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汽车离合器膜片弹簧的优化设计中文摘要 汽车离合器膜片弹簧的优化设计 摘要 汽车离合器是汽车传动系中重要的组成部分，其主要作用是保证汽车平稳起步， 并使传动系换档时工作平稳。在各种离合器中，几乎都是通过主、从动盘的分离、接 合来完成工作需求的。膜片弹簧离合器因其具有独特的非线性特性、结构简单、工作 稳定等优点而得到广泛应用。本文就以车用离合器膜片弹簧为目标，主要完成对其力 学性能进行优化设计工作。 优化设计参照某型国产离合器膜片弹簧的相关数据，在满足工作性能的前提下， 利用数学建模的方法，以弹簧应力最小为目标函数，通过确定相应的约束条件，建立 数学模型，并借助m a t l a b 软件编写程序进行优化设计。 设计同时运用p r o e 软件对建立的板壳模型和实体模型进行分析，计算各模型的 压紧力一变形特性曲线，并与理论计算结果进行比较，分析产生差异的原因，也指出 了h l m e n l a s z l o 公式仍然能够广泛应用于设计实践的原因。 关键词：膜片弹簧；a l 公式；应力最小；优化设计；特性曲线 作者：吴真远 指导教师：石世宏 英文摘要 汽车离合器膜片弹簧的优化设计 o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ec a rc l u t c hd i a p h r a g ms p r i n g a b s t r a c t t h ec l u t c hi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h et r a n s m i s s i o no fac a r ，w h o s em a i n f u n c t i o ni st og u a r a n t e et h es m o o t hs t a r to ft h ec a ra n ds t e a d yr u nw h e nt h et r a n s m i s s i o n h a sag e a rc h a n g e a m o n gv a r i o u sc l u t c h e s ，t h ew o r kd e m a n di sa l m o s ta l lm e tt h r o u g h s e p a r a t i o na n dc o n n e c t i o no ft h ed r i v i n gd i s ca n dd r i v e nd i s c d u et ot h eu n i q u en o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c ，s i m p l es t r u c t u r ea n ds t a b l eo p e r a t i o n ，t h ed i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hh a sw i d e a p p l i c a t i o n s s o ，t a k i n ga u t o m o b i l e - u s e dc l u t c hd i a p h r a g ms p r i n ga st h eg o a l ，t h i sa r t i c l e m a i n l ya c c o m p l i s h e st h er e s e a r c ho nt h eo p t i m a ld e s i g no fi t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b a s e do nr e l e v a n td a t ao fo n ed o m e s t i cc l u t c hd i a p h r a g ms p r i n g ，o nt h ep r e m i s eo f m e e t i n gw o r k i n gp e r f o r m a n c e ，t h eo p t i m a ld e s i g nu t i l i z e st h em o d e l i n gm e t h o do f m a t h e m a t i c s ，a n dt a k e st h em i n i m u ms p r i n gs t r e s s a st h e g o a lf u n c t i o n t h r o u g h c o n f n - m i n gt h ec o r r e s p o n d i n gr e s t r a i n tc o n d i t i o n s ，t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l h a sb e e ne s t a b l i s h e d ，w h i c hi st h e no p t i m i z e db ym a t l a bs o f t w a r e d e s i g nu s e sp r o es o f t w a r et oa n a l y z et h eb o a r ds h e l lm o d e la n dt h es o l i dm o d e l ，s o a st oc a l c u l a t ec o m p a c t i o ns t r e n g t h d i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dc o m p a r ew i t ht h e t h e o r e t i c a lr e s u l t st oa n a l y z et h ec a u s e so fd i f f e r e n c e s a l s o ，t h er e a s o nw h ya l m e n - - l a s z l o f o r m u l as t i l lh a sw i d eu s ei nd e s i g np r a c t i c eh a sb e e np o i n t e do u t k e y w o r d ：d i a p h r a g ms p r i n g ：a 也f o r m u l a ：m i n i m u ms t r e s s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； c h a r a c t e r i s t i cc u r v e w r i t t e n b y ：w uz h e n y u a n s u p e r v i s e db y ：s h is h i h o n g 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 汽车是人类历史长河中的一项重要发明，它同更晚出现目前流行世界的 i n t e r n e t 技术一样改变了人们对空间距离的认识，也改变了和正在改变着我们的世 界。 离合器是汽车传动系中的重要组成部分。它是汽车传动系中发动机和驱动轮之 间的连接部件，可根据需求切断和传递发动机动力至驱动轮，以保证汽车起步时将发 动机与传动系平稳接合，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；在紧急制动出现很大惯性负荷时，离合器在仅能传递 有限转矩的情况下，它自动打滑，防止传动系各零件因过载而损坏，同时有效的降低 传动系中的振动和噪声。 汽车膜片弹簧离合器是摩擦式离合器中的一种，它用膜片弹簧代替周布的螺旋弹 簧。膜片弹簧( 如图i - i ) 用优质弹簧钢板制成，形状为碟形，开有径向切槽，切槽 内端连通，外端为圆孔，两个切槽之间钢板形成一个弹性杠杆，即是压紧弹簧又是分 离杠杆。相比螺旋弹簧离合器，它结构简单、紧凑、散热通风性能好，同时具有独特 的非线性特性( 如图卜2 ) 、高速性能好、转矩容量较大且较稳定、踏板操纵轻便而 应用越来越多，在国外不但用于轿车上，而且在中等及大吨位的货车上也得到广泛应 用。国内随着汽车生产技术的进步和汽车保有量的突飞猛进，装用膜片弹簧离合器的 国产汽车也日益增多。 由于膜片弹簧设计中需考虑的影响因素多、计算公式繁琐，过去多采用试凑法： 即按一定条件与步骤计算出结果，如果计算结果不合适，则通过修改参数进行重新计 算，直到满意为止。这样的设计方法时间耗用长，而且计算结果需要试制样品进行验 证，在往往难以实现一次得到理想结果的情形下，多次的试凑计算与试制势必造成时 问和成本的浪费，严重的阻碍了设计生产效率的提高。 第一章绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 图卜1 膜片弹簧 图卜2 膜片弹簧与螺旋弹簧的特性曲线对比 1 、螺旋弹簧2 、膜片弹簧 优化设计是建立在数学规划理论和计算机数值计算基础之上，从大量的可行性 设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现由理论设计代替经验设计，用精确 计算代替近似计算，用优化方法代替一般的安全寿命校核的可行性设计。采用优化设 计，可以将试凑简化的参数都考虑进去，通过编写程序，运用计算机计算技术很快得 到满意结果。所以离合器膜片弹簧的优化设计具有重要的现实意义。 随着汽车保有量在国内的不断增多，同时人们对资源不可再生造成的资源危机认 识的加深，国家对汽车的使用年限做出了改变：在增加检验频次前提下延长了车辆的 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第一章绪论 服务年限，这也对车辆使用部件的疲劳寿命提出了更高的要求，我们除了可以利用新 材料提高材料的抗疲劳强度外，通过技术手段降低车辆使用部件工作状态的最大应力 也是一个重要的选择。尤其在目前国内材料加工处理手段落后于一些西方发达国家且 大部分优质膜片弹簧加工材料需要进口的情况下，通过技术手段降低车辆部件工作状 态时最大应力以提高其工作年限就具有更为现实的经济和社会意义。 因此本课题的目的就是探讨采用优化设计的方法，以膜片弹簧工作状态应力最小 为目标，研究提高膜片弹簧的抗疲劳寿命的可行性。 1 2 国内外汽车离合器的发展现状 1 2 1 国内汽车离合器与膜片弹簧技术的发展 我国汽车离合器制造于二十世纪3 0 年代兴起，但当时只是在仅有的几家小作坊 式汽车修配厂里制造离合器零件。自1 9 5 3 年一汽在长春成立后，我国相继成立了南 汽、上汽、“二汽”等车辆制造企业，离合器生产也由手工作坊向专业化生产工段、 车间或工厂转变并开始批量生产，从此有了真正意义上的离合器制造。我国离合器研 究、教育、设计、制造的专业队伍也在二十世纪7 0 年代初步形成。此后由于汽车产 量和保有量的逐年增加，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，围绕“六车一机”国产化，国家重点支持南汽离合器 厂、上海离合器厂、一东离合器厂、黄石离合器厂等。各企业通过自身努力与积极引 进先进技术均取得较大进步。其中黄石离合器厂分别从英国a p 公司、德国f s 公司、 美国b w 公司、法国v a l e o 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，消化吸收，实现了螺旋弹簧 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。技术进步所带来 的替代品( 如a t 、c v t 、d c t 所引发传动产品概念的改变) 对部分汽车离合器行业带来 根本性的改变。但从企业内部能力分析，总体上看，我国汽车离合器企业与国外企业 相比处于明显劣势。 由于膜片弹簧离合器中膜片弹簧特性的离散性较大，就产品的加工管理来说，没 有螺旋弹簧那么容易。同时由于国内研究膜片弹簧技术起步较晚，理论水平和实践经 验相对落后，目前国内还未在这个领域形成标准化的设计。在产品技术方面，国内离 合器企业经过不断地产品结构调整，国产膜片弹簧离合器的品种已经能全面覆盖国内 3 第一章绪论 汽车离合器膜片弹簧的优化设计 重、中、轻、轿、微及农用等车型的需求，跟踪国外动力传动系统技术，研发新一代 产品也取得了可喜成果，如双质量飞轮、液力变矩器、适用于3 0 0 马力以上动力配套 的4 3 0 拉式膜片弹簧离合器都获得了成功。设计的应用范围己遍及民用机械产品设 计、土木建筑工程、汽车工业、航空、航天等领域。在国内，将优化方法应用于膜片 弹簧离合器的设计是目前一个比较令人关注的热点。国内汽车行业对国产离合器使用 性能要求大大提高，在过去试凑法效率低、成本大的压力下，迫切需要发展新的优化 设计方法( 基本理论、建模) ，以提高设计效率和精度，降低分析成本。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。目前，膜片弹 簧优化设计主要是围绕单目标优化进行。如彭书志在其重载机械膜片弹簧离合器的 优化设计比。中，江苏理工大学的夏长高和朱茂桃在其汽车离合器膜片弹簧优化设 计的数学模型分析h 1 中、李涛等人在轿车离合器膜片弹簧的优化设计峥1 ，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，如张卫波、赖联锋基于微粒 群算法的膜片弹簧优化设计。，许和变、巍巍的汽车离合器膜片弹簧的稳健优化 设计等都取得了一定的结果。 1 2 2 国外离合器与膜片弹簧技术的发展 1 9 8 4 年世界上第一次出现了带扭转减振器的双质量飞轮离合器，它是日本丰田 汽车公司装备到“m a r kn 汽车上的，该车装有z l - t 型增压柴油发动机，该车基本 上采用了离合器从动盘式扭转减振器( c t d ) 的形式，但这是汽车动力传动系统双质量 飞轮离合器发展史上的一个转折点。1 9 8 5 年德国宝马公司( b m l 】| ) 首次将双质量飞轮离 合器作为产品装备车辆，该车型为b m w 3 2 4 d ，当时该车被称为“w o r l d 5q u i e t e s t d i e s e l ( 世界上最安静的柴油机) ，之后，宝马汽车公司相继在b m w 5 2 4 t d 、b m w 5 2 5 、 b m w 5 2 8 e 车上装备了双质量飞轮，使这些汽车动力传动系统扭振和扭振噪声大大降 底。 德国z fs a c h s ( z f 萨克斯) 公司是著名的跨国车用传动系统生产企业，已有7 0 年生产汽车离合器的历史。同时生产离合器分离系统元件。近年来，z fs a c h s 公司 致力于行星式双质量飞轮( d m f ) 离合器和磨损自动补偿离合器( xt e n d ) 功能和结构的 创新。目前，这两种新型离合器已经用于商业化生产，并供应市场。 4 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第一章绪论 自二十世纪初以来各国学者对膜片弹簧的力学计算进行过不少研究。1 9 3 0 年， 美国斯坦福大学的铁摩幸柯提出了著名的铁摩幸柯假设( 即在轴向载荷f 的作用下， 碟形弹簧的矩形子午截面只是绕中心锥面的某一中性点( 又名翻转中心点) 转动一个 转角，而矩形截面本身并没有变形) ，开始了对碟形弹簧的研究。1 9 3 6 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，奠定了蝶形弹簧的计算基础。a - l 公式是一种解析 计算法，先采用几个假设以便进行简化的分析，然后用板壳理论的基本公式推导出代 数方程，以得到近似解。此法形式简单，便于计算，计算结果与实验结果比较符合。 膜片弹簧在结构上就是由碟簧部分和分离指部分组成的，因此在研究膜片弹簧的特性 时也采用了这种方法。但其计算结果与实验值产生了不同程度的误差。此后各国学 者又在对a - l 法进行了进一步研究的基础上进行膜片弹簧设计计算的研究。大致可以 分为两个方向：一是优化设计，它包含了单目标、多目标优化设计及修正公式基础上 的优化设计，再就是随着有限元技术的发展，以有限元计算方式进行膜片弹簧的优化 设计并取得了较好的成绩，国外其他学者的研究如哺。：1 9 8 2 年，意大利都灵工业大 学科尔蒂教授和德国济根大学尼佩奇教授先后采用n o n - s a p 程序计算了不同高厚比 的碟形弹簧的载荷一变形特性。1 9 8 7 年，德国汉诺威大学瓦格纳教授编制了适用于 具有非线性和负刚度区段非稳定特性的、各种高厚比碟形弹簧的计算程序a x i s h e l l 。 1 9 8 9 年，前苏联格力戈柳克博士和洛帕尼征副博士在a - l 法与r 1 法的基础上，提出 了考虑分离指牵连变形的方法( 简称r 一兀法) ，得到的结果与实验数据甚为接近，误 差较小。 1 3 本文主要研究的内容 针对膜片弹簧设计时试凑法成本高、效率低的现实情况和国家延长车辆服务年限 对车辆提出的更高要求，本文主要采用在国内具有典型代表性的某国产轿车离合器的 膜片弹簧进行优化设计与研究，其主要研究内容包括：分析膜片弹簧的载荷一变形特 性，并以工作状态应力最小为目标建模，利用m a t l a b 软件工具进行优化计算；设计 同时运用p r o e 软件对建立的板壳模型和实体模型进行分析，计算压紧力一变形特性 曲线，与理论计算结果进行比较，分析产生差异的原因，为设计的进一步优化寻找方 向。 5 第二章离合器概述绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 第二章离合器概述 2 1 汽车离合器功用 离合器是汽车汽车传动系中重要的组成部分，是汽车的传动系中与发动机直接联 系的重要部件，对于汽车的动力性、燃油经济性和舒适性等性能有很大影响。其主要 功用有： ( 1 ) 传递( 离合器接合) 和切断( 离合器分离) 发动机传给传动系的动力，以保证 汽车的平稳起步和停车以及变速器的顺利摘挡和挂挡； ( 2 ) 当传给离合器的转距超过它能传递的最大摩擦转距时( 如汽车紧急制动而未 分离离合器时，发动机旋转部分因突然减速而引起的巨大惯性力矩) ，由于离合器的 主、从动部分之间发生滑磨，就可以保护各零部件以防止其过载而损坏； ( 3 ) 通过离合器的使用，可有效地降低传动系中的振动和噪音。 2 2 汽车离合器结构的演变 锥形离合器是早期离合器经常采用的形式，锥形离合器的操作较复杂，需要驾驶 员具有一定的操作技巧。 1 8 9 1 年，法国人制成了摩擦片式离合器，此后浸在油中工作的湿式多片离合器 逐渐取代了锥形离合器，但多片湿式摩擦离合器的片与片之间容易被油粘住，致使离 合器分离不彻底，造成换档困难，所以它又逐渐被干式多片离合器取代。多片干式离 合器的主要优点是由于接触面数多，故接合平顺柔和，保证了汽车的平稳起步；但因 片数多，从动部分的转动惯量较大，还是感到换档不够容易；另外，中间压盘的通风 散热不良，容易引起过热，加快了离合器的磨损，甚至烧伤和碎裂，如果调整不当还 可能引起离合器分离不彻底。多年的实践经验使人们逐渐趋向采用单片干式离合器， 它具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底 等优点；但在使用初期接合不够平顺。 1 9 1 0 年后，由于摩擦材料的改进才开始采用干式单片和双片摩擦离合器。根据 压紧弹簧的不同先后出现了三代产品，使离合器可靠性和舒适性不断的提高，而它的 重量和价格却不断的降低。 6 汽车离合器膜片弹簧的优化设计 第二章离合器概述 螺旋弹簧离合器最早的干式单片离合器中即是采用螺旋弹簧作为压紧元件， 1 9 2 5 年开始采用石棉基摩擦片，至1 9 3 0 年结构已比较完善。 推式膜片弹簧离合器美国通用汽车公司于1 9 3 8 年在雪拂兰轿车上开始采 用，2 0 世纪6 0 年代末国外轿车，轻型中型货车几乎以全部采用。7 0 年代后期开始扩 展到重型货车。 拉式膜片弹簧离合器2 0 世纪6 0 年代末在原西德f s 首先研制推出，2 0 世纪 8 0 年代以来国外大中小轿车中以广泛应用。 1 9 3 8 年通用公司推出的液力自动变速器( h y d r a m a t i c ) ，用液力偶合器代替了普 通的离合器装置，它的特点是自适应性强，使得车辆起步平稳、迅速，加速均匀，乘 坐舒适，但其缺点是效率低。 1 9 4 8 年别克汽车成功地使用了液力变矩器，变矩器与液力偶合器相比不仅可以 传递发动机的扭矩，还可以将其提高l 倍。 1 9 7 8 年以来，克莱斯勒公司的托克弗莱特型自动变速器又有新的改动，它采用 了一个“锁止式变矩器”，这种设计消除了车辆在高速档运转时常见的动力传递损耗， 从而提高了单位燃油的罩程数。 8 0 年代以来除了传统的装用液力变矩器的自动变速器外，又出现了新的、纯机 械式自动变速器，它由干式离合器和传统的手动机械式变速器加上微机控制实现自动 操纵。通常比同条件下的液力自动变速器节油1 0 - - - 3 0 。 2 3 离合器的种类 汽车离合器有摩擦式离合器、液力耦合器、电磁离合器等几种。摩擦式离合器又 分为湿式和干式两种。 2 3 1 摩擦式离合器 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。采用若干个螺旋弹簧作为压紧弹簧，并将这些弹簧沿压盘圆周 分布的离合器称为周布弹簧离合器。采用膜片弹簧作为压紧弹簧的离合器称为膜片弹 簧离合器。 7 第二章离合器概述绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 摩擦离合器是应用的最广泛也是最悠久的一类离合器，他基本上是由主动部分、 从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。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动动力的机构，而离合器的操纵机构主要是使离合器分离的装 置。 发动机飞轮是离合器的主动件，带有摩擦片的从动盘和从动盘毂借滑动花键与从 动轴相连。压紧弹簧则将从动盘压紧在飞轮端面上。发动机转矩即靠飞轮与从动盘接 触面之间的摩擦作用而传到从动盘上，再由此经过从动轴和传动系中一系列部件给驱 动轮。压紧弹簧的压紧力越大，则离合器所能传递的转矩也越大。 由于汽车在行驶过程中，需经常保持动力传递，而中断传动只是暂时的需要，因 此汽车离合器的主动部分和从动部分是经常处于接合状态的。摩擦副采用弹簧压紧装 置即是为了适应这一要求。当希望离合器分离时，只要踩下离合器操纵机构中的踏板， 套在从动盘毂的环槽中拨叉便推动从动盘克服压紧弹簧的压力向松开的方向移动，而 与飞轮分离，摩擦力消失，从而中断了动力的传递。 当需要重新恢复动力传递时，为使汽车速度和发动机速度转速平稳变化，应该适 当控制离合器踏板回升的速度，使从动盘在压紧弹簧的压力作用下，向接合的方向移 动与飞轮恢复接触。二者接触面间压力逐渐增加，相应的摩擦力矩也逐渐增加。当飞 轮和从动盘接合还不紧密，二者之间摩擦力矩比较小时，二者可以不同步旋转，即离 合器处于打滑状态。随着飞轮和从动盘接合紧密程度的逐步增大，二者转速也逐渐相 等。直到离合器完全接合而停止打滑时，汽车速度方能与发动机转速成正比。 摩擦离合器所能传出的最大转矩取决于摩擦面间的最大静摩擦力矩，而后者又由 摩擦面间最大压紧力和摩擦面尺寸及性质决定。故对于定结构的离合器来说，静摩 擦力矩是一个定值，输入转矩一旦达到此值，离合器就会打滑，因而限制了传动系所 受力矩，防止超载。 2 3 2 液力耦合器 液力耦合器靠工作液( 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。液力耦合器以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。液力耦合 器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮 g 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第二章离合器概述 装在输出轴上。动力机( 内燃机、电动机等) 带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮 甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。 最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。液力耦合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相 互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所 以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构 件间不存在刚性联接。液力耦合器的特点是：能消除冲击和振动；输出转速低于输入 转速，两轴的转速差随载荷的增大而增加；过载保护性能和起动性能好，载荷过大而 停转时输入轴仍可转动，不致造成动力机的损坏；当载荷减小时，输出轴转速增加直 到接近于输入轴的转速，使传递扭矩趋于零。液力耦合器的传动效率等于输出轴转速 与输入轴转速之比。一般液力耦合器正常工况的转速比在0 9 5 以上时可获得较高的 效率。液力耦合器的特性因工作腔与泵轮、涡轮的形状不同而有差异。它一般靠壳体 自然散热，不需要外部冷却的供油系统。如将液力耦合器的油放空，耦合器就处于脱 开状态，能起离合器的作用。 2 3 3 电磁离合器 电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。如在主动与从动件之间 放置磁粉，则可以加强两者之间的接合力，这样的离合器称为磁粉式电磁离合器。 2 4 离合器的技术发展 2 4 1 行星式双质量飞轮( d m f ) 离合器 发动机产生的不均匀转动会引起车辆的扭转振动，出现最大振幅时，可能引起变 速器和车体的异响。扭转减振器的衰减作用就是把转矩的波动限制在允许的范围里， 从而降低噪声。一般认为，扭转减振器的弹簧刚度越小，变速器一侧的转动惯量越大， 减振效果越好。在传统离合器中，扭转减振器大多集成在从动盘中，由于减振性能不 够理想，变速器转速的波动仍然很高，共振转速仍在发动机工作范围里，在许多情况 下，这种减振方式不能完全消除扭转振动引起的噪声。d m f ( 图2 1 ) 把扭转减振器 装在飞轮内，为此，飞轮分为主飞轮和副飞轮。主飞轮装有启动齿圈，通过减振器连 接主、副飞轮，因而称为双质量飞轮。d m f 的安装空间等于安装普通双片离合器所需 的空间。双飞轮结构可以安装刚度小的减振弹簧，并显著增加附加在变速器一侧的转 9 第二章离合器概述绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 动惯量。d m f 的减振性能使共振转速远低于发动机的怠速。虽然启动和停车时还要经 过共振转速，但毕竟共振只发生在很短暂的时间内。 图2 - 1 行星双质量飞轮结构图 d m f 在可能做到的最大直径处装置了几组常规的螺旋减振弹簧，弹簧受力压缩 时，弹簧套与塑料滑块接触而改变弹簧的刚度，使减振特性呈折线状。滑块与弹簧套 接触后，可防止弹簧被完全压缩。图2 2 为d m f 的扭转工作特性图，从零到第1 刚度 段的转换是为了获得良好的怠速隔振性能和改善发动机停车时的振动特性。第1 刚度 段的刚度小，使d m f 共振转速低于启动和停车的临界工作转速。发动机输出转矩增至 一定值后，减振器就会按第2 刚度段工作。 j 三 蛋 图2 - 2 行星双质量匕轮( d m f ) 工作特性图 d m f 具有下列优点： ( 1 ) 抑制启动和停车时发动机产生的噪声。 ( 2 ) 没有迫使驾驶员提前换挡的振动噪声。 1 0 汽车离含器膜片弹簧的优化设计第一二章离合器概述 ( 3 ) 发动机全部转速范围里具有优良的减振性能。 ( 4 ) 从动盘没有扭转减振器，转动惯量小，换挡容易。d m f 综合了质量惯性和 弹簧减振的原理，使用d m f 可有效消除振力，并使7 5 t 以下的中轻型汽车减小怠速。 2 4 2 磨损自动补偿离合器 离合器摩擦片在使用过程中必然被磨损，传统的离合器是与摩擦片厚度相关的非 稳定动态系统，磨损对离合器的工作性能有着重要的影响。对膜片弹簧离合器而言， 由于摩擦片磨损变薄，膜片弹簧的位置随之发生变化，从而增加了压紧力，引起分离 力的增加。膜片弹簧离合器的压盘行程与分离力特性图( 见图卜2 ) 描绘了这种特性。 为了调整摩擦片磨损引起的分离系统元件的位移需要设置助力缸活塞调整磨损行程 ( 非自动调整分离系统，需要人工对系统进行调整) ，因而增加了安装长度。鉴于传 统膜片弹簧离合器的缺陷，需要一种磨损稳定的离合器。磨损自动补偿离合器就是为 消除上述缺陷而开发的磨损稳定离合器。其基本原理是在摩擦片磨损时，保持膜片的 安装位置稳定。补偿机构根据逐渐磨薄的摩擦片厚度连续起作用，这种机构适用于拉 式和推式的离合器。 这种补偿机构的结构并不复杂，它由两只调整环、一只保持弹簧、一只楔形滑块、 一只装在离合器盖上的止动器和两只弹簧组成，调整环由上、下环组成。调整原理如 图2 - 3 所示。自动补偿机构的工作原理如图2 4 所示。图2 4 a 为摩擦片未磨损的状 态；摩擦片磨损后，压盘和调整环一起移向飞轮，如图2 - 4 b ；此时止动器抬起，保 持簧片使其与制动器接触处保持磨损前的位置，楔形滑块在拉簧的拉动下移动，直至 与保持簧片接触，此时保持簧片的自由端已经不能再返回到初始位置，见图2 - 4 c ； 分离离合器时，压紧力被解除，下调整环受弹簧的拉力而移动，项起上环，直至上环 到达磨损前的位置，离合器再次结合，膜片返回到出厂时设定的位置，完成了补偿调 整，见图2 - 4 d 、图2 4 e 、图2 4 f 。 第二章离合器概述 绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 上环 图2 - 3 磨损自动补偿离合器调整原理图 摩擦片未磨损 b a 紧野紫 图2 - 4 磨损自动补偿离合器1 2 动补偿机构的工作原理 磨损自动补偿离合器具有以下优点： ( 1 ) 分离踏板力不因摩擦片的磨损而增加，减轻了驾驶员的劳动强度。 ( 2 ) 由于分离力稳定和助力缸无需磨损行程，降低了分离系统需要的安装空间。 2 5 离合器的控制方式 离合器的控制方式有传统的单参数控制法、最优控制法。近年来人们又把智能控 制引入离合器控制中，离合器的控制因复杂多变的外界工作环境、驾驶员的主观意图 以及系统本身存在的非线性、非模型化、时滞、干扰、变参数的影响，传统的基于模 型的控制算法难以满足离合器的控制要求。而熟练的驾驶员凭借丰富的经验和驾驶技 巧，可以顺利地完成汽车各种工况下的快速、平稳起步。传统的离合器在接合时可能 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第二章离合器概述 发生发动机熄火的现象，为了避免这类现象，行之有效的方法是采用模糊技术控制， 通过电子液压阀的模糊控制，自动控制离合器的接合。模糊控制不依赖于系统精确的 数学模型，简化了建模手续、算法简明。它将发动机转速、油门开度及其变化率、档 位等参数作为模糊控制器的输入变量，利用模糊逻辑技术控制离合器的接合速度。采 用模糊控制技术，可以在起步过程中控制发动机在较低转速下的稳定运行，由此大大 减少滑磨功，从而提高离合器的寿命。 2 6 离合器从动盘 离合器从动盘设计中面临的主要矛盾是，一方面希望有尽可能大的从动盘直径， 以便获得好的传扭特性、减少摩擦片磨损量和提高使用寿命，另一方面又希望尽可能 地减小从动盘的转动惯量，以缩短变速同步时间，保证变速器换档的平顺。为形成轴 向弹性，以利于离合器接合柔顺，传统离合器从动盘本体有意识地制成波浪状，因此 往往难以协调这种矛盾。而采用三角形槽式从动盘本体结构时，它在保留原波浪状从 动盘本体所具有的轴向弹性特性的同时，由于其上可形成大面积的平面，足以使其与 摩擦片连接采用粘接方式替代传统的铆接，这样，在摩擦片上便无需预留铆钉钢背的 厚度，故离合器摩擦片厚度可减小，由此从动盘的轴向尺寸可减小1 0 ，而转动惯量 可降低近2 5 。换句话说，在保持转动惯量不变的前提下，有可能将从动盘直径增大， 这样可为扭转减振器的布置让出空间，当减振器弹簧工作直径增大时，减振器刚度 可大大降低，空问的增大也为设置理想的阻尼元件提供了基本条件。另一方面，由于 从动盘直径增大，使得优化膜片弹簧分离指的杠杆比成为可能，良好的杠杆比可以明 显地减少分离轴承上的负荷。 2 7 离合器未来的发展 随着中国汽车产业在二十一世纪初的井喷式高速增长，离合器也经历了一个高速 发展时期。目前的汽车行业进入一个缓慢增长的常态发展阶段，离合器虽然受到汽车 自动变速器技术广泛应用影响，但由于能耗等方面的因素，尤其商用车，在可预见的 未来一段时期内，离合器仍将是汽车的基本配置。自从微电子技术被引入后，把驾驶 汽车从繁重的体力劳动中解放出来就成为一种可能，人们还希望通过汽车的智能化来 提高驾驶质量，因此向微电子方向发展将成为一种明显的趋势。新型的离合器操纵系 统就是基于机电一体化的自动操纵系统。 第二章离合器概述绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 2 7 1 电子控制离合器分离器( ep c a ) ep c a 的分离力完全来自压缩空气。分离器是与变速器输入轴同心的气动缸，直 接对离合器施加分离力。分离踏板实际上只是表达驾驶员意愿的器械，踏板上安装了 位置传感器，驾驶员像操纵普通离合器一样操纵分离踏板，踏板的电位作为信号传输 给ep c a 软件，ep c a 软件计算出分离轴承的位置，ep c a 控制阀调控分离器内的气 动压力。ep c a 软件包含一个防止误操作的模糊评估模块。ep c a 也可以用于全自动 分离系统。在全自动分离系统中，没有离合器分离踏板，车载电脑根据传感器收集到 的信息自动控制ep c a 控制阀。 2 7 2 电子控制离合器分离系统 电子控制离合器分离系统就是用微电子设备传输驾驶员的意愿，用微电子设备控 制离合器工作状态的自动操纵系统。在电子控制离合器分离系统中没有分离踏板，驾 驶员仍然要进行换档操作。启动时，驾驶员操纵油门踏板就可以决定汽车的启动方式。 装在换档杆上的传感器触发分离离合器的动作，当驾驶员作用在换档杆上的力超过可 调整的设定值时，分离系统就开始分离离合器，油门踏板也同时抬起。分离器可以在 零点几秒内将压盘的分离行程准确到十分之几毫米。为使换档迅速，分离、换档和接 合的时间必须协调，为此，用啮合传感器探测最佳分离时机。 2 8 本章小结 ( 1 ) 介绍了离合器的主要功用： a ) 传递和切断发动机动力； b ) 过载保护； c ) 降低震动和噪声。 ( 2 ) 离合器经历了锥形离合器、湿式多片离合器、干式单片双片离合器、液力 自动变速器、液力变矩器、机械式自动变速器的结构演变过程。 ( 3 ) 根据离合器的工作方式，离合器分为摩擦式、液力耦合器和电磁离合器等 几种类型。 1 4 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第三章膜片弹簧离合器 第三章膜片弹簧离合器 3 1 膜片弹簧离合器的总体构成 膜片弹簧离合器是用膜片弹簧代替了一般螺旋弹簧及分离杠杆机构而做成的离 合器，因为它布置在中央，所以也可算中央弹簧离合器，其结构如图3 - 1 所示。膜片 弹簧离合器是由离合器盖及压盘总成1 、从动盘总成2 与分离轴承总成3 三部分组成， 装在发动机飞轮4 上。离合器盖总成中各种典型零件结构如图3 - 2 所示。 n 图3 - 1 膜片弹簧离合器 ( a ) 推式膜片弹簧离合器；( b ) 拉式膜片弹簧离合器 卜离合器盖及压盘总成：2 一离合器从动盘总成；3 一离合器分离轴承；4 一飞轮。 ( 1 ) 离合器盖 离合器盖一般为1 2 0 度或9 0 度旋转对称的板壳冲压结构，通过螺栓与飞轮联结 在一起。离合器盖是离合器中结构形状比较复杂的承载构件，压紧弹簧的压紧力最终 都要由它来承受。 ( 2 ) 压盘 压盘的结构一般是环形盘状铸件，离合器通过压盘与发动机紧密相连。压盘靠近 外圆周处有断续的环状支承凸台，外缘均布有三到四个传力凸耳。 1 5 第三章膜片弹簧离合器绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 8 7 6 图3 2 膜片弹簧离合器盖及压盘总成零件分解图 卜离合器分离盖2 、4 支承环3 一膜片弹簧5 一压盘6 传动片7 一分离钩8 一铆钉9 一支承铆钉 ( 3 ) 膜片弹簧 膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周表面上开有许多均布的长径 向槽，在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔，可以穿过支承铆钉，这部分称之为 分离指，从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其截面为截圆锥 形，称之为碟簧部分，见图3 - 3 芭 蚤。影氮 f i 置工 图3 3 离合器膜片弹簧结构简图 肛膜簧外半径；r 碟簧部分内半径；h - 碟簧部分内锥高：t 一弹簧板厚度l 一外支承半径； 卜内支承半径；r r 小端加载誓径；r 旷小端内半径；l 一窗孔内半径；6 - 一小端槽宽；6 ：一窗孔槽宽 1 6 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第三章膜片弹簧离合器 ( 4 ) 传动片 离合器接合时，飞轮驱动离合器盖带动压盘一起转动，并通过压盘与从动盘摩擦 片之间的摩擦力使从动盘转动。在离合器分离时，压盘相对于离合器盖作自由轴向移 动，使从动盘松开。这些动作均由传动片完成。传动片的两端分别与离合器盖和压盘 以铆钉或螺栓联接，一般采用周向布置。在离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压 盘共同旋转；在离合器分离时，可以利用它的弹性回复力来牵动压盘轴向分离并使操 纵力减小。 3 2 膜片弹簧离合器的工作原理 由图3 2 可知，离合器分离盖1 与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧3 被预加压紧，离合器处于接合位置时，由于膜片弹簧大端对压盘5 的压紧力，使得压 盘与从动盘6 摩擦片之间产生摩擦力。 当离合器盖总成随飞轮转动时( 构成离合器主动部分) ，摩擦片上的摩擦转矩带 动从动盘总成和变速器一起转动以传递发动机动力。要分离离合器时，将离合器踏板 踏下，通过操纵机构，使分离轴承总成前移推动膜片弹簧分离指，使膜片弹簧呈反锥 形变形，其大端离开压盘，压盘在传动片的弹力作用下离开摩擦片，使从动盘总成处 于分离位置，切断了发动机动力的传递。 3 3 膜片弹簧材料及制造工艺 国内膜片弹簧一般采用6 0 s i 2 m n a 或5 0 c r v a 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，以产生一定塑性变形，从而使膜片弹簧 的表面产生与使用状态反方向的残余应力而达到强化的目的。一般来说，经强压处理 后，在同样的工作条件下，可提高膜片弹簧的疲劳寿命4 2 5 。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，从而形成一定厚度的表面强化层，起到冷作硬化的作用，同样也可提高承载能 力和疲劳强度。 1 7 第三章膜片弹簧离合器绪论汽车离合器膜片弹簧的优化设计 为了提高分离指的耐磨性，可对其端部进行高频淬火、喷镀铬合金和镀镉或四氟 乙烯。在膜片弹簧与压盘接触圆形处，为了防止由于拉应力的作用而产生裂纹，可对 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、锈蚀等缺陷。碟簧部分的硬度一般为 4 5 一- , 5 0 h r c ，分离指端硬度为5 5 ，- - - - 6 2 h r c ，且同一片上同一范围内的硬度差不大于3 个单位。膜片弹簧上下表面的表面粗糙度为1 o 朋，底面的平面一般要求小于0 i m m 。 膜片弹簧处于接合状态时，其分离指端的互相高度差一般要求小于0 8 一- i o m m 。 3 4 膜片弹簧的特点 3 4 1 膜片弹簧的工作状态 膜片弹簧离合器分推式和拉式两种，但其膜片弹簧的结构形式是一样的，计算的 力学模型也是一样的，所不同的是：在安装上，如果推式是“正装”那么拉式就要“反 装。本文在后面的讨论中都是结合选用的国内某型膜片离合器为参照，以推式膜片 弹簧离合器为例说明，膜片弹簧的工作状态可以分为下列三种工作状态来研究。 a ) 自由状态b ) 接合状态c ) 分离状态 图3 - 4 膜片弹簧的工作状态 a ) 自由状态 在离合器盖总成尚未与发动机飞轮装合前，膜片弹簧处于近似于自由状态( 由于 压盘与离合器盖己与传动片相连，使膜片弹簧稍微受压) 。 b ) 接合状态 当离合器盖总成与飞轮装合时，离合器盖通过上支承环对膜片弹簧中部施加压紧 力，而膜片弹簧大端与压盘接触处作用着支承反作用力。接合状态时膜片弹簧被压紧 1 8 汽车离合器膜片弹簧的优化设计第三章膜片弹簧离合器 到趋近于压平状态的预压缩状态，从而将处于飞轮与压盘之间的从动盘上的摩擦片压 紧在压盘上，离合器处于载荷变形曲线上接合位置b 点( 图1 - 1 ) 。此时，主要是膜片 弹簧碟簧部分受载，分离指部分不受载荷。支承环l 和压盘l 处之间的高度变化称为 膜片弹簧的大端变形入l ( 接合状态也即工作入1 b ) ；膜片弹簧小端也有变形，把小端 r f 处与支承坏l 间的高度变化称为小端变形凡入2 b 。 c ) 分离状态 将分离轴承向前推向飞轮时，载荷作用于膜片弹簧小端加载半径r f 处，使得膜 片弹簧以中部的下支承环为支点，继续受到压缩。此时，膜片弹簧的大端对压盘的压 紧力逐渐减小直至消失，使从动盘分离，离合器处于分离位置。同时小端作用力l 逐 渐增大，膜片弹簧受压缩超过压平位置后，会呈反锥形的翻转状态( 在作用力减小后， 由于弹性恢复力，膜片弹簧仍能恢复到正常的初始状态) 。分离位置时，膜片弹簧大 小两端所产生的附加变形量分别为入1 ”= 入1 f ( f 代表分离，入i f 称为压盘升程) 与a 入2 ”= 入2 f ( 入2 f 称为分离轴承行程，简称分离行程) 。 3 4 2 膜片弹簧的载荷一变形计算( a l 法) 膜片弹簧的结构参数如图3 - 3 所示。对其进行受力分析时，通常将它分为两部分： 碟簧部分和分离指部分。碟簧是圆锥壳，大变形时研究其载荷一变形特性要用到壳体 非线形稳定理论；分离指部分可看作是悬臂梁，它也是大变形，并且是变截面悬臂梁， 问题较为复杂。用精确计算法或数值计算法工作量很大，目前国内外计算膜片弹簧的 载荷一变形曲线多采用解析近似计算法，如a - l 算法。a - l 算法对膜片弹簧( 碟簧部分) 计算最主要的一个假设就是铁摩幸柯假设，即碟簧在受到轴向载荷时，碟簧的矩形子 午截面只是绕中心锥面的某一中性点转动，而矩形截面本身并不发生变形。 1 大端加载时膜片弹簧的载荷一变形计算 ( 1 ) 在大端载荷f 1 作用下，大端l 处的载荷一变形公式f l = f ( 入1 ) 在接合位置时，由碟簧部分的预压变形起作用，受力情况如图3 5 所示，根据 a - l 公式，此时膜片弹簧的载荷一