干式双离合器的参数化设计与分析优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 干式双离合器的参数化设计与分析 parameterization design and analysis of dry dual clutch 战东红战东红 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2011 年年 6 月月 国内图书分类号 u463 211 2 学校代码 10213 国际图书分类号 629 密级 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 干式双离合器的参数化设计与分析 硕 士 研究生 战东红 导 师 崔胜民教授 申 请 学 位 工学硕士 学 科 车辆工程 所 在 单 位 汽车工程学院 答 辩 日 期 2011 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index u463 211 2 u d c 629 dissertation for the master s degree in engineering parameterization design and analysis of dry dual clutch candidate zhan donghong supervisor prof cui shengmin academic degree applied for master of engineering specialty automobile engineering affiliation school of automobile engineering date of oral examination june 2011 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘 要 大量非职业驾驶员的出现 消费者对驾驶性能要求的提高以及环境节能减 排的需要等使得汽车行业加快了对汽车自动变速器技术的研究 其中双离合器 自动变速器作为一种新型自动变速器 较其他变自动速系统有着更加优越的动 力性 经济性 成为当今汽车领域研究的热点 若以传统的设计方法开发设计 双离合器效率低 因此研究一种基于三维 cad 系统的参数化设计方法对提高 双离合器的设计效率及缩短开发周期具有重要意义 另外离合器在瞬态结合过 程中滑磨产生的热量问题也不容忽视 因此有必要对双离合器关键零部件进行 热分析 本文即以设计一款高级乘用车自动变速系统为例 对干式双离合器的 参数化设计及热分析展开研究 根据车型参数选择干式膜片弹簧双离合器作为其研究对象完成对干式双离 合器的结构设计及离合器的基本参数计算 并对离合器主要性能指标校核 同 时对干式双离合器中的关键零部件压盘 膜片弹簧 从动盘总成以及离合器盖 进行设计 确定压盘基本参数并校核 分析常开式膜片弹簧的工作特性 确定 其基本参数尺寸 并对其进行受力分析 对从动盘总成中的主要零件从动片 减震器盘 摩擦片 从动盘以及扭转减震器进行了设计计算 在干式双离合器结构及零件基本参数确定的基础上 本文重点是选择以 catia 三维建模系统为平台及 vb6 0 为开发工具 借助 catia 二次开发接口 利用 vb6 0 外部程序访问 catia 内部对象的方式 实现了对干式双离合器结 构中关键零件的参数化设计 并进一步实现了装配参数化设计 在参数化模型的基础上 利用 ansys 有限元分析软件对双离合器换挡过 程中摩擦片及压盘 i 滑磨产生的瞬态温度场及因摩擦生热引起的热应力 热应 变进行了热分析 同时对膜片弹簧进行静力学分析 这些为双离合器的结构设 计及优化分析提供了一定的依据 关键词关键词 干式双离合器 参数化设计 瞬态温度场 摩擦生热 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract the massive amateur drivers appearance the consumer s enhancement for handling as well as requirement for environment energy conservation and so on make the auto industry research speed up the automobile automatic transmission technology research among them double clutch transmission as a kind of new automatic transmission more superior power economic type than other ones becomes the hot spot that the auto industry studies nowadays if developing double clutch by traditional design method efficiency is low therefore it is necessary to study one kind method based on the parameter design of 3d cad system which can improve design efficiency of double clutch and shorten research cycle moreover the calorific problem in a sudden cohesive process of clutch cannot be neglected so it is also essential to do heat analysis on key parts of double clutch taking a style of light passenger car for instance this paper mainly analyzes parameter design and thermal analysis of double clutch according to the vehicle parameter this paper chooses dry diaphragm spring double clutch as research object completes structure design and basic parameter computing of the clutch and checks calculation of parameter performance at the same time crucial parts of double clutch are designed this paper determines and checks parameter of platen analysis the diaphragm spring s operation characteristic recognize its basic parameter size and does force analysis for spring the follower pan shock absorber pan friction clutch plate hub torsion shock absorber as driven disk s main parts are carried on design computing based on basic parameter of double clutch the point of the paper is to choose catia as 3d modeling platform and vb6 0 as development tool visit the catia internal object by vb6 0 exterior procedure with the aid of the catia re development connections realize crucial parts parameter design of the double clutch structure and further realize the assembly parameter design of double clutch this paper makes transient state temperature field analysis thermal stress and thermal strain on the friction disk and pressure plate i of double clutch in the sudden cohesive process by ansys finite element analysis software in addition this paper does static analysis on the disk spring these works can provide certain basis for double clutch s structural design and the optimized analysis keywords dry double clutch parameter design transient temperature field chafe 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题研究背景和意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 国内研究现状 3 1 3 本文的主要研究内容 4 第 2 章 干式双离合器的结构设计与计算 6 2 1 干式双离合器结构确定与设计 6 2 1 1 双离合器结构形式的确定 6 2 1 2 干式双离合器结构设计 8 2 2 干式双离合器基本参数的选择与确定 8 2 3 干式双离合器参数校核 10 2 4 本章小结 11 第 3 章 干式双离合器关键零部件设计 12 3 1 压盘的设计 12 3 2 膜片弹簧的设计 12 3 2 1 常开式膜片弹簧的工作特性 12 3 2 2 常开式膜片弹簧的设计计算 14 3 2 3 常开式膜片弹簧的受力分析 15 3 3 从动盘总成设计 16 3 3 1 从动片的设计 17 3 3 2 减震器盘设计 18 3 3 3 摩擦片设计 18 3 3 4 从动盘毂设计 19 3 3 5 扭转减震器设计 19 3 4 离合器盖的设计 23 3 5 本章小结 23 第 4 章 干式双离合器参数化设计 24 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 4 1 参数化设计 24 4 1 1 参数化设计概述 24 4 1 2 基于三维 cad 系统的参数化设计策略 24 4 2 干式双离合器关键零件的参数化设计 25 4 2 1 零件参数化设计的方法 25 4 2 2 摩擦片的参数化设计 26 4 2 3 压盘的参数化设计 28 4 2 4 膜片弹簧的参数化设计 31 4 3 干式双离合器装配体的参数化设计 33 4 3 1 部件参数化设计的方法 33 4 3 2 干式双离合器装配体参数化设计过程 34 4 4 本章小结 34 第 5 章 干式双离合器有限元分析 35 5 1 有限元分析方法的确定 35 5 2 有限元分析前处理 37 5 2 1 有限元模型的建立 37 5 2 2 材料参数的确定 39 5 2 3 干式双离合器热分析中载荷及边界条件的确定 39 5 3 压盘 i 的热分析 42 5 3 1 压盘 i 的温度场分析 42 5 3 2 压盘 i 的热应力应变分析 44 5 4 摩擦片的热分析 45 5 4 1 摩擦片的温度场分析 45 5 4 2 摩擦片的热应力应变分析 48 5 5 膜片弹簧的静力学分析 48 5 6 本章小结 50 结 论 51 参考文献 52 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 55 致 谢 56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章 绪 论 1 1 课题研究背景和意义 随着我国人民生活水平的提高 人们不再满足当前生活的状态 开始追求 高质量 高品位的生活 特别是生活私家汽车的普及使得对车辆驾驶性能的要 求更上一层 研究和开发燃油经济性好 开发成本低 操纵方便等特点且具有 好的销售前景的车辆 来满足广大消费者对车辆高性能指标的需求是目前汽车 行业的一个艰巨任务 实现这些功能和要求重要途径之一 即研发传动系中能 够保证汽车高动力性 自动换挡性能好的自动变速器 现在各国生产厂家都不 惜投入大的人力 物力和财力加快对各类自动变速器的研究 以便在日后的汽 车市场中占有一席之地 随着高速发展的计算机技术和电控技术的应用 对自 动变速器在理论和设计水平上的研究得到很大提高 自动变速性能不断完善 在车辆上的应用也日益广泛 实现传动系变速操纵的自动化已成为现代汽车发 展的标志之一 现在市场上的变速器可分为 5 类 传统的手动变速器 mt 性价比较高的 电控机械式自动变速 amt 双离合器自动变速器 dct 由 v 形轮和传动带 组成的能靠摩擦传动的无级变速器 cvt 以及汽车行业中最早获得成功的液力 自动变速器 at 各自都有不同的优势 1 其中双离合器自动变速器 dct 是现 在汽车行业积极研究的一种新型自动变速器 作为近年新兴的自动变速器 双 离合器式自动变速器 它自身有很多的优点 首先它克服了机械手动变速器 mt 换挡时动力中断的缺点 可以像自动变速器 at 和无级变速器 cvt 有良好的换挡品质实现动力换挡 2 研究表明 双离合器中两个离合器交替换 挡时间大约在 0 5s 左右 换挡时间的短暂性让车辆乘坐者不容易感觉到换挡的 顿挫感 对车辆舒适性能有了一个很大的提高 而且燃油经济性能也大幅提升 其次双离合器式在原来手动变速器基础上发展起来的 因此双离合器自动变速 器和电控机械式自动变速器相似 可以在本身具有的手动变速器上进行改造和 生产 降低了自动变速器生产成本 3 4 而且它具有手动变速器传动效率高 结 构紧凑 重量轻 价格便宜等许多优点 5 6 所以配备双离合器的车辆无需换挡 操作方便 燃油消耗少 排放污染少 使用成本低 且行车安全可靠 7 9 同 时双离合器的换挡方式也适用于混合动力汽车的研发和推广 基于双离合器如此多的优点 现在国内很多汽车厂商及各大高校都对其进 行研究 但目前中国作为汽车生产大国 就其掌握的自动变速器实力来说 仍 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 不处于主导地位 产品设计开发能力还有待提升 对自动变速器的设计开发大 部分还停留在使用传统 cad 技术 这不能满足系列化产品设计的需求 产品 设计开发周期长 效率低 特别是对企业来讲 如果能缩短产品开发周期 提 高工作效率就是赢得了市场 参数化设计的方法可以解决这一问题 因此 双 离合器自动变速器产品的研发若采用参数化设计的方法 对提高企业双离合器 设计研发水平 缩短开发周期具有重要意义 而且对提高我国自主研发双离合 器自动变速器的能力及促进混合动力汽车的研究具有重要的意义 另外 双离合器自动变速器在实际工作过程中某些零件的发热问题不可小 视 特别是在短暂的换挡过程中离合器摩擦副零件之间的滑摩生热引起的温度 场变化及零件热变形对双离合器正常工作影响较大 因此有必要对双离合器自 动变速器中的关键零件进行热分析 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 人们对双离合器式自动变速器的研究到现在已有 80 年的历史 10 20 世纪 30 年代末德国人 kegresse a 首次申请了关于双离合器变速器的专利 1940 年 保时捷也研发了专用于赛车的双离合变速器 但是当时人们对这种离合器并没 有关注 在 80 年代末 双离合器变速器再一次出现引起了众人的视线 这种技 术被应用于赛车上 其中当时奥迪的 sport quattro s1 赛车就应用了这种技术 被称为 audi sport quattro s1 赛车配合双离合器技术 11 也正是这时技术的 配备让当时奥迪的赛车取得了多项赛事胜利 然而由于控制技术的局限性 dct 技术并没有广泛应用到乘用车领域中 随着电子科技技术的发展与进步以及消 费者对车辆高品质性能的要求 双离合器自动变速器技术有了很大进步 为大 批量生产并广泛应用于普通轿车奠定了基础 20 世纪末 大众公司和博格华纳 一起开发了 dualtronic r 技术 这种技术被称为 dsg 可以实现双离合器自动 变速器的批量生产 后期博格华纳公司又研发了一些新型元件 将其安装在双 离合器内部 这些元件的应用使得 dsg 技术更加成熟 2002 年到 2003 年 dsg 技术开始逐步应用到大众公司的其他车型中 13 2004 年 大众公司在一款为途 安的车上将双离合器技术与 tdi 柴油发动机应用在一起 14 这款 dsg 变速器 所能传递的扭矩可达 350n m 双离合器的低燃油消耗在欧洲得到众多驾驶员的 喜爱 日本三菱跑车的运动性一向比较强悍 对双离合变速器这种高端性能的设 备 日本人抓住机遇 在 2007 年 7 月也公布了自己研发的双离合变速器 sst 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 sport shift transmission 同年 大众公司开始转移合作目标与专业研发干 式双离合器的 luk 公司携手 一起研发出 7 速干式双离合器 15 此款产品无论 在经济性还是动力性方面的性能都完全可以与手动变速器相媲美甚至超越 与 此同时 大众公司将此产品应用到公司内部其他车型中 并将市场拓展到全球 各地 到 2008 年底 除大众之外的很多家公司 如奥迪 宝马 沃尔沃等也开 始拥有配备双离合器自动变速器的车型并面向市场推广 2010 年欧洲变速器市 场上 配备手动变速器和自动变速器的汽车各自将占接近一半的比例 其中双 离合器变速器的将占 16 16 由于 dct 是机械式自动变速器的新发展 在目 前以手动变速器市场份额较大的欧洲特别受欢迎 在欧洲双离合变速器作为传 统自动变速箱的换代产品在迅速的普及 在国外市场中 目前美国的博格华纳和德国的舍弗勒掌握着双离合变速器 的核心技术 现在一提起双离合变速器技术 大众汽车的双离合器变速器是当 今使用最为广泛且适合用批量化生产的技术 称为 dsg 除了这种说法以外还 有很多叫法 如三菱的 sst 沃尔沃的 powershift 宝马的 dkg 等 双离合器 有湿式和干式两种 图 1 1 和 1 2 是为大众研发的干 湿式双离合器 图 1 1 干式双离合器结构 图 1 2 湿式双离合器结构 1 2 2 国内研究现状 dct 的研究在国内还处于起步阶段 研究较晚 各方面发展都还不成熟 虽然目前已取得一定的成果 但仍与发达国家之间有不少差距 其中进行这方 面研究工作的单位主要集中和体现在一些大学和研究所 吉林大学牛铭奎 葛安林等人在 2002 年开始对双离合器的工作原理及其换 挡控制进行了研究 17 2004 年在江苏汽车开放基金的支持下 牛铭奎 程秀生 等人进一步研究了双离合器实现动力换挡的原理 并对其换挡特性进行了仿真 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 试验 为以后双离合器的自主开发设计奠定了基础 18 2005 年程秀生 张洪坤 等人发明了一种结构新型的双离合器自动变速器结构 19 同年金伦 程秀生等 人又对双离合器自动变速器进行了仿真研究 近两年吉林大学与浙江吉利汽车 研究院有限公司合作对六速双离合器自动变速器进行了开发 吉林大学汽车动 态模拟国家重点实验室对湿式双离合器的升档控制有所研究 与杭州依维柯汽 车变速器有限公司一起对干式双离合器自动变速器快速控制原型进行研究 并 做相关台架试验 重庆大学机械传动国家重点实验室在 2007 年对双离合器自动变速器起步 控制仿真分析 在近两年还对湿式双离合器自动变速器换挡控制 双离合器的 传动方案及电控单元温度场进行分析研究 同时重庆大学对双离合器自动变速 器电控软件也进行了开发 2006 年 国家将双离合器自动变速器列为 十一五 国家 863 计划中 在 国内得到了迅速发展 20 正是在这一年国内首次引进了大众的配备 6 速 dsg 双离合变速器的 gti 和 09 款迈腾 2008 年在国家发改委的推动下 上汽和华 晨就自动变速箱方面进行合作 两家企业共同研发国内首台 dct 变速器项目 这也是国产自主品牌产品研发的一大进步 2009 年 4 月 中国汽车工程学会在 上海成功举办了第一届国际汽车自动变速器研讨会 各地专家围绕自动变速器 技术及发展战略进行了深入研讨 其中就包括对双离合器发展的探讨 并与 2010 年在北京进一步加强了这方面的交流 另外 国内的其他高校也在逐步的加入到对双离合器自动变速器的研究领 域中来 其中 2009 年湖南大学汽车车身国家重点实验室对双离合器起步仿真分 析 合肥工业大学也对其进行了相关方面的研究 同济大学余健 何宁等人对 其故障诊断 容错控制及换挡规律进行了研究 针对中国当今社会大量非熟练驾驶员的涌现 汽车生产和保有量的快速增 加的市场现状 以及中国大众消费者对驾驶舒适性 经济性等要求逐渐提高 双离合器自动变速器以其优良的燃油经济性和换挡品质更能迎合中国市场的需 求同时满足汽车爱好者对汽车高驾驶性能的要求 可以预测 未来双离合器自 动变速器将在中国市场占有一席之地 21 22 1 3 本文的主要研究内容 本文旨在对 dct 中的双离合器模块的结构有一个更加深入的了解和分析 的同时 使用参数化设计技术来提高设计和研究双离合器的效率 即以 catia 和 vb6 0 为基础 将 catia 作为一个 ole object linking and embedding 自动 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 化服务器 利用 vb 编写外部程序通过 catia 的二次开发接口来访问 catia 内部对象的方式 实现对干式双离合器结构的参数化建模 同时利用 ansys11 0 有限元分析软件对双离合器摩擦副中的零件进行热分析 本文的主要研究内容如下 1 确定干式双离合器结构形式 对干式双离合器进行结构设计 确定离 合器基本参数 并对离合器参数进行校核 2 对干式双离合器中的关键零部件压盘 膜片弹簧 从动盘总成以及离 合器盖进行设计 3 应用 visual basic6 0 编写相关的应用程序和界面 4 以 catia 及 vb6 0 为基础 借助 catia 二次开发接口 利用 vb6 0 外部程序访问 catia 内部对象的方式 实现对双离合器结构中关键零件的参 数化设计 并进一步实现装配参数化设计 5 利用 ansys11 0 有限元分析软件对干式双离合器换挡过程中摩擦片 及压盘 i 滑磨产生的瞬态温度场及因摩擦生热引起的热应力 热应变进行热力 学分析 观察短暂的摩擦过程产生的温度变化及热应力应变情况 判定摩擦产 生的热量对整个离合器工作过程的影响 同时对膜片弹簧进行静力学分析 确 定是否满足工程要求 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 第2章 干式双离合器的结构设计与计算 离合器作为汽车传动系统中的重要部件之一 它对发动机传递动力 车辆 能否安全平稳起步 换挡过程是否平顺等都起着非常大的作用 因此在对离合 器进行设计时 一定要首先保证离合器满足其基本工作要求 在完成基本功能 的基础上力求结构简单 好制造 易维修 使用轻便且工作寿命长 本文是基于一款高级乘用车的基本技术参数为例 对其中的双离合器进行 结构设计 具体技术参数如表 2 1 所示 表 2 1 目标车型主要技术参数 名称 参数值 整车整备质量 kg 1680 车辆总质量 kg 2060 发动机最大转矩 n m 220 发动机最大功率 kw rpm 70 发动机最大转速 rpm 3800 最高车速 km h 150 车轮滚动半径 mm 330 1 挡传动比 3 85 主减速比 4 0 2 1 干式双离合器结构确定与设计 2 1 1 双离合器结构形式的确定 目前存在的双离合器结构有两种 干式双离合器和湿式双离合器 其中干 式双离合器具有从动部分的转动惯量小 转矩过载保护能力强 结构简单 成 本相对较低 分离彻底 调整方便 不需辅助动力等优点 它是通过压盘和飞 轮吸收摩擦时产生的大量热量 但是因为空气散热速度慢 产生的热量不能在 短时间内散发出去 所以干式双离合器对于在滑摩时间短 产生热量较少的短 时间滑磨结合的工况比较适用 同时因为干式双离合器的操纵机构是机械式的 且有两个离合器 需要在离合器内安装两套操纵机构 因此轴向结构尺寸比较 大 且因为散热条件的限制 摩擦片易磨损 需定期更换 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 湿式双离合器是指双离合器安装于一个充满液压油的封闭油腔里 用油对 摩擦片进行冷却 这种 湿式 结构具有更好的自我调节能力及热容性 其中 对于热量产生的速度相当敏感 但不受产生滑磨产生的总热量的限制 因此能 够传递比较大的扭矩 压力分布均匀 而且磨损小 不需要专门调节摩擦片间 隙 使用于离合器结合过程中发热速度慢 压力逐步增加的场合 为了免受外 界温度 粉尘等不良环境的影响 湿式离合器的工作环境对外是全封闭的 工 作性能稳定 因为摩擦副之间存在油墨 结合过程平顺 在不增大径向尺寸的 前提下 调节离合器扭矩传递可以通过改变摩擦副的数量来实现 相对于干式 离合器而言 它的散热效果好 但油耗有所增加 而且在结构设计方面比干式 离合器复杂 所以制造成本高 难度大 表 2 2 总结出干式双离合器与湿式双 离合器的优缺点 表 2 2 干式和湿式双离合器的优缺点 类型 优点 缺点 干式双离合器 结构简单 成本低 传动效率高 控制难度大 长时间润滑困难 轴向尺寸大 传递扭矩小 湿式双离合器 控制性能好 滑摩擦特性稳定 寿命长 结构复杂 燃油消耗大 下面是 luk 公司得出的双离合器的负载指数与能力指数之间的关系图 见 图 2 1 23 在图中可以看出 当负载和能力指数的比值在极限范围以上时 特 别是车辆要求传递大发动机扭矩时需要采用湿式离合器 因为干式双离合器传 递扭矩小 散热慢 所以在赛车型 装载大功率发动机型及轮胎加大多功能型 越野车上 即使它们内部拥有足够的安装空间 若安装使用干式双离合器意义 也不大 但相对于中小型 低转矩的车型来说 如扭矩在 150n m 250n m 的 轿车 通过曲线图分析 可以选择结构简单 故障率少 使用成本低的干式离 合器 鉴于本文所设计的工作转矩小的轻型轿车 所以选择结构简单 成本低 的干式双离合器 因为干式双离合器本身存在一些缺点 而采用膜片弹簧可以在一定程度上 弥补 首先 它结构轴向尺寸小 可以弥补干式双离合器结构中轴向尺寸大的 缺点 而且它零件组成部分少 结构简单 容易实现在干式双离合器的空间布 置与安装 其次 膜片弹簧具备良好的弹性特性 即便在摩擦片磨损的情况下 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 仍然能保持较理想的发动机动力传递 且驾驶员对离合器操纵机构的操纵轻便 另外 膜片弹簧与压盘以整个圆周形式接触 压力分布均匀 摩擦均匀 而且 易于实现通风散热 所以本文选择研究的是以膜片弹簧作为压紧弹簧的干式双 离合器 图 2 1 负载指数与能力指数的分析比较 2 1 2 干式双离合器结构设计 传动系档位数的选择需要满足很多要求 按照标准传动系中自动变速器档 位数的要求一般发动机转矩在 180 350n m的 对于自动变速器系统而言其变 速器的档位数为 6 档 本文车型的最大扭矩是 220n m 因此选择干式双离合器 自动变速器的档位数为 6 档 干式双离合器自动变速器系统结构主要包括干式双离合器模块 发动机模 块及变速器模块 本文所设计的是其中的干式双离合器结构 在干式双离合器 结构中有两个离合器 正是两个离合器的存在使得双离合器自动变速器拥有良 好的燃油经济性 动力性及可提供无间断的动力输出的良好换挡品质 24 结构 中主要包括离合器 i 压盘 离合器 i 从动盘总成 离合器 i 壳体 膜片弹簧 i 离合器 ii 压盘 离合器 ii 从动盘总成 离合器 ii 壳体 膜片弹簧 ii 中间飞轮 等 2 2 干式双离合器基本参数的选择与确定 1 干式双离合器摩擦转矩 maxc t确定 为了让干式双离合器可靠稳定地 运动型赛车 700nm 370kw 多功能越野车 400nm 180kw 负 载 指 数 湿 式 双 离 合 干 式 双 离 合 皮卡 800nm 220kw 中档轿车 250nm 180kw 小型轿车 150nm 85kw 能力指数 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 工作 需要使得干式双离合器的发动机最大转矩 maxe t与摩擦转矩 maxc t满足公式 2 1 的关系 maxmaxce tt 2 1 式中 干式双离合器后备系数 其中 选择太大 会导致离合器尺寸过大 操纵不轻便 选择太小 不 能起到可靠传递发动机最大转矩的作用 一般轿车的后备系数在 1 2 1 75 鉴 于本文所选择的车型为轻型轿车 需要操纵轻便 所以后备系数选择 1 3 已知后备系数 带入公式 2 1 可得离合器摩擦转矩 maxc t 286 n m 2 摩擦片内外径的确定 摩擦片外径 d 与发动机最大转矩 maxe t的关 系为 maxde dkt 2 2 式中 d k 直径系数 一般乘用车的直接系数取值 14 6 本文选择直径系数 d k为 14 6 将 d k带 入式 2 2 可得摩擦片外径 当摩擦片外径确定后 摩擦片内外径之比在 0 53 0 70 之间 内外径初步计算后参照 jb t9190 1999 标准 选取摩擦片内外 径及摩擦片厚度 最后可得摩擦片外径 d 225mm d 150mm 厚度为 3mm 3 摩擦片材料的选择与摩擦系数的确定 摩擦片所用的材料 工作温 度 单位压力和滑磨速度等决定了摩擦片的摩擦系数 其中摩擦片的材料是影 响摩擦系数的主导因素 各种摩擦材料的摩擦系数及单位压力的取值如表 2 3 所示 在表中摩擦片材料中 石棉基材料的摩擦系数受工作温度 单位压力和滑磨速 度影响较大 而粉末冶金材料和金属陶瓷材料的摩擦系数较大且稳定 表 2 3 各种摩擦材料的摩擦系数及单位压力的取值 摩擦材料 摩擦系数 单位压力 0 p mpa 石棉基材料 模压 编织 0 20 0 25 0 25 0 35 0 15 0 25 0 25 0 35 粉末冶金材料 铜基 铁基 0 25 0 35 0 35 0 50 0 35 0 5 金属陶瓷材料 0 4 0 7 1 5 本论文因选择的干式双离合器作为研究对象 此种结构的离合器散热条件 差 所以选择受工作温度影响小 摩擦系数稳定的粉末冶金铜基材料 摩擦系 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 数 选择 0 3 许用单位压力在 0 35 0 5 之间 4 压盘作用于摩擦片的工作压力 f 确定 离合器静摩擦力矩可表示 为 cc tfzr 2 3 式中 z 摩擦面数 它是离合器从动盘数的两倍 即单片离合器时取 2 双 片离合器取 4 它的数目决定于离合器传递转矩的大小及结构尺寸 本文设计 的为单片离合器 所以 z 2 c r 摩擦片平均摩擦半径 mm 设摩擦片上的压力均匀分布 则 33 22 3 c dd r dd 当0 6 d d 时 4 c dd r 将已知参数带入式 2 3 可得 f 5084 4n 5 摩擦片单位压力 0 p确定 压盘工作压力 f 与摩擦片单位压力 0 p之 间的关系为 0 fp a 2 4 式中 a 一个摩擦片的面积 mm2 即 22 4 dd a 将已知参数带入式 2 4 可得 0 p 5084 4n 2 3 干式双离合器参数校核 1 离合器单位压紧力校核 由式 2 4 可得单位压紧力的计算公式 00 22 4 0 23 f pp dd 2 5 选取摩擦片材料不同 许用单位压紧力也不同 其中粉末冶金铜基材料的 许用单位压紧力为 0 35 0 5mpa 实际单位压紧力小于许用单位压紧力 满足 要求 2 按单位面积摩擦转矩 c0 t校核 单位面积摩擦转矩为 max c00 22 4 0 0049 e c t tt zdd 2 6 式中 0 c t 许用单位面积摩擦转矩 0 c t 0 005n m mm2 3 按单位面积车辆总质量 0c m校核 车辆离合器的一个关键作用为可 靠传递转矩又防止传动系过载 所以需要验证单位摩擦面积所分配的车辆总质 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 量是否小于其许用值 0 c m 即 00 22 4 0 0328 cc m mm zdd 2 7 其中 0 c m 0 05kg mm2 满足要求 2 4 本章小结 本章通过比较分析干湿式双离合器的不同 确定了本文研究的双离合器结 构形式是以膜片弹簧作为压紧弹簧的干式双离合器 明确了本文所要设计的干 式双离合器的结构 完成了对干式双离合器中基本参数的确定 最后对干式双 离合器工作的主要性能指标进行了校核计算 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 第3章 干式双离合器关键零部件设计 3 1 压盘的设计 压盘形状相对复杂 要求较高耐磨性和传热性 根据摩擦片计算和校核得 到的摩擦片尺寸 与其相接触的压盘的内外径也基本确定 在干式双离合器中 两个压盘的内外径相同 即压盘 i ii 的内外径分别为 d 225mm d 150mm 离合器滑磨过程中为了使压盘保持好的传热性 同时为了保证压盘在受热 状态下不会变形 压盘刚度应足够大且厚度较大 一般载货汽车离合器压盘厚 度不小于 15mm 选择压盘的厚度为 t 13mm 已知铸铁的密度为 7 8g mm3 所以压盘的质量m压为 22 4 dd mt 压 3 1 将已知参数带入式 3 1 可得m压 2 238kg 车辆每次起步时 压盘 i 温升t 需要小于许用温升 10tc 即 w tt m c 压 3 2 式中 热量传递中传给压盘的比例 单片式的为 0 5 c 压盘材料的比热容 铸铁为 544 j kg w 摩擦功 j 222 22 0 1800 er g nmr w i i 其中 e n为发动机转速 本文高 级乘用车取 2000 r min r r是车辆行驶过程中轮子滚动半径 0 i和 g i分别是主减 速器中齿轮减速比和车辆一档传动比 m 为车辆总质量 为传动效率 将已知参数带入式 3 2 可得t 4 16 满足要求 3 2 膜片弹簧的设计 3 2 1 常开式膜片弹簧的工作特性 现在汽车用离合器有很多形式 其中有两种是常开式和常闭式离合器 二 者有一个最大的区别标准是当离合器没有动力传递时 压盘与摩擦片之间是否 有压紧力存在 若没有压紧力则为常开式 若有则为常闭式 其中前者可以克 服预紧力过大的问题 启动执行机构的工作变得更加轻松 增加了行车安全性 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 同时执行机构中相关结构尺寸也相应减小 可以节省空间 因此在汽车自动变 速器领域中常使用这种膜片弹簧 特别在双离合器自动变速器中应用广泛 其 基本结构如图 3 1 所示 图 3 1 常开式膜片弹簧结构图 本文设计使用的是常开式离合器膜片弹簧 其工作情况有三种 自由状态 空行程状态和压紧状态 25 自由状态是指在分离指端处没有施加压紧力 双离合器工作中总会有一个 变速器空转 与之相连的离合器处于分离状态 此时离合器中的膜片弹簧不工 作 处于自由状态 空行程状态是当双离合器准备换挡时 其中两个离合器开始转换工作状态 其中一个离合器逐渐分开 另一个离合器逐渐结合 此时执行机构对需要结合 传递发动机动力的离合器在膜片弹簧的分离指端处施加压紧力 f 膜片弹簧在 压紧力的作用下推动压盘前进 压盘支撑点处产生力f 压 同时在膜片弹簧支 撑点处产生压力f支 因为压盘与摩擦片之间有一段间隙存在 所以此时压盘与 摩擦片之间还没有产生压紧力 不能传递发动机动力 这个阶段分离指变形可 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 忽略不计 压盘支撑点处相对轴的变形 压与膜片弹簧分离指端处受力 f 之间的 关系满足 a l 公式 即 2 22 ln 6 1 2 ehr r fhh hh rr 3 3 式中 e 弹性模量 对于钢 e 2 06e5mpa 泊松比 0 3 压紧状态是指膜片弹簧推动压盘走过压盘与摩擦片之间的间隙后 压盘与 摩擦片逐渐结合 发动机开始传递动力 弹簧分离指端部受力变为 f 膜片弹 簧进入工作状态 此时压盘所受压紧力是通过膜片弹簧杠杆作用产生的力矩传 递的 随着分离指端处受力的不断变大 分离指开始进一步发生变形为 这 个阶段可以认为进入压紧状态后 分离指端部变形 与f 满足悬臂梁理论 25 209 210 存在如下关系 2 12 2 12 6 f fr aa eh 3 4 式中 2 1 2 1 1 2 1 ln 2 eee fff rrr a rrr 22 2 22 1 2 ln 2 ee fffff rrrrr a rrrrr 1 1 1 ef n rr 2 2 1 e n rr fff n 分离指数目 通过分析可以推导出膜片弹簧的杠杆比为 rfr lr 压 压 3 2 2 常开式膜片弹簧的设计计算 1 hh与h的确定 在膜片弹簧基本参数设计中 h h对弹簧特性 影响极大 对常闭式膜片弹簧设计时 它主要起压紧弹簧的作用 需要满足摩 擦片磨损后压紧力变化不大的要求 所以基本选择2 2 2hh 这个参数 之间的弹性特性曲线存在极大值和极小值有良好的非线性特性 而本文设计研 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 15 究的是常开式膜片弹簧 由上文的分析可知 在工作过程中 它主要起到杠杆 的作用 所以在选择 h h需要更多的考虑分离指端的刚度 不再一味强调碟簧 部分的非线性特性 而且需要在一定程度上增大碟簧部分的柔性以减小执行机 构施加的压紧力 使操纵轻便 因此选择 h h稍小于2 汽车用离合器膜片弹簧的厚度一般在 2 4mm 之间的范围内 本文初步选 定干式双离合器中两个膜片弹簧的厚度 12 hh 2 5mm 同时确定自由状态下膜 片弹簧中碟簧部分的内截锥高度 1 h 3mm 2 h 3 5mm 2 r r l r压 f r 0 r的确定 r r越大会导致弹簧材料利用率 越低 而且刚度越大 应力越高 r r一般取 1 15 1 35 本文设计的膜片弹簧 为推式膜片弹簧 为了保证摩擦片传递动力时压力分布均匀 应选择 c rr c r 为摩擦片平均半径 考虑到常开式膜片弹簧工作要求 r r应选择的略小一些 对于膜片弹簧支撑点处的半径 l 需略小于 r 压盘支撑点处半径r压要略大于 r 根据装配关系 小端半径 0 r最小值应比变速器第一轴花键的外径要大 分离轴 承作用半径 f r应大于 0 r 根据以上条件要求及离合器内部空间布置限制 初步 确定基本参数数值如表 3 1 所示 表 3 1 膜片弹簧基本参数 r r l r压 0 r f r h h 膜片弹簧 i 120 92 114 96 30 34 3 2 5 膜片弹簧 ii 114 90 110 92 18 24 3 5 2 5 3 弹簧自由状态下圆锥底角 分离指数n 切槽宽度 1 2 的确定 对于 满足以下公式 arctan h rr 3 5 带入上文已知确定的参数即可求出角度值 一般膜片弹簧分离指数 n 8 24 分离指数越多弹簧刚度越小 分离指数越 少弹簧刚度越大 考虑到膜片弹簧的杠杆作用 所以选择 n 12 1 3 23 5 2 912 取 1 3 5 2 12 3 2 3 常开式膜片弹簧的受力分析 当膜片弹簧处于空行程时 分离指端部受力与变形关系满足 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 16 2 22 ln 6 1 2 fff ehr rrrrr ffhhh lrlrlr 3 6 设计中压盘与摩擦片之间的间隙设定为 1mm 从动盘中波形弹簧压缩变形 量为 0 7mm 所以可得到压盘从开始被推动到离合器完全结合过程中的最大行 程为 1 7mm 由上文确定的参数及推导的杠杆比公式可得膜片弹簧 i 和 ii 的杠 杆比分别为 3 44 和 3 78 由压盘最大行程及杠杆比可以得到两膜片弹簧端部最 大变形量分别为 5 848 和 6 426 将变形量代入式 3 6 可得膜片弹簧空行程 状态克服弹性变形所需要的作用力分别为 11 f 596n 21 f 663 5n 当膜片弹簧处于压紧状态时 传递发动机转矩所需要的压盘压紧力为 5084n 除以膜片弹簧杠杆比可得需要作用在分离指部分的作用力分别为 12 f 1478n 22 f 1345n 由此可得膜片弹簧分离指端部所受的最大作用力为 11112 fff 2074n 22122 fff 2008 5n 3 3 从动盘总成设计 通常在设计从动盘时有两种结构 其中一种是无扭转减振器的从动盘 结 构比较简单 摩擦片铆接或粘接在从动片上 从动片再铆接在从动盘毂上 二 是带有扭转减振器的从动盘 结构可见图 3 2 其摩擦片 1 铆接在从动片 3 上 从动片 3 和减振器盘 4 以止动销 5 连接并相对静止 对称分布在从动盘毂 7 两 侧 并通过减振螺旋弹簧 9 与从动盘毂 7 弹性连接 从动片 3 减振器盘 4 与 从动盘毂 7 之间装有减振阻尼摩擦片 8 当传动系发生扭转振动时 从动片 3 及减振器盘 4 相对从动盘毂 7 来回转动 系统的扭转振动能量会很快被减振摩 擦片 8 的阻尼摩擦所消耗 为了保证阻尼摩擦片 8 在磨损后持续有效工作 增 加一个支承弹簧 6 小型碟形弹簧 以持续提供压紧力 现今汽车多数都采用带扭转减振器的从动盘 而少数没有配备扭转减振器 的离合器 通常是与一种新型的双质量飞轮 dual mass fly wheel dmfw 配 合使用 双质量飞轮实际上起了扭转减振器的作用 26 装备扭转减振器可以避 免汽车传动系统的共振 缓和冲击 减少噪声 提高传动系零件的寿命 改善 汽车行驶的舒适性 并使汽车起步平稳 所以 本文对干式双离合器的设计也采用带有扭转减振器的从动盘设计 这样一来 从动盘总成就需要设计 摩擦片 从动片 从动盘毂 减振器盘 减振螺旋弹簧 减振阻尼摩擦片以及零件间连接所需的铆钉和销 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 17 图 3 2 带有扭转减振器的从动盘结构示意图 1 摩擦片 2 波形片 3 从动片 4 减振器盘 5 止动销 6 阻尼摩擦片支承弹簧 7 从动盘毂 8 阻尼摩擦片 9 减振弹簧 10 波形片铆钉 11 摩擦片铆钉 设计从动盘总成时应满足以下几个方面的要求 1 为了减少变速等换档时轮齿间的冲击 从动盘的转动惯量应尽可能小 2 为了保证汽车平稳起步 摩擦面片上的压力分布更均匀 从动盘应具 有轴向弹性 3 为了避免传动的扭转共振以及缓和冲击载荷 从动盘中应装有扭转减 振器 4 要有足够的抗爆裂强度 3 3 1 从动片的设计 双离合器在工作时从动盘不断地与主动盘接合与断开 在接合与断开时 从动盘有轴向上的位移 且受到来自