0085-拉式膜片彈簧離合器
0085-拉式膜片彈簧離合器,膜片,彈簧,離合器
學位論文
附錄二 ：中文翻譯
通過夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化控制變形
摘 要
工件變形必須控制在數值控制機械加工過程之中。夾具布局和夾緊力是影響加工變形程度和分布的兩個主要方面。在本文提出了一種多目標模型的建立，以減低變形的程度和增加均勻變形分布。有限元方法應用于分析變形。遺傳算法發(fā)展是為了解決優(yōu)化模型。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結果被求得， 這是遠優(yōu)于經驗之一的。多目標模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。
關鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法
1 引言
夾具設計在制造工程中是一項重要的程序。這對于加工精度是至關重要。一個工件應約束在一個帶有夾具元件，如定位元件，夾緊裝置，以及支撐元件的夾具中加工。定位的位置和夾具的支力，應該從戰(zhàn)略的設計，并且適當的夾緊力應適用。該夾具元件可以放在工件表面的任何可選位置。夾緊力必須大到足以進行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設計師的經驗，選擇該夾具元件的方案，并確定夾緊力。因此，不能保證由此產生的解決方案是某一特定的工件的最優(yōu)或接近最優(yōu)的方案。因此，夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設計方案的兩個主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應適當的選擇和計算，使由于夾緊力和切削力產生的工件變形盡量減少和非正式化。
夾具設計的目的是要找到夾具元件關于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標優(yōu)化方法是代表了夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計算工件由于夾緊力和切削力下產生的變形。遺傳算法是MATLAB的發(fā)達且直接的搜索工具箱，并且被應用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個案例的研究，以闡述對所提算法的應用。
2 文獻回顧
隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運用，近幾年夾具設計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設計優(yōu)化包括夾具布局優(yōu)化和夾緊力優(yōu)化。King 和 Hutter提出了一種使用剛體模型的夾具-工件系統(tǒng)來優(yōu)化夾具布局設計的方法。DeMeter也用了一個剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計算質量的有限元計算法。李和melkote用了一個非線性編程方法和一個聯絡彈性模型解決布局優(yōu)化問題。兩年后， 他們提交了一份確定關于多鉗夾具受到準靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法，認為工件在加工過程中處于動態(tài)。相結合的夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序被提出，其他研究人員用有限元法進行夾具設計與分析。蔡等對menassa和devries包括合成的夾具布局的金屬板材大會的理論進行了拓展。秦等人建立了一個與夾具和工件之間彈性接觸的模型作為參考物來優(yōu)化夾緊力與，以盡量減少工件的位置誤差。Deng和melkote 提交了一份基于模型的框架以確定所需的最低限度夾緊力，保證了被夾緊工件在加工的動態(tài)穩(wěn)定。
大部分的上述研究使用的是非線性規(guī)劃方法，很少有全面的或近全面的最優(yōu)解決辦法。所有的夾具布局優(yōu)化程序必須從一個可行布局開始。此外，還得到了對這些模型都非常敏感的初步可行夾具布局的解決方案。夾具優(yōu)化設計的問題是非線性的，因為目標的功能和設計變量之間沒有直接分析的關系。例如加工表面誤差和夾具的參數之間（定位、夾具和夾緊力）。
以前的研究表明，遺傳算法（ GA ）在解決這類優(yōu)化問題中是一種有用的技術。吳和陳用遺傳算法確定最穩(wěn)定的靜態(tài)夾具布局。石川和青山應用遺傳算法確定最佳夾緊條件彈性工件。vallapuzha在基于優(yōu)化夾具布局的遺傳算法中使用空間坐標編碼。他們還提出了針對主要競爭夾具優(yōu)化方法相對有效性的廣泛調查的方法和結果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個夾具布局優(yōu)化技術，用遺傳算法找到夾具布局，盡量減少由于在整個刀具路徑的夾緊和切削力造成的加工表面的變形。定位器和夾具位置被節(jié)點號碼所指定。krishnakumar等人還提出了一種迭代算法，盡量減少工件在整個切削過程之中由不同的夾具布局和夾緊力造成的彈性變形。Lai等人建成了一個分析模型，認為定位和夾緊裝置為同一夾具布局的要素靈活的一部分。Hamedi 討論了混合學習系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結合的人工神經網絡（ ANN ）和GA。人工神經網絡被用來計算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來確定最佳鎖模力。Kumar建議將迭代算法和人工神經網絡結合起來發(fā)展夾具設計系統(tǒng)。Kaya用迭代算法和有限元分析，在二維工件中找到最佳定位和夾緊位置，并且把碎片的效果考慮進去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點數目作為設計參數。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進去了。
碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實現更為現實和準確的工件夾具布局校核分析來說是不可忽視的。因此將碎片的去除效果和摩擦考慮在內以實現更好的加工精度是必須的。
在這篇論文中，將摩擦和碎片移除考慮在內，以達到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標優(yōu)化模型被建立了。一個優(yōu)化的過程中基于GA和有限元法提交找到最佳的布局和夾具夾緊力。最后，結果多目標優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標優(yōu)化方法、經驗和方法。
3 多目標優(yōu)化模型夾具設計
一個可行的夾具布局必須滿足三限制。首先，定位和夾緊裝置不能將拉伸勢力應用到工件；第二，庫侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點。夾具元件-工件接觸點的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負荷步驟，優(yōu)化問題可以在數學上仿照如下：
這里的△表示加工區(qū)域在加工當中j次步驟的最高彈性變形。
其中
是△的平均值；
是正常力在i次的接觸點；
μ是靜態(tài)摩擦系數；
fhi是切向力在i次的接觸點；
pos(i)是i次的接觸點；
是可選區(qū)域的i次接觸點；
整體過程如圖1所示，一要設計一套可行的夾具布局和優(yōu)化的夾緊力。最大切削力在切削模型和切削力發(fā)送到有限元分析模型中被計算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內，加工變形下，切削力和夾緊力的計算方法采用有限元方法。根據某夾具布局和變形，然后發(fā)送給優(yōu)化程序，以搜索為一優(yōu)化夾具方案。
圖1 夾具布局和夾緊力優(yōu)化過程
4 夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化
4.1 遺傳算法
遺傳算法（ GA ）是基于生物再生產過程的強勁，隨機和啟發(fā)式的優(yōu)化方法?；舅悸繁澈蟮倪z傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現象。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調整，以適應特定的問題。遺傳算法，然后進行復制，交叉和變異過程消除不適宜的個人和人口的演進給下一代。人口足夠數目的演變基于這些經營者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個體代表全最好的方法。
遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設計時需夾具布局和夾緊力作為設計變量，以生成字符串代表不同的布置。字符串相比染色體的自然演變，以及字符串，它和遺傳算法尋找最優(yōu)，是映射到最優(yōu)的夾具設計計劃。在這項研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運用的。
收斂性遺傳算法是被人口大小、交叉的概率和概率突變所控制的 。只有當在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg達到一個預先定義的價值ncmax ，或有多少幾代氮，到達演化的指定數量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個主要因素，遺傳算法，編碼，健身功能，遺傳算子，控制參數和制約因素。 在這篇論文中，這些因素都被選出如表1所列。
表1 遺傳算法參數的選擇
由于遺傳算法可能產生夾具設計字符串，當受到加工負荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認為是不可行的，且被罰的方法是用來驅動遺傳算法，以實現一個可行的解決辦法。1夾具設計的計劃被認為是不可行的或無約束，如果反應在定位是否定的。在換句話說，它不符合方程（2）和（3）的限制。罰的方法基本上包含指定計劃的高目標函數值時不可行的。因此，驅動它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4），當遺傳算子產生新個體或此個體已經產生，檢查它們是否符合條件是必要的。真正的候選區(qū)域是那些不包括無效的區(qū)域。在為了簡化檢查，多邊形是用來代表候選區(qū)域和無效區(qū)域的。多邊形的頂點是用于檢查。“inpolygon ”在MATLAB的功能可被用來幫助檢查。
4.2 有限元分析
ANSYS軟件包是用于在這方面的研究有限元分析計算。有限元模型是一個考慮摩擦效應的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖2所示，每個位置或支持，是代表三個正交彈簧提供的制約。
圖2 考慮到摩擦的半彈性接觸模型
在x ， y和z 方向和每個夾具類似，但定位夾緊力在正常的方向。彈力在自然的方向即所謂自然彈力，其余兩個彈力即為所謂的切向彈力。接觸彈簧剛度可以根據向赫茲接觸理論計算如下：
隨著夾緊力和夾具布局的變化，接觸剛度也不同，一個合理的線性逼近的接觸剛度可以從適合上述方程的最小二乘法得到。連續(xù)插值，這是用來申請工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說明了夾具元件的位置，顯示為黑色界線。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點所包圍。
圖3 連續(xù)插值
這系列節(jié)點，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ），（9，10 ，11 ， 18，17號和16號）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ）。這一系列彈簧單元，與這些每一個節(jié)點相關聯。對任何一套節(jié)點，彈簧常數是：
這里，
kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點周圍i次夾具元件，
Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點周圍之間的距離，
ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置,
ηi 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點數量
為每個加工負荷的一步，適當的邊界條件將適用于工件的有限元模型。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（X ， Y ， Z ）的和在切方向切向彈簧約束，（X ， Y ）。夾緊力是適用于正常方向（Z）的夾緊點。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設計計劃所產生的遺傳算法應用的高峰期的X ，Y ，z切削力順序到元曲面，其中刀具通行證。在這工作中，從刀具路徑中歐盟和去除碎片已經被考慮進去。在機床改變幾何數值過程中，材料被去除，工件的結構剛度也改變。
因此，這是需要考慮碎片移除的影響。有限元分析模型，分析與重點的工具運動和碎片移除使用的元素死亡技術。在為了計算健身價值，對于給定夾具設計方案，位移存儲為每個負載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設計計劃的健身價值。
遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動實施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數和計算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當前夾具設計計劃的一個文本文件。
當有大量的節(jié)點在一個有限元模型時，計算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項工作中，計算健身價值和染色體存放在一個SQL Server數據庫。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價值已計算之前，先檢查；如果不，夾具設計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數據庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計算時間保持不變。每計算模型間的差異是邊界條件，因此，網狀工件的有限元模型可以用來反復“恢復”ANSYS 命令。
5 案例研究
一個關于低剛度工件的銑削夾具設計優(yōu)化問題是被顯示在前面的論文中，并在以下各節(jié)加以表述。
5.1 工件的幾何形狀和性能
工件的幾何形狀和特點顯示在圖4中，空心工件的材料是鋁390與泊松比0.3和71Gpa的楊氏模量。外廓尺寸152.4mm×127mm*76.2mm.該工件頂端內壁的三分之一是經銑削及其刀具軌跡，如圖4 所示。夾具元件中應用到的材料泊松比0.3和楊氏模量的220的合金鋼。
圖4 空心工件
5.2 模擬和加工的運作
舉例將工件進行周邊銑削，加工參數在表2中給出。基于這些參數，切削力的最高值被作為工件內壁受到的表面載荷而被計算和應用，當工件處于330.94 n（切）、398.11 N （下徑向）和22.84 N （下軸） 的切削位置時。整個刀具路徑被26個工步所分開，切削力的方向被刀具位置所確定
表2加工參數和條件
。
5.3 夾具設計方案
夾具在加工過程中夾緊工件的規(guī)劃如圖5所示。
圖5 定位和夾緊裝置的可選區(qū)域
一般來說， 3-2-1定位原則是夾具設計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側邊控制兩個自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個定點（L1，L2 ， L3和14 ），以定位工件并限制2自由度；并且在Y=127mm的相反面上，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，這在優(yōu)化模型中是被忽略的。在表3中給出了定位加緊點的坐標范圍。
表3 設計變量的約束
由于沒有一個簡單的一體化程序確定夾緊力，夾緊力很大部分（6673.2N）在初始階段被假設為每一個夾板上作用的力。且從符合例5的最小二乘法，分別由4.43×107 N/m 和5.47×107 N/m得到了正常切向剛度。
5.4 遺傳控制參數和懲罰函數
在這個例子中，用到了下列參數值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.關于f1和σ的懲罰函數是
這里fv可以被F1或σ代表。當nchg達到6時，交叉和變異的概率將分別改變成0.6和0.1.
5.5 優(yōu)化結果
連續(xù)優(yōu)化的收斂過程如圖6所示。且收斂過程的相應功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設計方案在表4中給出。
圖6 夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序的收斂性遺傳算法 圖7 第一個函數值的收斂
圖8第二個函數值的收斂性
表4 多目標優(yōu)化模型的結果 表5 各種夾具設計方案結果進行比較，
5.6 結果的比較
從單一目標優(yōu)化和經驗設計中得到的夾具設計的設計變量和目標函數值，如表5所示。單一目標優(yōu)化的結果，在論文中引做比較。在例子中，與經驗設計相比較，單一目標優(yōu)化方法有其優(yōu)勢。最高變形減少了57.5 ％，均勻變形增強了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標優(yōu)化方法和單目標優(yōu)化方法的比較中可以得出什么呢？最大變形減少了50.2％ ，均勻變形量增加了52.9 ％，最高夾緊力的值減少了69.6 ％ 。加工表面沿刀具軌跡的變形分布如圖9所示。很明顯，在三種方法中，多目標優(yōu)化方法產生的變形分布最均勻。
與結果比較，我們確信運用最佳定位點分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實例夾具的裝配。
圖9沿刀具軌跡的變形分布
圖10 夾具配置實例
6 結論
本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化程序設計。優(yōu)化程序是多目標的：最大限度地減少加工表面的最高變形和最大限度地均勻變形。ANSYS軟件包已經被用于
健身價值的有限元計算。對于夾具設計優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結合被證明是一種很有用的方法。
在這項研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計算的時間，建立了一個染色體的健身數值的數據庫，且網狀工件的有限元模型是優(yōu)化過程中多次使用的。
傳統(tǒng)的夾具設計方法是單一目標優(yōu)化方法或經驗。此研究結果表明，多目標優(yōu)化方法比起其他兩種方法更有效地減少變形和均勻變形。這對于在數控加工中控制加工變形是很有意義的。
參考文獻
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本科生畢業(yè)設計
第1章 緒 論
1.1選題的目的
本次設計，我力爭把離合器設計系統(tǒng)化，為離合器設計者提供一定的參考價值。拋棄傳統(tǒng)的推式膜片彈簧離合器，設計新式的拉式膜片彈簧離合器是本次設計的主要特點。
1.2離合器發(fā)展歷史
近年來各國政府都從資金、技術方面大力發(fā)展汽車工業(yè)，使其發(fā)展速度明顯比其它工業(yè)要快的多，因此汽車工業(yè)迅速成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志。
對于內燃機汽車來說，離合器在機械傳動系中作為一個獨立的總成而存在，它是汽車傳動系中直接與發(fā)動機相連接聽總成。目前，各種汽車廣泛采用的摩擦式離合器主要依靠主、從動部分之間的摩擦來傳遞動力且能分離的裝置。
在早期研發(fā)的離合器中，錐形離合器最為成功?，F今所用的盤片式離合器的先驅是多片盤式離合器，它是直到1925年以后才出現的。20世紀20年代末，直到進入30年代時，只有工程車輛、賽車和大功率的轎車上才采用多片離合器。多年的實踐經驗和技術上的改進使人們逐漸趨向于首選單片干式離合器[1]。
近來，人們對離合器的要求越來越高，傳統(tǒng)的推式膜片彈簧離合器結構正逐步地向拉式膜片彈簧離合器結構發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱形式的操縱形式正向自動操縱的形式發(fā)展。因此，提高離合器的可靠性和延長其使用壽命，適應發(fā)動機的高轉速，增加離合器傳遞轉矩的能力和簡化操縱，已成為離合器的發(fā)展趨勢。
隨著汽車發(fā)動機轉速、功率不斷提高和汽車電子技術的高速發(fā)展，人們對離合器的要求越來越高。從提高離合器工作性能的角度出發(fā)，傳統(tǒng)的推式膜片彈簧離合器結構正逐步地向拉式膜片彈簧離合器結構發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱形式正向自動操縱的形式發(fā)展。因此，提高離合器的可靠性和延長其使用壽命，適應發(fā)動機的高轉速，增加離合器傳遞轉矩的能力和簡化操縱，已成為離合器的發(fā)展趨勢。隨著計算機的發(fā)展，設計工作已從手工轉向電腦，包括計算、性能演示、計算機繪圖、制成后的故障統(tǒng)計等等。
1.3離合器概述
按動力傳遞順序來說，離合器應是傳動系中的第一個總成。顧名思義，離合器是“離”與“合”矛盾的統(tǒng)一體。離合器的工作，就是受駕駛員操縱，或者分離，或者接合，以完成其本身的任務。離合器是設置在發(fā)動機與變速器之間的動力傳遞機構，其功用是能夠在必要時中斷動力的傳遞，保證汽車平穩(wěn)地起步；保證傳動系換檔時工作平穩(wěn)；限制傳動系所能承受的最大扭矩，防止傳動系過載。為使離合器起到以上幾個作用，目前汽車上廣泛采用彈簧壓緊的摩擦式離合器，摩擦離合器所能傳遞的最大扭矩取決于摩擦面間的工作壓緊力和摩擦片的尺寸以及摩擦面的表面狀況等。即主要取決于離合器基本參數和主要尺寸。膜片彈簧離合器在技術上比較先進，經濟性合理，同時其性能良好，使用可靠性高壽命長，結構簡單、緊湊，操作輕便，在保證可靠地傳遞發(fā)動機最大扭矩的前提下，有以下優(yōu)點[2]：
（1）結合時平順、柔和，使汽車起步時不震動、沖擊；
（2）離合器分離徹底；
（3）從動部分慣量小，以減輕換檔時齒輪副的沖擊；
（4）散熱性能好；
（5）高速回轉時只有可靠強度；
（6）避免汽車傳動系共振，具有吸收震動、沖擊和減小噪聲能力；
（7）操縱輕便；
（8）工作性能（最大摩擦力矩和后備系數保持穩(wěn)定）；
（9）使用壽命長。
1.3.1 離合器的功用
離合器可使發(fā)動機與傳動系逐漸接合，保證汽車平穩(wěn)起步。如前所述，現代車用活塞式發(fā)動機不能帶負荷啟動，它必須先在空負荷下啟動，然后再逐漸加載。發(fā)動機啟動后，得以穩(wěn)定運轉的最低轉速約為300～500r/min，而汽車則只能由靜止開始起步，一個運轉著的發(fā)動機，要帶一個靜止的傳動系，是不能突然剛性接合的。因為如果是突然的剛性連接，就必然造成不是汽車猛烈攢動，就是發(fā)動機熄火。所以離合器可使發(fā)動機與傳動系逐漸地柔和地接合在一起，使發(fā)動機加給傳動系的扭矩逐漸變大，至足以克服行駛阻力時，汽車便由靜止開始緩慢地平穩(wěn)起步了。
雖然利用變速器的空檔，也可以實現發(fā)動機與傳動系的分離。但變速器在空檔位置時，變速器內的主動齒輪和發(fā)動機還是連接的，要轉動發(fā)動機，就必須和變速器內的主動齒輪一起拖轉，而變速器內的齒輪浸在黏度較大的齒輪油中，拖轉它的阻力是很大的。尤其在寒冷季節(jié)，如沒有離合器來分離發(fā)動機和傳動系，發(fā)動機起動是很困難的。所以離合器的第二個功用，就是暫時分開發(fā)動機和傳動系的聯系，以便于發(fā)動機起動。
汽車行駛中變速器要經常變換檔位，即變速器內的齒輪副要經常脫開嚙合和進入嚙合。如在脫檔時，由于原來嚙合的齒面壓力的存在，可能使脫檔困難，但如用離合器暫時分離傳動系，即能便利脫檔。同時在掛檔時，依靠駕駛員掌握，使待嚙合的齒輪副圓周速度達到同步是較為困難的，待嚙合齒輪副圓周速度的差異將會造成掛檔沖擊甚至掛不上檔，此時又需要離合器暫時分開傳動系，以便使與離合器主動齒輪聯結的質量減小，這樣即可以減少掛擋沖擊以便利換檔。
離合器所能傳遞的最大扭矩是有一定限制的，在汽車緊急制動時，傳動系受到很大的慣性負荷，此時由于離合器自動打滑，可避免傳動系零件超載損壞，起保護作用。
1.3.2 現代汽車離合器應滿足的要求
根據離合器的功用，它應滿足下列主要要求：
（1）能在任何行駛情況下，可靠地傳遞發(fā)動機的最大扭矩。為此，離合器的摩擦力矩（）應大于發(fā)動機最大扭矩（）；
（2）接合平順、柔和。即要求離合器所傳遞的扭矩能緩和地增加，以免汽車起步沖撞或抖動；
（3）分離迅速、徹底。換檔時若離合器分離不徹底，則飛輪上的力矩繼續(xù)有一部份傳入變速器，會使換檔困難，引起齒輪的沖擊響聲；
（4）從動盤的轉動慣量小。離合器分離時，和變速器主動齒輪相連接的質量就只有離合器的從動盤。減小從動盤的轉動慣量，換檔時的沖擊即降低；
（5）具有吸收振動、噪聲和沖擊的能力；
（6）散熱良好，以免摩擦零件因溫度過高而燒裂或因摩擦系數下降而打滑；
（7）操縱輕便，以減少駕駛員的疲勞。尤其是對城市行駛的轎車和公共汽車，非常重要；
（8）摩擦式離合器，摩擦襯面要耐高溫、耐磨損，襯面磨損在一定范圍內，要能通過調整，使離合器正常工作。
1.3.3 離合器工作原理
如圖1.1所示，摩擦離合器一般是有主動部分、從動部分組成、壓緊機構和操縱機構四部分組成。
離合器在接合狀態(tài)時，發(fā)動機扭矩自曲軸傳出，通過飛輪2和壓盤借摩擦作用傳給從動盤3，在通過從動軸傳給變速器。當駕駛員踩下踏板時，通過拉桿，分離叉、分離套筒和分離軸承8，將分離杠桿的內端推向右方，由于分離杠桿的中間是以離合器蓋5上的支柱為支點，而外端與壓盤連接，所以能克服壓緊彈簧的力量拉動壓盤向左，這樣，從動盤3兩面的壓力消失，因而摩擦力消失，發(fā)動機的扭矩就不再傳入變速器，離合器處于分離狀態(tài)。當放開踏板，回位彈簧克服各拉桿接頭和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。此時壓緊彈簧就推動壓盤向右，仍將從動盤3壓緊在飛輪上2，這樣發(fā)動機的扭矩又傳入變速器。
1-軸承 2-飛輪 3-從動盤 4-壓盤 5-離合器蓋螺栓
6-離合器蓋 7-膜片彈簧 8-分離軸承 9-軸
圖1.1 離合器總成
1.3.4 拉式膜片彈簧離合器的優(yōu)點
與推式相比，拉式膜片彈簧離合器具有許多優(yōu)點：取消了中間支承各零件，并不用支承環(huán)或只用一個支承環(huán)，使其結構更簡單、緊湊，零件數目更少，質量更少；拉式膜片彈簧是中部與壓盤相壓在同樣壓盤尺寸的條件下可采用直徑較大的膜片彈簧，提高了壓緊力與傳遞轉矩的能力，且并不增大踏板力，在傳遞相同的轉矩時，可采用尺寸較小的結構；在接合或分離狀態(tài)下，離合器蓋的變形量小，剛度大，分離效率更高；拉式的杠桿比大于推式的杠桿比，且中間支承減少了摩擦損失，傳動效率較高，踏板操縱更輕便，拉式的踏板力比推式的一般可減少約；無論在接合狀態(tài)或分離狀態(tài)，拉式結構的膜片彈簧大端與離合器蓋支承始終保持接觸，在支承環(huán)磨損后不會形成間隙而增大踏板自由行程，不會產生沖擊和哭聲；使用壽命更長。
1.4 設計的預期成果
本次設計，我將取得如下成果：1、設計說明書：（1）離合器各零件的結構；（2）離合器主要參數的選擇與優(yōu)化；（3）膜片彈簧的計算與優(yōu)化；（4）扭轉減振器的設計；（5）離合器操縱機構的設計計算。2、圖紙有：扭轉減振器、摩擦片、膜片彈簧、從動盤、軸、壓盤、離合器總成。
第2章 離合器的結構設計
為了達到計劃書所給的數據要求，設計時應根據車型的類別、使用要求、制造條件，以及“系列化、通用化、標準化”的要求等，合理選擇離合器結構。
2.1 離合器結構選擇與論證
2.1.1 摩擦片的選擇
單片離合器因為結構簡單，尺寸緊湊，散熱良好，維修調整方便，從動部分轉動慣量小，在使用時能保證分離徹底接合平順，所以被廣泛使用于轎車和中、小型貨車，因此該設計選擇單片離合器。摩擦片數為2。
2.1.2 壓緊彈簧布置形式的選擇
離合器壓緊裝置可分為周布彈簧式、中央彈簧式、斜置彈簧式、膜片彈簧式等。其中膜片彈簧的主要特點是用一個膜片彈簧代替螺旋彈簧和分離杠桿。膜片彈簧與其他幾類相比又有以下幾個優(yōu)點[9]：
（1）由于膜片彈簧有理想的非線性特征,彈簧壓力在摩擦片磨損范圍內能保證大致不變，從而使離合器在使用中能保持其傳遞轉矩的能力不變。當離合器分離時，彈簧壓力不像圓柱彈簧那樣升高，而是降低，從而降低踏板力；
（2）膜片彈簧兼起壓緊彈簧和分離杠桿的作用，使結構簡單緊湊，軸向尺寸小，零件數目少，質量?。?
（3）高速旋轉時，壓緊力降低很少，性能較穩(wěn)定；而圓柱彈簧壓緊力明顯下降；
（4）由于膜片彈簧大斷面環(huán)形與壓盤接觸，故其壓力分布均勻，摩擦片磨損均勻，可提高使用壽命；
（5）易于實現良好的通風散熱，使用壽命長；
（6）平衡性好；
（7）有利于大批量生產，降低制造成本。
但膜片彈簧的制造工藝較復雜，對材料質量和尺寸精度要求高，其非線性特性在生產中不易控制，開口處容易產生裂紋，端部容易磨損。近年來，由于材料性能的提高，制造工藝和設計方法的逐步完善，膜片彈簧的制造已日趨成熟。因此，我選用膜片彈簧式離合器。
2.1.3 壓盤的驅動方式
在膜片彈簧離合器中，扭矩從離合器蓋傳遞到壓盤的方法有三種[9]：
（1）凸臺—窗孔式：它是將壓盤的背面凸起部分嵌入在離合器蓋上的窗孔內，通過二者的配合，將扭矩從離合器蓋傳到壓盤上，此方式結構簡單，應用較多；缺點：壓盤上凸臺在傳動過程中存在滑動摩擦，因而接觸部分容易產生分離不徹底。
（2）徑向傳動驅動式：這種方式使用彈簧剛制的徑向片將離合器蓋和壓盤連接在一起，此傳動的方式較上一種在結構上稍顯復雜一些，但它沒有相對滑動部分，因而不存在磨損，同時踏板力也需要的小一些，操縱方便；另外，工作時壓盤和離合器蓋徑向相對位置不發(fā)生變化，因此離合器蓋等旋轉物件不會失去平衡而產生異常振動和噪聲。
（3） 徑向傳動片驅動方式：它用彈簧鋼制的傳動片將壓盤與離合器蓋連接在一起，除傳動片的布置方向是沿壓盤的弦向布置外，其他的結構特征都與徑向傳動驅動方式相同。經比較，我選擇徑向傳動驅動方式。
2.1.4 分離杠桿、分離軸承
分離杠桿的作用由膜片彈簧承擔，其作用是通過分離軸承克服離合器彈簧的推力并推動壓盤移動，從而使壓盤與從動盤和從動盤與飛輪相互分離，截斷動力的傳遞，分離杠桿要具有足夠的強度和剛度，以承受反復作用在其上面的彎曲應力，分離軸承的作用是通過分離叉的作用使分離軸承沿變速器前端蓋導向套作軸向移動，推動旋轉中的膜片彈簧中部分離前端，使離合器起到分離作用。分離本次設計選用的是油封軸承，它可以將潤滑脂密封在軸承殼內，使用中不需要增加潤滑，相比供油式軸承則需增加。
2.1.5 離合器的散熱通風
試驗表明，摩擦片的磨損是隨壓盤溫度的升高而增大的，當壓盤工作表面超過°C時摩擦片磨損劇烈增加，正常使用條件的離合器盤，工作表面的瞬時溫度一般在°C以下。在特別頻繁的使用下，壓盤表面的瞬時溫度有可能達到。過高的溫度能使壓盤受壓變形產生裂紋和碎裂。為使摩擦表面溫度不致過高，除要求壓盤有足夠大的質量以保證足夠的熱容量外，還要求散熱通風好。改善離合器散熱通風結構的措施有：在壓盤上設散熱筋，或鼓風筋；在離合器中間壓盤內鑄通風槽；將離合器蓋和壓桿制成特殊的葉輪形狀，用以鼓風；在離合器外殼內裝導流罩。膜片彈簧式離合器本身構造能良好實現通風散熱效果，故不需作另外設置。
2.1.6 從動盤總成
從動盤總成由摩擦片，從動片，減震器和從動盤穀等組成。它雖然對離合器工作性能影響很大的構件，但是其工作壽命薄弱，因此在結構和材料上的選擇是設計的重點。從動盤總成應滿足如下設計要求：
（1）轉動慣量要小，以減小變速器換檔時輪齒簡單沖擊；
（2）應具有軸向彈性，使離合器接合平順，便于起步，而且使摩擦面壓力均勻，減小磨損。
（3）應裝扭轉減振器，以避免傳動系共振，并緩和沖擊。
1、摩擦片要求
摩擦系數穩(wěn)定、工作溫度、單位壓力的變化對其影響要小，有足夠的機械強度和耐磨性；熱穩(wěn)定性好，磨合性好，密度??；有利于結合平順，長期停放離合器摩擦片不會粘著現象的。綜上所述，選擇石棉基材料。石棉基摩擦材料是由石棉或石棉織物、粘結劑（樹脂或硅膠）和特種添加劑熱壓制成，其摩擦系數為0.25～0.3，密度小，價格便宜，多年來在汽車離合器上使用效果良好。同時，摩擦片從動鋼片用鉚釘連接，連接可靠，更換摩擦片方便，而且適宜在從動鋼片上裝波形彈簧片以獲得軸向彈性。
2、從動盤的軸向彈性
從動盤的軸向彈性可改善離合器性能，使離合器接合柔和，摩擦面接觸均勻，磨損較小。為使從動盤有軸向彈性，單獨制造扇形波狀彈簧與從動鋼片鉚接。波狀彈簧可用比鋼片輕薄的材料制造，軸向彈性較好，轉動慣量小，適宜高速旋轉，且彈簧對置分布，彈性好。因此設計中選用此類彈簧。
3、扭轉減震器
扭轉減震器幾乎是現代汽車離合器從動盤上必備的部件，主要由彈性元件和阻尼元件組成。彈性元件可降低傳動系的首端扭轉剛度，從而降低傳動系扭轉系統(tǒng)的某階固有頻率，改變系統(tǒng)的固有振型，使之盡可能避免由發(fā)動機轉矩主諧量激勵引起的共振。但是,這種共振往往難以避免。汽車行駛在不平的道路上行駛阻力也會時刻變化。當由于路面不平引起的激力頻率與傳動系的某階自振頻率重合時，也會發(fā)生共振現象。阻尼元件則可有效的耗散此時的振動能量，因而扭轉減震器可有效地降低傳動系共振載荷與噪聲。
扭轉減震器的彈性特性，又線性和非線性兩種。彈性元件采用圓柱螺旋彈簧的減震器，其彈性特點為線性。阻尼元件采用摩擦片通過碟形彈簧建立阻尼默片的正應力，其阻尼力矩比較穩(wěn)定。因此發(fā)動機的扭矩實際上是通過一些彈性元件傳遞到傳動系的。
摩擦式扭轉減震器工作原理：離合器工作時，扭矩從摩擦片傳給從動鋼片再傳給從動盤轂，此時彈簧被壓縮，從動鋼片相對從動盤轂前移（從動轂邊緣上的缺口控制著鋼片與轂的最大位移）。
2.2 離合器結構設計的要點
在進行離合器的具體設計時，首先應保證傳遞發(fā)動機最大扭矩為前提，然后滿足下列條件[15]:
（1）如前所述，扇形波狀彈簧對置分布鉚接在從動鋼片上，并在從動盤上設置扭轉減震器保證離合器接合柔和，摩擦片制成一定錐度（從動盤錐形量約為0.5mm）使其大端面向飛輪，這樣從動盤轂在從動軸（即變速器第一軸）花鍵上易于滑動，有利于離合器徹底分離。
（2）離合器主動部分與從動部分的連接和支撐形式，離合器的主動部分包括飛輪，離合器蓋與他們一起轉動并能軸向移動的壓盤，壓盤通過鋼片與離合器蓋相連，離合器從動部分有從動盤，從動軸，從動軸裝在飛輪與壓盤之間，可在從動軸花鍵上滑動，設計時把離合器從動軸的前軸承安裝在發(fā)動機曲軸的中心孔內。
（3）離合器從動軸的軸向定位及軸承潤滑，離合器從動軸在安裝后應保持軸向定位，在拆卸時便于離合器中抽出來。因此，設計時使從動軸前軸承外圓與飛輪為過渡配合，而前軸承內圈與從動軸為間隙配合，離合器的從動軸軸向定位是靠從動軸后軸承來保證的。離合器分離軸承靠注入黃油潤滑的，而從動軸前軸承靠油杯定期注入潤滑。 為防止?jié)櫥土鞯侥Σ烈r面，造成離合器打滑，除在軸承處安有自緊油封外，還在飛輪上開泄油孔。
（4）離合器運動零件的限位，離合器處于接合時為使壓盤與摩擦片很好接合，應使分離彈簧與分離軸承之間保持一定間隙，這是分離軸承回位彈簧加以保證。分離時，應對踏板的最大行程加以限制。
2.3 離合器主要零件的設計
2.3.1 從動盤
扇形波狀彈簧兩兩對置鉚接與從動鋼片上，兩側在鉚接摩擦片，鉚釘都采用鋁制埋頭鉚釘，摩擦襯面在鉚接后腰磨削加工，使其工作表面的不平度誤差小于0.2mm，從動盤本體采用45號鋼沖壓加工得到，為防止其彎曲變形而引起分離不徹底，一般在從動盤本體上設徑向切口。
2.3.2 摩擦片
摩擦片在性能上要滿足如下要求：
（1）摩擦系數穩(wěn)定，工作溫度，滑磨速度，單位壓力的變化對其影響；
（2）具有足夠的機械強度和耐磨性，熱穩(wěn)定性好；
（3）有利于接合平順；4.長期停放離合器摩擦面會發(fā)生粘著現象。
（4）摩擦片選用材料為石棉基摩擦材料，它是由石棉或石棉織物、粘結劑和特種添加劑熱壓而成，其摩擦系數為。石棉基摩擦材料密度小，工作溫度小于180℃，價格便宜，使用效果良好，在汽車離合器中廣泛使用。
2.3.3 膜片彈簧
膜片彈簧使用優(yōu)質高精質鋼。其碟簧部分的尺寸精度要求高，碟簧材料為60SiMnA。為了提高膜片彈簧的承載能力，要對膜片彈簧進行調質處理，得具有高抗疲勞能力的回火索氏體。要防止膜片內緣離開，同時對膜片彈簧進行強壓處理（將彈簧壓平并保持小時），使其高壓力區(qū)產生塑性變形以產生殘余反向應力，對膜片彈簧的凹表面進行噴丸處理，噴丸是φ0.8的白口鐵小丸， 可提高彈簧的疲勞壽命。同時，為提高分離指的耐磨性，對其進行局部高頻淬火式鍍鉻。采用乳白鍍鉻，若膜片彈簧許用應力可取為1500～1700N/mm2。
2.3.4 壓盤
壓盤的材料選用HT20-40鑄造制成。它要有一定的質量和剛度，以保證足夠的熱容量和防止溫度升高而產生的彎曲變形。壓盤應與飛輪保持良好的對中，并進行靜平衡。壓盤的摩擦工作面需平整光滑，其端面粗糙不低于0.8。壓盤殼用M8×12mm螺栓將其一端固定在飛輪端面上，另一端固定在壓盤端面上。
2.3.5 離合器蓋
離合器蓋的膜片彈簧支撐處須具有較大的剛度和較高的尺寸精度，壓盤高度（叢承壓點到摩擦面的距離）公差要小，支撐環(huán)和支撐鉚釘的安裝尺寸精度要高，耐磨性好，膜片彈簧的支撐形式采用鉚釘作支承時，如果分離軸承與曲軸中心線不同心，可引起鉚釘的過度磨損。提高鉚釘硬度的套筒和支承與曲軸中心線不同心，亦可引起鉚釘的過度。提高鉚釘硬度的套筒和支承圈是提高耐磨性的結構措施，采用10鋼材材料、HRc40-50。
2.4 本章小結
本章系統(tǒng)介紹了膜片彈簧離合器的結構，并講述了離合器各零件的結構和材料，以及各部分的連接關系，為下章離合器的計算打下基礎。
第3章 離合器的設計計算及說明
3.1 離合器設計所需數據
表3.1 離合器原始數據
汽車的驅動形式
4×2
汽車最大加載質量
2000 kg
汽車的質量
4325 kg
發(fā)動機位置
前置
發(fā)動機最大功率
75KW
發(fā)動機最大轉速
4500r/min
發(fā)動機最大扭矩
≥170N.m
離合器形式
機械、干式、單片、膜片彈簧（壓式）
操縱形式
液壓人力操縱
摩擦片最大外徑
f=225mm
踏板行程
mm
i0=6.17 ig1=5.913 ig2=2.659 ig3=1.775 ig4=1.000
汽車最大時速
≥110 km/h
3.2 摩擦片主要參數的選擇
采用單片摩擦離合器是利用摩擦來傳遞發(fā)動機扭矩的，為保證可靠度，離合器靜摩擦力矩應大于發(fā)動機最大扭矩
摩擦片的靜壓力：
（3.1）
（
式中：離合器后備系數（）
發(fā)動機的最大扭矩可由式: （3.2）求得
式中： Kw,r/min。α在1.1～1.3之間 ，取α=1.16，則N.m
（1）后備系數β是離合器的重要參數，反映離合器傳遞發(fā)動機最大扭矩的可靠程度，選擇β時，應從以下幾個方面考慮：a. 摩擦片在使用中有一定磨損后，離合器還能確保傳遞發(fā)動機最大扭矩；b. 防止離合器本身滑磨程度過大；c. 要求能夠防止傳動系過載。通常轎車和輕型貨車β=1.2～1.75。結合設計實際情況，故選擇β=1.5。
則有β可有表3.2查得 β＝1.5。
表3.2 離合器后備系數的取值范圍
車型
后備系數β
乘用車及最大總質量小于6t的商用車
1.20～1.75
最大總質量為6～14t的商用車
1.50～2.25
掛車
1.80～4.00
摩擦片的外徑可有式: （3.3） 求得
為直徑系數，取值見表3.3 取 得D=221.11mm。
表3.3 直徑系數的取值范圍
車型
直徑系數
乘用車
14.6
最大總質量為1.8～14.0t的商用車
16.0～18.5(單片離合器)
13.5～15.0(雙片離合器)
最大總質量大于14.0t的商用車
22.5～24.0
摩擦片的尺寸已系列化和標準化,標準如下表(部分):
表3.4 離合器摩擦片尺寸系列和參數
外徑D\mm
160
180
200
225
250
280
300
325
內徑d\mm
110
125
140
150
155
165
175
190
厚度/mm
3.2
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
0.687
0.694
0.700
0.667
0.620
0.589
0.583
0.585
0.676
0.667
0.657
0.703
0.762
0.796
0.802
0.800
單面面積cm2
106
132
160
221
302
402
466
546
摩擦片的摩擦因數取決于摩擦片所用的材料及基工作溫度、單位壓力和滑磨速度等因素?？捎杀?.5查得：
摩擦面數Z為離合器從動盤數的兩倍，決定于離合器所需傳遞轉矩的大小及其結構尺寸。本題目設計單片離合器，因此Z=2。離合器間隙Δt是指離合器處于正常接合狀態(tài)、分離套筒被回位彈簧拉到后極限位置時，為保證摩擦片正常磨損過程中離合
器仍能完全接合，在分離軸承和分離杠桿內端之間留有的間隙。該間隙Δt一般為3～4mm。取Δt=4mm。
表3.5 摩擦材料的摩擦因數的取值范圍
摩擦材料
摩擦因數
石棉基材料
模壓
0.20～0.25
編織
0.25～0.35
粉末冶金材料
銅基
0.25～0.35
鐵基
0.30～0.50
金屬陶瓷材料
0.4
離合器的靜摩擦力矩為： （3.4）
與式（3.1）聯立得：
（3.5） 代入數據得：單位壓力MPa。
表3.6 摩擦片單位壓力的取值范圍
摩擦片材料
單位壓力/MPa
石棉基材料
模壓
0.15~0.25
編織
0.25~0.35
粉末冶金材料
模壓
0.35~0.50
編織
金屬陶瓷材料
0.70~1.50
3.3 摩擦片基本參數的優(yōu)化
（1）摩擦片外徑D（mm）的選取應使最大圓周速度不超過65～70m/s，即
m/sm/s （3.6）
式中，為摩擦片最大圓周速度（m/s）；為發(fā)動機最高轉速(r/min)。
（2）摩擦片的內、外徑比應在0.53～0.70范圍內，即
（3）為了保證離合器可靠地傳遞發(fā)動機的轉矩，并防止傳動系過載，不同車型的β值應在一定范圍內，最大范圍為1.2～4.0。
（4）為了保證扭轉減振器的安裝，摩擦片內徑d必須大于減振器振器彈簧位置直徑約50mm，即
mm
（5）為反映離合器傳遞的轉矩并保護過載的能力，單位摩擦面積傳遞的轉矩應小于其許用值，即
（3.7）式中，為單位摩擦面積傳遞的轉矩(N.m/mm2)，可按表3.6選取
經檢查,合格。
表3.7 單位摩擦面積傳遞轉矩的許用值
離合器規(guī)格
0．28
0．30
0．35
0．40
（6）為降低離合器滑磨時的熱負荷，防止摩擦片損傷，對于不同車型，單位壓力的最大范圍為0.11～1.50MPa,即
MPaMPaMPa
（7）為了減少汽車起步過程中離合器的滑磨，防止摩擦片表面溫度過高而發(fā)生燒傷,離合器每一次接合的單位摩擦面積滑磨功應小于其許用值,即
（3.8）
式中,為單位摩擦面積滑磨(J/mm2)；為其許用值(J/mm2)，對于乘用車：J/mm2，對于最大總質量小于6.0t的商用車：J/mm2，對于最大總質量大于6.0t商用車：J/mm2：W為汽車起步時離合器接合一次所產生的總滑磨功（J），可根據下式計算
（3.9）
式中，為汽車總質量(Kg)；為輪胎滾動半徑（m）；為汽車起步時所用變速器擋位的傳動比；為主減速器傳動比；為發(fā)動機轉速r/min，計算時乘用車取r/min，商用車取r/min。其中： m Kg代入式（3.9）得J，代入式（3.8）得，合格。
（8）離合器接合的溫升
式中,t為壓盤溫升,不超過°C；c為壓盤的比熱容，J/(Kg·°C)；γ為傳到壓盤的熱量所占的比例，對單片離合器壓盤；，為壓盤的質量Kg
代入，°C，合格。
3.4 膜片彈簧主要參數的選擇
1. 比較H/h的選擇
此值對膜片彈簧的彈性特性影響極大，分析式（3.10）中載荷與變形1之間的函數關系可知，當時，F2為增函數；時，F1有一極值，而該極值點又恰為拐點；時，F1有一極大值和極小值；當時，F1極小值在橫坐標上，見圖3.1。
1- 2- 3-
4- 5-
圖3.1 膜片彈簧的彈性特性曲線
為保證離合器壓緊力變化不大和操縱方便，汽車離合器用膜片彈簧的H/h通常在1.5～2范圍內選取。常用的膜片彈簧板厚為2～4mm，本設計 ，h=3mm ，則H=6mm 。
2. R/r選擇
通過分析表明，R/r越小，應力越高，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結構布置和壓緊力的要求，R/r常在1.2～1.3 的范圍內取值。本設計中取，摩擦片的平均半徑mm， 取mm則mm取整mm 則。
3.圓錐底角
汽車膜片彈簧在自由狀態(tài)時，圓錐底角α一般在°范圍內，本設計中 得°在°之間，合格。分離指數常取為18，大尺寸膜片彈簧有取24的，對于小尺寸膜片彈簧，也有取12的，本設計所取分離指數為18。
4.切槽寬度
mm，mm，取mm，mm，應滿足的要求。
5. 壓盤加載點半徑和支承環(huán)加載點半徑的確定
應略大于且盡量接近r，應略小于R且盡量接近R。本設計取mm，mm。膜片彈簧應用優(yōu)質高精度鋼板制成，其碟簧部分的尺寸精度要高。國內常用的碟簧材料的為60SizMnA，當量應力可取為1600～1700N/mm2。
6. 公差與精度
離合器蓋的膜片彈簧支承處，要具有大的剛度和高的尺寸精度，壓力盤高度（從承壓點到摩擦面的距離）公差要小，支承環(huán)和支承鉚釘安裝尺寸精度要高，耐磨性要好。
3.5 膜片彈簧的優(yōu)化設計
（1）為了滿足離合器使用性能的要求，彈簧的與初始錐角應在一定范圍內，即
（2）彈簧各部分有關尺寸的比值應符合一定的范圍，即
（3）為了使摩擦片上的壓緊力分布比較均勻，推式膜片彈簧的壓盤加載點半徑（或拉式膜片彈簧的壓盤加載點半徑）應位于摩擦片的平均半徑與外半徑之間，即
推式：
拉式：
（4）根據彈簧結構布置要求，與，與之差應在一定范圍內選取，即
（5）膜片彈簧的分離指起分離杠桿的作用，，因此杠桿比應在一定范圍內選取，即
推式：
拉式：
由（4）和（5）得mm，mm。
3.6膜片彈簧的載荷與變形關系
碟形彈簧的形狀如以錐型墊片，見圖3.2，它具有獨特的彈性特征，廣泛應用于機械制造業(yè)中。膜片彈簧是具有特殊結構的碟形彈簧，在碟簧的小端伸出許多由徑向槽隔開的掛狀部分——分離指。膜片彈簧的彈性特性與尺寸如其碟簧部分的碟形彈簧完全相同（當加載點相同時）。因此，碟形彈簧有關設計公式對膜片彈簧也適用。通過支承環(huán)和壓盤加在膜片彈簧上的沿圓周分布的載荷，假象集中在支承點處，用F1表示，加載點間的相對變形（軸向）為λ1，則壓緊力F1與變形λ1之間的關系式為:
（3.10）
式中： E——彈性模量，對于鋼，
μ——泊松比，對于鋼，μ=0.3
H——膜片彈簧在自由狀態(tài)時，其碟簧部分的內錐高度
h——彈簧鋼板厚度
R——彈簧自由狀態(tài)時碟簧部分的大端半徑
r——彈簧自由狀態(tài)時碟簧部分的小端半徑
R1——壓盤加載點半徑
r1——支承環(huán)加載點半徑
圖3.2 膜片彈簧的尺寸簡圖
表3.8 膜片彈簧彈性特性所用到的系數
R
r
R1
r1
H
h
118
94
116
96
6
3
代入（3.10）得
（3.11）
對（3.11）式求一次導數，可解出λ1=F1的凹凸點，求二次導數可得拐點。
凸點：mm時，N
凹點：mm時，N
拐點：mm時，N
2、當離合器分離時，膜片彈簧加載點發(fā)生變化。設分離軸承對膜片彈簧指所加的載荷為F2，對應此載荷作用點的變形為λ2。由
（3.12）
（3.13）
列出表3.8:
表3.9 膜片彈簧工作點的數據
2.96
7.04
5
9.18
2.182
15.5
11796.93
6748.98
9273
3775.02
2159.67
2967.36
膜片彈簧工作點位置的選擇。從膜片彈簧的彈性特性曲線圖分析出，該曲線的拐點H對應著膜片彈簧壓平位置，而。新離合器在接合狀態(tài)時，膜片彈簧工作點B一般取在凸點M和拐點H之間，且靠近或在H點處，一般,以保證摩擦片在最大磨損限度Δλ范圍內壓緊力從F1B到F1A變化不大。當分離時，膜片彈簧工作點從B變到C ，為最大限度地減小踏板力，C點應盡量靠近N點。為了保證摩擦片磨損后仍能可靠的傳遞傳矩，并考慮摩擦因數的下降，摩擦片磨損后彈簧工作壓緊力應大于或等于新摩擦片時的壓緊力，見圖3.3。3.7膜片彈簧的應力計算
假定膜片彈簧在承載過程中其子午斷面剛性地繞此斷面上的某中性點O轉動（圖3.4）。斷面在O點沿圓周方向的切向應變?yōu)榱?，故該點的切向應力為零，O點以外的點均存在切向應變和切向應力?，F選定坐標于子午斷面，使坐標原點位于中性點O。令X軸平行于子午斷面的上下邊，其方向如上圖所示，則斷面上任意點的切向應力為：
（3.14）
圖3.3 膜片彈簧工作點位置
式中 φ——碟簧部分子午斷面的轉角（從自由狀態(tài)算起）
α——碟簧部分子有狀態(tài)時的圓錐底角
e ——碟簧部分子午斷面內中性點的半徑
e=（R-r）/In(R/r) （3.15）為了分析斷面中斷向應力的分布規(guī)律，將（3.14）式寫成Y與X軸的關系式：
（3.16）
圖3.4 切向應力在子午斷面的分布
由上式可知，當膜片彈簧變形位置φ一定時，一定的切向應力αt在X-Y坐標系里呈線性分布。
當時，因為的值很小，我們可以將看成，由上式可寫成。此式表明，對于一定的零應力分布在中性點O而與X軸承角的直線上。從式（3.16）可以看出當時無論取任何值，都有。顯然，零應力直線為K點與O點的連線，在零應力直線內側為壓應力區(qū)，外側位拉應力區(qū)，等應力直線離應力直線越遠，其應力越高。由此可知，碟簧部分內緣點B處切向壓應力最大，A處切向拉應力最大，分析表明，B點的切向應力最大，計算膜片彈簧的應力只需校核B處應力就可以了，將B點的坐標X=（e-r）和Y=h/2 代入（3.17）式有：
（3.17）
令可以求出切向壓應力達極大值的轉角
由于： mm
所以： ，N/mm2
B點作為分離指根部的一點，在分離軸承推力F2作用下還受有彎曲應力：
（3.18）
式中 n——分離指數目 n=18
br——單個分離指的根部寬
mm
因此： N/mm2
由于σrB是與切向壓應力σtB垂直的拉應力，所以根據最大剪應力強度理論，B點的當量應力為：
N/mm2
N/mm2
膜片彈簧的設計應力一般都稍高于材料的局限，為提高膜片彈簧的承載能力，一般要經過以下工藝：先對其進行調質處理，得到具有較高抗疲勞能力的回火索氏體，對膜片彈簧進行強壓處理（將彈簧壓平并保持12～14h），使其高應力區(qū)產生塑性變形以產生殘余反向應力，對膜片彈簧的凹表面進行噴丸處理，提高彈簧疲勞壽命，對分離指進行局部高頻淬火或鍍鋁，以提高其耐磨性。
故膜片彈簧和當量應力不超出允許應力范圍，所以用設數據合適。
3.8 扭轉減振器設計
減震器極轉矩 N·m
摩擦轉矩 N·m
預緊轉矩 N·m
極限轉角 °
扭轉角剛度 N·m/rad
詳細見圖3.5。
3.9 減振彈簧的設計
1．減振彈簧的安裝位置
，
結合mm，得取49mm，則。
2．全部減振彈簧總的工作負荷
N
3．單個減振彈簧的工作負荷
N
式中Z為減振彈簧的個數，按表3.9選擇：
取Z=6
表3.10 減振彈簧個數的選取
摩擦片的外徑D/mm
225～250
250～325
325～350
〉350
Z
4～6
6～8
8～10
〉10
圖3.5 扭轉減振器
4．減振彈簧尺寸
（1）選擇材料，計算許用應力
根據《機械原理與設計》(機械工業(yè)出版社)采用65Mn彈簧鋼絲， 設彈簧絲直徑mm,MPa,MPa。
（2）選擇旋繞比，計算曲度系數
根據下表選擇旋繞比
表3.11 旋繞比的薦用范圍
d/mm
C
確定旋繞比，曲度系數
（3）強度計算
mm，與原來的d接近，合格。
中徑 mm；外徑 mm
（4）極限轉角°取 °，則mm
（5）剛度計算
彈簧剛度 mm
其中，為最小工作力，
彈簧的切變模量MPa，則彈簧的工作圈數
取，總圈數為
（6）彈簧的最小高度
mm
（7）減振彈簧的總變形量
mm
（8）減振彈簧的自由高度
mm
（9）減振彈簧預緊變形量
mm
（10）減振彈簧的安裝高度
mm
（11）定位鉚釘的安裝位置
取mm，則°，mm，mm，，合格。
3.10 操縱機構
汽車離合器操縱機構是駕駛員用來控制離合器分離又使之柔和接合的一套機構。它始于離合器踏板，終止于離合器殼內的分離軸承。由于離合器使用頻繁，因此離合器操縱機構首先要求操作輕便。輕便性包括兩個方面，一是加在離合器踏板上的力不應過大，另一方面是應有踏板形成的校正機構。離合器操縱機構按分離時所需的能源不同可分為機械式、液壓式、彈簧助力式、氣壓助力機械式、氣壓助力液壓式等等。
離合器操縱機構應滿足的要求是[3]：
（1）踏板力要小，轎車一般在80～150N范圍內，貨車不大于150～200N；
（2）踏板行程對轎車一般在mm范圍內，對貨車最大不超過180mm；
（3）踏板行程應能調整，以保證摩擦片磨損后分離軸承的自由行程可復原；
（4）應有對踏板行程進行限位的裝置，以防止操縱機構因受力過大而損壞；
（5）應具有足夠的剛度；
（6）傳動效率要高；
（7）發(fā)動機振動及車架和駕駛室的變形不會影響其正常工作。
機械式操縱機構有杠系傳動和繩索系兩種傳動形式，杠傳動結構簡單，工作可靠，但是機械效率低，質量大，車架和駕駛室的形變可影響其正常工作，遠距離操縱桿系，布置困難，而繩索傳動可消除上述缺點，但壽命短，機構效率不高。
本次設計的普通輪型離合器操縱機構，采用液壓式操縱機構。液壓操縱機構有如下優(yōu)點：
（1）液壓式操縱，機構傳動效率高，質量小，布置方便；便于采用吊掛踏板，從而容易密封，不會因駕駛室和車架的變形及發(fā)動機的振動而產生運動干涉；
（2）可使離合器接合柔和，可以降低因猛踩踏板而在傳動系產生的動載荷，正由于液壓式操縱有以上的優(yōu)點，故應用日益廣泛，離合器液壓操縱機構由主缸、工作缸、管路系統(tǒng)等部分組成。
mm，mm，mm，mm
mm，mm，mm，mm
3.10.1 離合器踏板行程計算
踏板行程由自由行程和工作行程組成：
（3.19）
式中，為分離軸承的自由行程，一般為mm，取mm；反映到踏板上的自由行程一般為mm；、分別為主缸和工作缸的直徑；Z為摩擦片面數；為離合器分離時對偶摩擦面間的間隙，單片：mm，取mm；、、、、、為杠桿尺寸。
得：mm，mm，合格。
圖3.6 液壓操縱機構示意圖
3.10.2踏板力的計算
踏板力為
?。?.20）
式中，為離合器分離時，壓緊彈簧對壓盤的總壓力；為操縱機構總傳動比，；為機械效率，液壓式：%，機械式：%；為克服回位彈簧1、2的拉力所需的踏板力，在初步設計時，可忽略之。N，，%；則
N
合格。
分離離合器所作的功為
式中，為離合器拉接合狀態(tài)下壓緊彈簧的總壓緊力，N，則
J
合格。
3.11從動軸的計算
1．選材
40Cr調質鋼可用于載荷較大而無很大沖擊的重要軸，初選40Cr調質 。
2．確定軸的直徑
式中，A為由材料與受載情況決定的系數，見表3.11:
表3.12 軸常用幾種材料的及A值
軸的材料
Q235-A，20
Q275，35
（1Cr18Ni9Ti）
45
40Cr,35SiMn
38SiMnMo,3Cr13
15～25
20～35
25～45
35～56
A
149～126
135～112
126～103
112～97
取，n 為軸的轉速，r/min，則
mm，取mm。
3.12 從動盤轂
從動盤轂是離合器中承受載荷最大的零件，它幾乎承受由發(fā)動機傳來的全部轉矩。它一般采用齒側對中的矩形花鍵安裝在變速器的第一軸上，花鍵的尺寸可根據摩擦片的外徑D與發(fā)動機的最大轉矩由表3.12選?。?
一般取1.0～1.4倍的花鍵軸直徑。從動盤轂一般采用碳鋼，并經調質處理，表面和心部硬度一般26～32HRC。為提高花鍵內孔表面硬度和耐磨性，可采用鍍鉻工藝；對減振彈簧窗口及與從動片配合處，應進行高頻處理。取，mm，mm，mm，mm，MPa。
驗證：擠壓應力的計算公式為：
式中，P為花鍵的齒側面壓力，它由下式確定：
從動盤轂軸向長度不宜過小，以免在花鍵軸上滑動時產生偏斜而使分離不徹底，
，分別為花鍵的內外徑；
Z為從動盤轂的數目；取Z=1
h為花鍵齒工作高度；
得N，MPaMPa，合格。
表3.13 花健的的選取
摩擦片的外徑
/mm
/N.m
花健尺寸
擠壓應力
/MPa
齒數
n
外徑
/mm
內徑
/mm
齒厚
/mm
有效齒長
/mm
160
49
10
23
18
3
20
9．8
180
69
10
26
21
3
20
11．6
200
108
10
29
23
4
25
11．1
225
147
10
32
26
4
30
11．3
250
196
10
35
28
4
35
10．2
280
275
10
35
32
4
40
12．5
300
304
10
40
32
5
40
10．5
325
373
10
40
32
5
45
11．4
350
471
10
40
32
5
50
13．0
3.13 分離軸承的壽命計算
分離軸承的參數
表3.14 分離軸承參數表
型號
Cr
ε
n
7014C
48.2KN
1.2
3
4500r/min
則由下式：
得：
h
3.14 本章小結
本章講述了離合器的計算，包括摩擦片主要參數的選擇與優(yōu)化、膜片彈簧主要參數的選擇與優(yōu)化、通過膜片彈簧載荷與變形的關系計算離合器的壓緊力與膜片彈簧的應力、扭轉減振器與減振彈簧的計算、操縱機構與輸出軸的計算、選取從動盤轂，最后計算分離軸承的壽命。本章所用原始數據為CA1040貨車的數據。
結 論
通過以上對膜片彈簧離合器及液壓操縱機構的工作原理的闡述及各構件的計算說明，可以看出離合器操縱機構的設計要從選材，尺寸約束，傳遞發(fā)動機扭矩，駕駛員操作等各方面的綜合考慮。
計算方面：離合器的主要參數β，P0,D,d，結果按照基本公式運算得出并通過約束條件，檢驗合格。操縱機構自由行程符合規(guī)格，總行程131mm<180mm符合標準條件，在此前提下同時也保證了機件具有足夠的剛度，在有外部壓力的情況下不會輕易變形。設計所得尺寸既符合工作機理的需求又滿足安裝的要求。
選材方面：摩擦片選用石棉基材料，保證其有足夠的強度和耐磨性、熱穩(wěn)定性、磨合性，不會發(fā)生粘著現象。扭轉減振器中的扭轉彈簧選用65Si2MnA，其中所含硅成分提高了機件的彈性，所含錳，加強了耐高溫性；設計后的離合器順利通過溫升校核，目的是防止摩擦元件過快地磨損和溫度過高。
綜上所述，本次設計遵從了：（1）分離徹底；（2）接合柔和；（3）操縱輕便，工作特征穩(wěn)定；（4）從動部分轉動慣量小的設計要點，數據全部通過約束條件檢驗，原件所使用的材料基本上符合耐磨，耐壓和耐高溫的要求，而且離合器尺寸合適，適宜安裝，能最高效率傳遞發(fā)動機扭矩，完全符合計劃書及國家標準。但是，我的設計中仍存在大量的錯誤和缺點，如加工精度問題等等。
對于我在設計中出現的錯誤，希望廣大讀者和專家批評指正。
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致 謝
畢業(yè)設計的順利完成除了自己付出的汗水外，還有指導老師的辛勤教誨。在這里我要特別感謝趙強老師，謝謝他們在百忙之中對我的指正和教導，也因此使我在設計后的學習與人生的道路上向著更高更深層次地方向前進！
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