转矩，并在离合器分离过程中做自由轴向移动使压盘 与从动盘脱离接触，以实现发动机与传动系的平顺接合，保证汽车平稳起步， 对离合器的性能有着关键性的作用【2 0 j 。 离合器压盘的大体形状是一个金属圆盘，它和摩擦片紧密贴合，通过后钢 丝支承圈将膜片弹簧向前移动，使其被压缩变形，从而使得压盘将从动盘压紧 到飞轮后端面上，此时为汽车正常行驶状态，压盘与离合器片紧密结合成一个 整体，随着发动机一起旋转并将动力传递给变速箱。当踏下踏板时，分离轴承 前移，膜片弹簧以前钢丝支承圈为支点向后移动，在分离钩的作用下，压盘后 移离开从动盘并与离合器片彻底分离，切断发动机的动力输出，以实现换挡操 作。当抬起踏板时，压盘再次同离合器片紧密结合并传递动力【2 l l 。图2 1 所示 即为离合器压盘的主体结构三维图，由圆盘、压盘孔、支承筋、压盘耳和 压盘耳孔五部分组成，其结构特点主要从以下几个方面考虑： ( 1 ) 压盘应具有较大的质量。由于摩擦片是由石棉等有机物材料制成， 其导热性很差，在离合器每次接合过程中滑磨功将产生大量的热，导致摩 擦片加剧磨损并将热量传递给压盘，当压盘不断工作使得其表面温度超过 极限值时，过高的温度将使其受热变形并导致裂纹的产生。因此较大质量 的压盘有助于增大其热容量并减小温升，延长压盘的使用寿命。 ( 2 ) 压盘应具有较大的刚度、耐磨性和合理的结构形状，通常设置各 种形状的散热筋、鼓风筋或通风槽等帮助其通风散热，使压紧力均匀分布 在摩擦面上以缓解由于受热引起的翘曲变形，使其更好地与摩擦片均匀压 7 武汉理工大学硕士学位论文 紧并与离合器片彻底分离。 ( 3 ) 压盘应具有较高的摩擦因数，通常采用灰铸铁、铝合金或其他铸铁及 合金，这些材料一般具有较高的摩擦因素，能够减少离合器工作时产生的摩擦 热以缓解磨损的产生，避免摩擦片和压盘的烧损。 ( 4 ) 压盘应具有一定的厚度和较小的公差，且在内缘处设计出一定的锥 度，以弥补压盘由于受热变形后引起的内缘凸起【2 2 1 。 圆盘 压盘 2 2 压盘设计原理 图2 - 1 离合器压盘结构 压盘的设计主要包括驱动方式的选择以及几何尺寸的确定两个方面。 2 2 1 压盘驱动方式的选择 压盘作为汽车离合器的主动部分，它在传递发动机扭矩时是和飞轮一起 带动从动盘转动的，所以它必须和飞轮连接在一起，然而这种连接又必须 允许压盘在离合器分离过程中能够做自由的轴向移动，因此常用的可行性 连接方式有以下几种：凸块窗孔式、传力片式、销钉式和键块式等多种， 一般根据车型和车辆功能来选择其适当的驱动方式。 ( 1 ) 凸块窗孔式是单片离合器长期以来采用的连接方式，一般用螺栓把离 合器盖固定在飞轮上，盖上有长方形的窗孑l ，在压盘上铸出三个或四个凸块伸 武汉理工大学硕士学位论文 入离合器盖对应的窗孔中，并由离合器盖带动压盘运动。在具体的设计上，考 虑到由于摩擦片磨损后压盘可能会向前移动，所以在设计时应该尽量使压盘凸 块适当的高于离合器盖上的窗孔，以保证摩擦片磨损到极限时依然能可靠传动。 当然凸块和窗孔之间的相互摩擦产生的磨损，在一定程度上会降低离合器操纵 部分的传动效率，一般用于工程机械上。 ( 2 ) 销钉式一般用于双片离合器，利用销子传力带动压盘运动。采用这种 结构可大大简化压盘和离合器盖的形状，制造工艺简单。但是由于销子传力在 开始的一瞬间容易产生很大的冲击力和噪声，并随着接触部分磨损的增大而增 大，最终会造成零件的早期损坏，般用于农用机械上。 ( 3 ) 键块式一般用于驱动双片离合器的中间压盘，通常采用复合式的连接 方式，中间压盘通过键块式，而其压盘则可以使用其他连接方式，一般用于中 型或重型卡车上。 ( 4 ) 传力片式是近年来广泛流行的一种连接方式，将弹簧钢带制成的传力 片的一端铆在离合器盖上，另一端则用螺钉固定在压盘上，这种采用沿圆周切 向布置的模式，大大简化了压盘的结构，降低了其装配的精度要求，驱动机构 时具有无摩擦、无磨损、无传动间隙、效率高、无噪声和定心精度高等优点， 且其在使用中平衡性好，多用于单片离合器的压盘驱动【2 3 1 。 2 2 2 压盘几何尺寸的确定 压盘几何尺寸的确定关键在于其内外径尺寸和厚度的确定。 ( 1 ) 压盘内外径尺寸的确定 我们知道，压盘和摩擦片是相互咬合的，并与离合器盖一起构成了离合器 的总成。正是由于这三者之间的相互配合关系，一般取离合器盖的基本圆周尺 寸作为摩擦片的外径，那么摩擦片尺寸确定后与它相接触的压盘的内、外径尺 寸也就基本确定下来了【2 4 】。 离合器摩擦片外径d 的计算公式如下： d = 1 0 ，f 鲤( 2 1 ) v 么 其中t e 眦x 为汽车起步时发动机的最大转距；系数a 与汽车类型直接相关， 其具体对应关系如表2 1 所表示： 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 汽车类型与系数a 对应表 汽车类型农用车小轿车轻型卡车中型卡车工程机械重型卡车 系数a a = 1 9a = 4 7a = 3 6a - - - 3 2 a - - 2 1 a = 5 0 由公式( 2 1 ) 和表2 1 计算可以得到压盘外径d ，在外径d 一定的情况下， 接下来就是内径d 的确定问题。如果选用较小的压盘内径d ，可以增大其接触 摩擦面积，提高传递转矩的能力，但是这样也会使作用在摩擦面上的压力分布 不均匀，导致其圆周的内外缘相对滑磨速度差别太大而加速摩擦面的磨损，不 利于散热和扭转减振器的安装。然而如果选择较大的压盘内径d ，虽然减少了 接触摩擦面积和对摩擦面产生的压力，且磨损功和其作用时产生的热量也会减 少，但是其传递转矩的能力也会大大降低，直接影响了离合器正常工作时的运 行性能【2 5 1 。因此由反复实验对比可知，压盘的内外径比f 应在0 5 3 一- 0 7 0 这个 合理的范围内，此时其内外径尺寸对应关系如表2 - 2 所示。 表2 - 2 压盘内外径尺寸对应表( 单位：n u n ) d6 01 8 02 0 02 2 52 5 02 8 03 0 0 3 2 53 5 03 8 04 0 54 3 0 d1 01 2 5l 柏1 5 01 5 51 6 5 1 7 51 9 01 9 52 0 52 2 02 3 0 ( 2 ) 压盘厚度的确定 滑磨功l 和摩擦功以的公式分别为： l = o 5 以喀 ( 2 2 ) 以2 繁( 2 - 3 ) 其中为汽车总质量，为车轮滚动半径，矗为主减速器传动比，f k 为变 速器传动比，为发动机角速度，由公式( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 计算即可得到l 的值。 压盘温升校核公式为： f = 旦 ( 2 4 ) f = 一 i z 4 l c 珑压 其中c 为压盘的比热容，即压盘制造材料的比热容：f 为温升，我们知道， 过高的温升不仅会降低压盘的使用寿命，甚至可能会引起摩擦片和压盘的烧损， 因此它一般不应超过8 1 0 。c ；，表示分配到压盘上的滑磨功所占的百分比，与 离合器种类直接相关，其对应关系如表2 3 所示： l o 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 3 滑磨功所占的百分比 离合器种类单片离合器双片离合器中间压盘多片离合器 滑磨功所占百分比，= o 5 0r - - 0 2 5r = 幻5 0r = o 1 2 5 由公式( 2 - 4 ) 和表2 - 3 计算可以得到压盘总质量川压，由经验值可知，圆盘质 量所盘一般占压盘总质量蹦压的9 1 。 即压盘质量公式为： m 压= 1 1m 盘= 1 1p v = 1 1 p s h = 1 1 p z r r 2 h( 2 5 ) 其中p 为密度，r 为压盘外径，计算即可得到压盘厚度h t 2 们。 2 3 基于s o l i d w o r k s 的压盘参数化设计流程 s o l i d w o r k s 是s w 公司根据市场需求研究开发的操作简单、易学易用、功 能强大、组件繁多的三维c a d 设计软件，它是基于w i n d o w s 桌面集成环境下 的全面的计算机辅助系统，拥有平民化的操作环境、友好的用户界面和丰富的 a p i 接口【2 7 】，是本论文系统开发的基础应用软件。然而它提供的仅仅是一个通 用的设计平台，而大多数企业生产的则是相对单一或系列化的产品。因此如何 解决通用性和针对性之间的矛盾，就成为设计人员提高效率的关键所在，也是 很多企业针对具体产品对s o l i d w o r k s 软件进行二次开发的主要目的。 目前，基于s o l i d w o r k s 的参数化设计主要有以下三种方法： ( 1 ) 基于特征的参数化设计 这里的特征指的不是单纯的几何实体，而是从设计和制造经验中抽象出来 的因素，包括几何尺寸、属性信息和制造信息等参数化形状单元，是一种从局 部设计到整体设计的设计理念，主要用于区分系列零件的每个部分的细节。 ( 2 ) 基于全尺寸约束的参数化设计 这是一种基于数学方法的设计思路，将尺寸约束转换成代数关系，通过非 线性方程组得到最终结果。然而方程组求解却成为这种方法在实际应用中无法 大范围推广的一个瓶颈，因为其求解过程需要不断进行迭代计算，只能用于有 明确约束关系的系统。 ( 3 ) 基于尺寸驱动的参数化设计。 从设计者的角度来看，设计是要从已知信息开始的，而且这些已知信息之 间必定存在着一定的拓扑关系，这种方法正是合理利用这些拓扑关系来解决了 武汉理工大学硕士学位论文 建模初期的无约束问题，更好地反映了设计者的意图。通过分析零件并提取其 几何特性，定义其几何尺寸参量，便能构建用于实现参数化设计的尺寸约束关 系，使零件的几何形状通过尺寸参数的形式被控制在一定的范围内变化，通过 输入尺寸参数来驱动模型并实现几何形状的改变和其他相关尺寸的更新【2 引，通 过算法设计和程序编制，最终实现各种信息数据的存储和传递。 通过对以上三种方法的比较分析我们得到，本课题研究的压盘零件主体结 构非常简单，不适合基于特征的参数化设计，而且各种型号压盘的形状在主体 结构上大致相同，并存在一定的约束关系，只是在为了降低温升和减少磨损而 设计的辅助结构上存在区别，很难用数学方法列出方程组得到结果，因此本课 题中对压盘的设计采用基于尺寸驱动的参数化设计。 图2 2 压盘参数化设计流程图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 即为压盘参数化设计流程图，通过对压盘结构特点和设计原理的分 析得到决定压盘结构设计的主要要素，分别为发动机、车型、传动系统和材料 4 大类，其中发动机要素包括发动机启动时的最大转距和发动机角速度，车型 要素包括汽车总质量和系数a ，传动系统要素包括主减速器传动比和变速器传 动比，材料要素包括压盘温升、滑磨功所占的百分比和压盘的比热容。通过这 些基本参数的输入，可以实现压盘主要几何尺寸的自动计算。通过得到的关键 几何尺寸：压盘外径、内径及其厚度，可以从压盘工艺编码系统中得到其结构 编码，从典型压盘模型库中得到与之相匹配的s o l i d w o r k s 文件，通过a p i 接口 d i m e n s i o n 调出其参数化设计列表，修改或输入几何尺寸，通过尺寸驱动得到 我们所需要的压盘三维模型。对于典型压盘模型库中已有的模型进行尺寸驱动 即可完成设计，避免设计人员反复设计和结构设计的不稳定性，对于模型库中 没有的，可以通过模型定制模块完成设计，同时对其入库，以备后用。 2 4 基于s o l i d w o r k s 的压盘参数化设计关键技术 2 4 1s o l i d w o r k s 的二次开发思路 随着计算机技术的不断发展，各种各样的软件层出不穷，各种软件之间的 兼容和连接也就成为软件开发商重点关注的问题。一个软件是否能与其他软件 相互沟通相互控制，已经成为其是否能生存下去的关键因素，这也是研究 s o l i d w o r k s 软件二次开发的原因所在。所谓s o l i d w o r k s 的二次开发也就是用编 程开发工具，实现其他软件或者程序对s o l i d w o r k s 文件的调用，归根结底，也 就是对象和接口的问题，就是针对特定的对象把相应的接口连接上，自然就能 兼容运作了。 为了方便s o l i d w o r k s 用户对其进行二次开发，s o l i d w o r k s 软件提供了几百 个功能完整、自由开放的a p i 函数，并通过对象的嵌入与链接接口o l e 或组件 对象模型接口c o m ，利用v b 、v c 、d e l p h i 、c 以及c + + 等高级语言开发适 合用户需求的、专用的s o l i d w o r k s 功能模块，用来实现零件及其各部分的生成、 修改和删除，以及各种尺寸信息、几何拓扑信息、零件装配信息和工程图纸信 息的提取等特定功能【2 9 1 。即通过a p i 接口调用正确的对象，实现s o l i d w o r k s 事件、属性、方法及其它相关功能的函数调用。 武汉理工大学硕士学位论文 对s o l i d w o r k s 软件a p i 接口的调用，一般有以下两个方式： ( 1 ) 完全编程方式 在编程环境中完全调用a p i 函数而不必通过s o l i d w o r k s 软件。这种方法可 以独立于软件运行，不需要依赖s o l i d w o r k s