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(xué)位論文
附錄二 ：中文翻譯
通過夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化控制變形
摘 要
工件變形必須控制在數(shù)值控制機(jī)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(gè)主要方面。在本文提出了一種多目標(biāo)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(yīng)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(gè)例子說明，一個(gè)令人滿意的結(jié)果被求得， 這是遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)之一的。多目標(biāo)模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。
關(guān)鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法
1 引言
夾具設(shè)計(jì)在制造工程中是一項(xiàng)重要的程序。這對(duì)于加工精度是至關(guān)重要。一個(gè)工件應(yīng)約束在一個(gè)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(yīng)該從戰(zhàn)略的設(shè)計(jì)，并且適當(dāng)?shù)膴A緊力應(yīng)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(jìn)行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，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(chǎn)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(shè)計(jì)方案的兩個(gè)主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇和計(jì)算，使由于夾緊力和切削力產(chǎn)生的工件變形盡量減少和非正式化。
夾具設(shè)計(jì)的目的是要找到夾具元件關(guān)于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個(gè)最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標(biāo)優(yōu)化方法是代表了夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個(gè)觀點(diǎn)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(gè)是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計(jì)算工件由于夾緊力和切削力下產(chǎn)生的變形。遺傳算法是MATLAB的發(fā)達(dá)且直接的搜索工具箱，并且被應(yīng)用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個(gè)案例的研究，以闡述對(duì)所提算法的應(yīng)用。
2 文獻(xiàn)回顧
隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運(yùn)用，近幾年夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的方法。DeMeter也用了一個(gè)剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進(jìn)行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計(jì)算質(zhì)量的有限元計(jì)算法。李和melkote用了一個(gè)非線性編程方法和一個(gè)聯(lián)絡(luò)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(guān)于多鉗夾具受到準(zhǔn)靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關(guān)于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法，認(rèn)為工件在加工過程中處于動(dòng)態(tài)。相結(jié)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(jìn)行夾具設(shè)計(jì)與分析。蔡等對(duì)menassa和devries包括合成的夾具布局的金屬板材大會(huì)的理論進(jìn)行了拓展。秦等人建立了一個(gè)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(dòng)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(gè)可行布局開始。此外，還得到了對(duì)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(shè)計(jì)的問題是非線性的，因?yàn)槟繕?biāo)的功能和設(shè)計(jì)變量之間沒有直接分析的關(guān)系。例如加工表面誤差和夾具的參數(shù)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(shù)。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(yīng)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(biāo)編碼。他們還提出了針對(duì)主要競(jìng)爭(zhēng)夾具優(yōu)化方法相對(duì)有效性的廣泛調(diào)查的方法和結(jié)果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質(zhì)的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個(gè)夾具布局優(yōu)化技術(shù)，用遺傳算法找到夾具布局，盡量減少由于在整個(gè)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(diǎn)號(hào)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(gè)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(gè)分析模型，認(rèn)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(xué)習(xí)系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結(jié)合的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN ）和GA。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來計(jì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來發(fā)展夾具設(shè)計(jì)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(jìn)去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認(rèn)為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時(shí)，一些研究沒有考慮為整個(gè)刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點(diǎn)數(shù)目作為設(shè)計(jì)參數(shù)。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(shí)進(jìn)行。 有幾項(xiàng)研究摩擦和碎片考慮進(jìn)去了。
碎片的移動(dòng)和摩擦接觸的影響對(duì)于實(shí)現(xiàn)更為現(xiàn)實(shí)和準(zhǔn)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(nèi)以實(shí)現(xiàn)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(nèi)，以達(dá)到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標(biāo)優(yōu)化模型被建立了。一個(gè)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(jié)果多目標(biāo)優(yōu)化模型對(duì)低剛度工件而言是比較單一的目標(biāo)優(yōu)化方法、經(jīng)驗(yàn)和方法。
3 多目標(biāo)優(yōu)化模型夾具設(shè)計(jì)
一個(gè)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(shì)力應(yīng)用到工件；第二，庫(kù)侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點(diǎn)。夾具元件-工件接觸點(diǎn)的位置必須在候選位置。為一個(gè)問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負(fù)荷步驟，優(yōu)化問題可以在數(shù)學(xué)上仿照如下：
這里的△表示加工區(qū)域在加工當(dāng)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(diǎn)；
μ是靜態(tài)摩擦系數(shù)；
fhi是切向力在i次的接觸點(diǎn)；
pos(i)是i次的接觸點(diǎn)；
是可選區(qū)域的i次接觸點(diǎn)；
整體過程如圖1所示，一要設(shè)計(jì)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(jì)算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時(shí)也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內(nèi)，加工變形下，切削力和夾緊力的計(jì)算方法采用有限元方法。根據(jù)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(shè)計(jì)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(chǎn)過程的強(qiáng)勁，隨機(jī)和啟發(fā)式的優(yōu)化方法。基本思路背后的遺傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現(xiàn)象。每一個(gè)人口中的候選個(gè)體指派一個(gè)健身的價(jià)值，通過一個(gè)功能的調(diào)整，以適應(yīng)特定的問題。遺傳算法，然后進(jìn)行復(fù)制，交叉和變異過程消除不適宜的個(gè)人和人口的演進(jìn)給下一代。人口足夠數(shù)目的演變基于這些經(jīng)營(yíng)者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個(gè)體代表全最好的方法。
遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)時(shí)需夾具布局和夾緊力作為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)劃。在這項(xiàng)研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運(yùn)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(dāng)在一個(gè)人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時(shí)，nchg達(dá)到一個(gè)預(yù)先定義的價(jià)值ncmax ，或有多少幾代氮，到達(dá)演化的指定數(shù)量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個(gè)主要因素，遺傳算法，編碼，健身功能，遺傳算子，控制參數(shù)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(shù)的選擇
由于遺傳算法可能產(chǎn)生夾具設(shè)計(jì)字符串，當(dāng)受到加工負(fù)荷時(shí)不完全限制夾具。這些解決方案被認(rèn)為是不可行的，且被罰的方法是用來驅(qū)動(dòng)遺傳算法，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)可行的解決辦法。1夾具設(shè)計(jì)的計(jì)劃被認(rèn)為是不可行的或無約束，如果反應(yīng)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(jì)劃的高目標(biāo)函數(shù)值時(shí)不可行的。因此，驅(qū)動(dòng)它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對(duì)于約束（4），當(dāng)遺傳算子產(chǎn)生新個(gè)體或此個(gè)體已經(jīng)產(chǎn)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(jiǎn)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(diǎn)是用于檢查?！癷npolygon ”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(jì)算。有限元模型是一個(gè)考慮摩擦效應(yīng)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(gè)位置或支持，是代表三個(gè)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(gè)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(gè)彈力即為所謂的切向彈力。接觸彈簧剛度可以根據(jù)向赫茲接觸理論計(jì)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(gè)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(qǐng)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(gè)元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點(diǎn)所包圍。
圖3 連續(xù)插值
這系列節(jié)點(diǎn)，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ），（9，10 ，11 ， 18，17號(hào)和16號(hào)）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ）。這一系列彈簧單元，與這些每一個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。對(duì)任何一套節(jié)點(diǎn)，彈簧常數(shù)是：
這里，
kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點(diǎn)周圍i次夾具元件，
Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)量
為每個(gè)加工負(fù)荷的一步，適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件將適用于工件的有限元模型。在這個(gè)工作里，正常的彈簧約束在這三個(gè)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(diǎn)。整個(gè)刀具路徑是模擬為每個(gè)夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃所產(chǎn)生的遺傳算法應(yīng)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(jīng)被考慮進(jìn)去。在機(jī)床改變幾何數(shù)值過程中，材料被去除，工件的結(jié)構(gòu)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(diǎn)的工具運(yùn)動(dòng)和碎片移除使用的元素死亡技術(shù)。在為了計(jì)算健身價(jià)值，對(duì)于給定夾具設(shè)計(jì)方案，位移存儲(chǔ)為每個(gè)負(fù)載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的健身價(jià)值。
遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動(dòng)實(shí)施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數(shù)寫入到一個(gè)文本文件。那個(gè)輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數(shù)和計(jì)算加工表面的變形。 因此， 健身價(jià)值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當(dāng)前夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的一個(gè)文本文件。
當(dāng)有大量的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)有限元模型時(shí)，計(jì)算健身價(jià)值是很昂貴的。因此，有必要加快計(jì)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(xiàng)工作中，計(jì)算健身價(jià)值和染色體存放在一個(gè)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價(jià)值已計(jì)算之前，先檢查；如果不，夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價(jià)值觀是直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個(gè)計(jì)算時(shí)間保持不變。每計(jì)算模型間的差異是邊界條件，因此，網(wǎng)狀工件的有限元模型可以用來反復(fù)“恢復(fù)”ANSYS 命令。
5 案例研究
一個(gè)關(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)計(jì)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(diǎn)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(nèi)壁的三分之一是經(jīng)銑削及其刀具軌跡，如圖4 所示。夾具元件中應(yīng)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(yùn)作
舉例將工件進(jìn)行周邊銑削，加工參數(shù)在表2中給出。基于這些參數(shù)，切削力的最高值被作為工件內(nèi)壁受到的表面載荷而被計(jì)算和應(yīng)用，當(dāng)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(shí)。整個(gè)刀具路徑被26個(gè)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(shù)和條件
。
5.3 夾具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中常用的。夾具底板限制三個(gè)自由度，在側(cè)邊控制兩個(gè)自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個(gè)定點(diǎn)（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(gè)壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個(gè)定位元件限制其余的一個(gè)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(diǎn)的坐標(biāo)范圍。
表3 設(shè)計(jì)變量的約束
由于沒有一個(gè)簡(jiǎn)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(shè)為每一個(gè)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(shù)和懲罰函數(shù)
在這個(gè)例子中，用到了下列參數(shù)值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.關(guān)于f1和σ的懲罰函數(shù)是
這里fv可以被F1或σ代表。當(dāng)nchg達(dá)到6時(shí)，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(jié)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(yīng)功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)函數(shù)值的收斂
圖8第二個(gè)函數(shù)值的收斂性
表4 多目標(biāo)優(yōu)化模型的結(jié)果 表5 各種夾具設(shè)計(jì)方案結(jié)果進(jìn)行比較，
5.6 結(jié)果的比較
從單一目標(biāo)優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中得到的夾具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值，如表5所示。單一目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，在論文中引做比較。在例子中，與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比較，單一目標(biāo)優(yōu)化方法有其優(yōu)勢(shì)。最高變形減少了57.5 ％，均勻變形增強(qiáng)了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標(biāo)優(yōu)化方法和單目標(biāo)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(biāo)優(yōu)化方法產(chǎn)生的變形分布最均勻。
與結(jié)果比較，我們確信運(yùn)用最佳定位點(diǎn)分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實(shí)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(shí)例
6 結(jié)論
本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。優(yōu)化程序是多目標(biāo)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(jīng)被用于
健身價(jià)值的有限元計(jì)算。對(duì)于夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結(jié)合被證明是一種很有用的方法。
在這項(xiàng)研究中，摩擦的影響和碎片移動(dòng)都被考慮到了。為了減少計(jì)算的時(shí)間，建立了一個(gè)染色體的健身數(shù)值的數(shù)據(jù)庫(kù)，且網(wǎng)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(shè)計(jì)方法是單一目標(biāo)優(yōu)化方法或經(jīng)驗(yàn)。此研究結(jié)果表明，多目標(biāo)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(duì)于在數(shù)控加工中控制加工變形是很有意義的。
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11、Deng HY, Melkote SN (2006) 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定裝夾中夾緊力最小值的確定。
12、Wu NH, Chan KC (1996) 基于遺傳算法的夾具優(yōu)化配置方法。
13、Ishikawa Y, Aoyama T(1996) 借助遺傳算法對(duì)裝夾條件的優(yōu)化。
14、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 一項(xiàng)關(guān)于空間坐標(biāo)對(duì)基于遺傳算法的夾具優(yōu)化問題的作用的調(diào)查。
15、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 夾具布局優(yōu)化方法成效的調(diào)查。
16、Kulankara K, Melkote SN (2000) 利用遺傳算法優(yōu)化加工夾具的布局。
17、Kulankara K, Satyanarayana S, Melkote SN (2002) 利用遺傳算法優(yōu)化夾緊布局和夾緊力。
18、Lai XM, Luo LJ, Lin ZQ (2004) 基于遺傳算法的柔性裝配夾具布局的建模與優(yōu)化。
19、Hamedi M (2005) 通過一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法混合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能夾具。
20、Kumar AS, Subramaniam V, Seow KC (2001) 采用遺傳算法固定裝置的概念設(shè)計(jì)。
21、Kaya N (2006) 利用遺傳算法優(yōu)化加工夾具的定位和夾緊點(diǎn)。
22、Zhou XL, Zhang WH, Qin GH (2005) 遺傳算法用于優(yōu)化夾具布局和夾緊力。
23、Kaya N, ?ztürk F (2003) 碎片位移和摩擦接觸的運(yùn)用對(duì)工件夾具布局的校核。
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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1選題的目的
本次設(shè)計(jì)，我力爭(zhēng)把離合器設(shè)計(jì)系統(tǒng)化，為離合器設(shè)計(jì)者提供一定的參考價(jià)值。拋棄傳統(tǒng)的推式膜片彈簧離合器，設(shè)計(jì)新式的拉式膜片彈簧離合器是本次設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。
1.2離合器發(fā)展歷史
近年來各國(guó)政府都從資金、技術(shù)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(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。
對(duì)于內(nèi)燃機(jī)汽車來說，離合器在機(jī)械傳動(dòng)系中作為一個(gè)獨(dú)立的總成而存在，它是汽車傳動(dòng)系中直接與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)部分之間的摩擦來傳遞動(dòng)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(xiàn)今所用的盤片式離合器的先驅(qū)是多片盤式離合器，它是直到1925年以后才出現(xiàn)的。20世紀(jì)20年代末，直到進(jìn)入30年代時(shí)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上的改進(jìn)使人們逐漸趨向于首選單片干式離合器[1]。
近來，人們對(duì)離合器的要求越來越高，傳統(tǒng)的推式膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)正逐步地向拉式膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱形式的操縱形式正向自動(dòng)操縱的形式發(fā)展。因此，提高離合器的可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速，增加離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力和簡(jiǎn)化操縱，已成為離合器的發(fā)展趨勢(shì)。
隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率不斷提高和汽車電子技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)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(jié)構(gòu)正逐步地向拉式膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱形式正向自動(dòng)操縱的形式發(fā)展。因此，提高離合器的可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速，增加離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力和簡(jiǎn)化操縱，已成為離合器的發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，設(shè)計(jì)工作已從手工轉(zhuǎn)向電腦，包括計(jì)算、性能演示、計(jì)算機(jī)繪圖、制成后的故障統(tǒng)計(jì)等等。
1.3離合器概述
按動(dòng)力傳遞順序來說，離合器應(yīng)是傳動(dòng)系中的第一個(gè)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(wù)。離合器是設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，其功用是能夠在必要時(shí)中斷動(dòng)力的傳遞，保證汽車平穩(wěn)地起步；保證傳動(dòng)系換檔時(shí)工作平穩(wěn)；限制傳動(dòng)系所能承受的最大扭矩，防止傳動(dòng)系過載。為使離合器起到以上幾個(gè)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(shù)和主要尺寸。膜片彈簧離合器在技術(shù)上比較先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)性合理，同時(shí)其性能良好，使用可靠性高壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，操作輕便，在保證可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩的前提下，有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：
（1）結(jié)合時(shí)平順、柔和，使汽車起步時(shí)不震動(dòng)、沖擊；
（2）離合器分離徹底；
（3）從動(dòng)部分慣量小，以減輕換檔時(shí)齒輪副的沖擊；
（4）散熱性能好；
（5）高速回轉(zhuǎn)時(shí)只有可靠強(qiáng)度；
（6）避免汽車傳動(dòng)系共振，具有吸收震動(dòng)、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(shù)保持穩(wěn)定）；
（9）使用壽命長(zhǎng)。
1.3.1 離合器的功用
離合器可使發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系逐漸接合，保證汽車平穩(wěn)起步。如前所述，現(xiàn)代車用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)不能帶負(fù)荷啟動(dòng)，它必須先在空負(fù)荷下啟動(dòng)，然后再逐漸加載。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，得以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速約為300～500r/min，而汽車則只能由靜止開始起步，一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)著的發(fā)動(dòng)機(jī)，要帶一個(gè)靜止的傳動(dòng)系，是不能突然剛性接合的。因?yàn)槿绻峭蝗坏膭傂赃B接，就必然造成不是汽車猛烈攢動(dòng)，就是發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。所以離合器可使發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系逐漸地柔和地接合在一起，使發(fā)動(dòng)機(jī)加給傳動(dòng)系的扭矩逐漸變大，至足以克服行駛阻力時(shí)，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(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的分離。但變速器在空檔位置時(shí)，變速器內(nèi)的主動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)還是連接的，要轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，就必須和變速器內(nèi)的主動(dòng)齒輪一起拖轉(zhuǎn)，而變速器內(nèi)的齒輪浸在黏度較大的齒輪油中，拖轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是很困難的。所以離合器的第二個(gè)功用，就是暫時(shí)分開發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的聯(lián)系，以便于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。
汽車行駛中變速器要經(jīng)常變換檔位，即變速器內(nèi)的齒輪副要經(jīng)常脫開嚙合和進(jìn)入嚙合。如在脫檔時(shí)，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(shí)分離傳動(dòng)系，即能便利脫檔。同時(shí)在掛檔時(shí)，依靠駕駛員掌握，使待嚙合的齒輪副圓周速度達(dá)到同步是較為困難的，待嚙合齒輪副圓周速度的差異將會(huì)造成掛檔沖擊甚至掛不上檔，此時(shí)又需要離合器暫時(shí)分開傳動(dòng)系，以便使與離合器主動(dòng)齒輪聯(lián)結(jié)的質(zhì)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(dòng)時(shí)，傳動(dòng)系受到很大的慣性負(fù)荷，此時(shí)由于離合器自動(dòng)打滑，可避免傳動(dòng)系零件超載損壞，起保護(hù)作用。
1.3.2 現(xiàn)代汽車離合器應(yīng)滿足的要求
根據(jù)離合器的功用，它應(yīng)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(dòng)機(jī)的最大扭矩。為此，離合器的摩擦力矩（）應(yīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)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?jīng)_撞或抖動(dòng)；
（3）分離迅速、徹底。換檔時(shí)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(huì)使換檔困難，引起齒輪的沖擊響聲；
（4）從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。離合器分離時(shí)，和變速器主動(dòng)齒輪相連接的質(zhì)量就只有離合器的從動(dòng)盤。減小從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，換檔時(shí)的沖擊即降低；
（5）具有吸收振動(dòng)、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(shù)下降而打滑；
（7）操縱輕便，以減少駕駛員的疲勞。尤其是對(duì)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(nèi)，要能通過調(diào)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(dòng)部分、從動(dòng)部分組成、壓緊機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)四部分組成。
離合器在接合狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩自曲軸傳出，通過飛輪2和壓盤借摩擦作用傳給從動(dòng)盤3，在通過從動(dòng)軸傳給變速器。當(dāng)駕駛員踩下踏板時(shí)，通過拉桿，分離叉、分離套筒和分離軸承8，將分離杠桿的內(nèi)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(diǎn)，而外端與壓盤連接，所以能克服壓緊彈簧的力量拉動(dòng)壓盤向左，這樣，從動(dòng)盤3兩面的壓力消失，因而摩擦力消失，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就不再傳入變速器，離合器處于分離狀態(tài)。當(dāng)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(shí)壓緊彈簧就推動(dòng)壓盤向右，仍將從動(dòng)盤3壓緊在飛輪上2，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩又傳入變速器。
1-軸承 2-飛輪 3-從動(dòng)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(diǎn)
與推式相比，拉式膜片彈簧離合器具有許多優(yōu)點(diǎn)：取消了中間支承各零件，并不用支承環(huán)或只用一個(gè)支承環(huán)，使其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、緊湊，零件數(shù)目更少，質(zhì)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(zhuǎn)矩的能力，且并不增大踏板力，在傳遞相同的轉(zhuǎn)矩時(shí)，可采用尺寸較小的結(jié)構(gòu)；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(dòng)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(jié)構(gòu)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(huì)形成間隙而增大踏板自由行程，不會(huì)產(chǎn)生沖擊和哭聲；使用壽命更長(zhǎng)。
1.4 設(shè)計(jì)的預(yù)期成果
本次設(shè)計(jì)，我將取得如下成果：1、設(shè)計(jì)說明書：（1）離合器各零件的結(jié)構(gòu)；（2）離合器主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化；（3）膜片彈簧的計(jì)算與優(yōu)化；（4）扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)；（5）離合器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。2、圖紙有：扭轉(zhuǎn)減振器、摩擦片、膜片彈簧、從動(dòng)盤、軸、壓盤、離合器總成。
第2章 離合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了達(dá)到計(jì)劃書所給的數(shù)據(jù)要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)車型的類別、使用要求、制造條件，以及“系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化”的要求等，合理選擇離合器結(jié)構(gòu)。
2.1 離合器結(jié)構(gòu)選擇與論證
2.1.1 摩擦片的選擇
單片離合器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，散熱良好，維修調(diào)整方便，從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在使用時(shí)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(shè)計(jì)選擇單片離合器。摩擦片數(shù)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(diǎn)是用一個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)[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(nèi)能保證大致不變，從而使離合器在使用中能保持其傳遞轉(zhuǎn)矩的能力不變。當(dāng)離合器分離時(shí)，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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，軸向尺寸小，零件數(shù)目少，質(zhì)量?。?
（3）高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)散熱，使用壽命長(zhǎng)；
（6）平衡性好；
（7）有利于大批量生產(chǎn)，降低制造成本。
但膜片彈簧的制造工藝較復(fù)雜，對(duì)材料質(zhì)量和尺寸精度要求高，其非線性特性在生產(chǎn)中不易控制，開口處容易產(chǎn)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(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(tái)—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(nèi)，通過二者的配合，將扭矩從離合器蓋傳到壓盤上，此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多；缺點(diǎn)：壓盤上凸臺(tái)在傳動(dòng)過程中存在滑動(dòng)摩擦，因而接觸部分容易產(chǎn)生分離不徹底。
（2）徑向傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)的方式較上一種在結(jié)構(gòu)上稍顯復(fù)雜一些，但它沒有相對(duì)滑動(dòng)部分，因而不存在磨損，同時(shí)踏板力也需要的小一些，操縱方便；另外，工作時(shí)壓盤和離合器蓋徑向相對(duì)位置不發(fā)生變化，因此離合器蓋等旋轉(zhuǎn)物件不會(huì)失去平衡而產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲。
（3） 徑向傳動(dòng)片驅(qū)動(dòng)方式：它用彈簧鋼制的傳動(dòng)片將壓盤與離合器蓋連接在一起，除傳動(dòng)片的布置方向是沿壓盤的弦向布置外，其他的結(jié)構(gòu)特征都與徑向傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式相同。經(jīng)比較，我選擇徑向傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dān)，其作用是通過分離軸承克服離合器彈簧的推力并推動(dòng)壓盤移動(dòng)，從而使壓盤與從動(dòng)盤和從動(dòng)盤與飛輪相互分離，截?cái)鄤?dòng)力的傳遞，分離杠桿要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受反復(fù)作用在其上面的彎曲應(yīng)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(dǎo)向套作軸向移動(dòng)，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)選用的是油封軸承，它可以將潤(rùn)滑脂密封在軸承殼內(nèi)，使用中不需要增加潤(rùn)滑，相比供油式軸承則需增加。
2.1.5 離合器的散熱通風(fēng)
試驗(yàn)表明，摩擦片的磨損是隨壓盤溫度的升高而增大的，當(dāng)壓盤工作表面超過°C時(shí)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(shí)溫度一般在°C以下。在特別頻繁的使用下，壓盤表面的瞬時(shí)溫度有可能達(dá)到。過高的溫度能使壓盤受壓變形產(chǎn)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(zhì)量以保證足夠的熱容量外，還要求散熱通風(fēng)好。改善離合器散熱通風(fēng)結(jié)構(gòu)的措施有：在壓盤上設(shè)散熱筋，或鼓風(fēng)筋；在離合器中間壓盤內(nèi)鑄通風(fēng)槽；將離合器蓋和壓桿制成特殊的葉輪形狀，用以鼓風(fēng)；在離合器外殼內(nèi)裝導(dǎo)流罩。膜片彈簧式離合器本身構(gòu)造能良好實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱效果，故不需作另外設(shè)置。
2.1.6 從動(dòng)盤總成
從動(dòng)盤總成由摩擦片，從動(dòng)片，減震器和從動(dòng)盤穀等組成。它雖然對(duì)離合器工作性能影響很大的構(gòu)件，但是其工作壽命薄弱，因此在結(jié)構(gòu)和材料上的選擇是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。從動(dòng)盤總成應(yīng)滿足如下設(shè)計(jì)要求：
（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，以減小變速器換檔時(shí)輪齒簡(jiǎn)單沖擊；
（2）應(yīng)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(yīng)裝扭轉(zhuǎn)減振器，以避免傳動(dòng)系共振，并緩和沖擊。
1、摩擦片要求
摩擦系數(shù)穩(wěn)定、工作溫度、單位壓力的變化對(duì)其影響要小，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性；熱穩(wěn)定性好，磨合性好，密度??；有利于結(jié)合平順，長(zhǎng)期停放離合器摩擦片不會(huì)粘著現(xiàn)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(jié)劑（樹脂或硅膠）和特種添加劑熱壓制成，其摩擦系數(shù)為0.25～0.3，密度小，價(jià)格便宜，多年來在汽車離合器上使用效果良好。同時(shí)，摩擦片從動(dòng)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(dòng)鋼片上裝波形彈簧片以獲得軸向彈性。
2、從動(dòng)盤的軸向彈性
從動(dòng)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(dòng)盤有軸向彈性，單獨(dú)制造扇形波狀彈簧與從動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適宜高速旋轉(zhuǎn)，且彈簧對(duì)置分布，彈性好。因此設(shè)計(jì)中選用此類彈簧。
3、扭轉(zhuǎn)減震器
扭轉(zhuǎn)減震器幾乎是現(xiàn)代汽車離合器從動(dòng)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(dòng)系的首端扭轉(zhuǎn)剛度，從而降低傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩主諧量激勵(lì)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(huì)時(shí)刻變化。當(dāng)由于路面不平引起的激力頻率與傳動(dòng)系的某階自振頻率重合時(shí)，也會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。阻尼元件則可有效的耗散此時(shí)的振動(dòng)能量，因而扭轉(zhuǎn)減震器可有效地降低傳動(dòng)系共振載荷與噪聲。
扭轉(zhuǎn)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(diǎn)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(yīng)力，其阻尼力矩比較穩(wěn)定。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩實(shí)際上是通過一些彈性元件傳遞到傳動(dòng)系的。
摩擦式扭轉(zhuǎn)減震器工作原理：離合器工作時(shí)，扭矩從摩擦片傳給從動(dòng)鋼片再傳給從動(dòng)盤轂，此時(shí)彈簧被壓縮，從動(dòng)鋼片相對(duì)從動(dòng)盤轂前移（從動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)
在進(jìn)行離合器的具體設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)保證傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)置分布鉚接在從動(dòng)鋼片上，并在從動(dòng)盤上設(shè)置扭轉(zhuǎn)減震器保證離合器接合柔和，摩擦片制成一定錐度（從動(dòng)盤錐形量約為0.5mm）使其大端面向飛輪，這樣從動(dòng)盤轂在從動(dòng)軸（即變速器第一軸）花鍵上易于滑動(dòng)，有利于離合器徹底分離。
（2）離合器主動(dòng)部分與從動(dòng)部分的連接和支撐形式，離合器的主動(dòng)部分包括飛輪，離合器蓋與他們一起轉(zhuǎn)動(dòng)并能軸向移動(dòng)的壓盤，壓盤通過鋼片與離合器蓋相連，離合器從動(dòng)部分有從動(dòng)盤，從動(dòng)軸，從動(dòng)軸裝在飛輪與壓盤之間，可在從動(dòng)軸花鍵上滑動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)把離合器從動(dòng)軸的前軸承安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的中心孔內(nèi)。
（3）離合器從動(dòng)軸的軸向定位及軸承潤(rùn)滑，離合器從動(dòng)軸在安裝后應(yīng)保持軸向定位，在拆卸時(shí)便于離合器中抽出來。因此，設(shè)計(jì)時(shí)使從動(dòng)軸前軸承外圓與飛輪為過渡配合，而前軸承內(nèi)圈與從動(dòng)軸為間隙配合，離合器的從動(dòng)軸軸向定位是靠從動(dòng)軸后軸承來保證的。離合器分離軸承靠注入黃油潤(rùn)滑的，而從動(dòng)軸前軸承靠油杯定期注入潤(rùn)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(yùn)動(dòng)零件的限位，離合器處于接合時(shí)為使壓盤與摩擦片很好接合，應(yīng)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(shí)，應(yīng)對(duì)踏板的最大行程加以限制。
2.3 離合器主要零件的設(shè)計(jì)
2.3.1 從動(dòng)盤
扇形波狀彈簧兩兩對(duì)置鉚接與從動(dòng)鋼片上，兩側(cè)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(dòng)盤本體采用45號(hào)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(dòng)盤本體上設(shè)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(shù)穩(wěn)定，工作溫度，滑磨速度，單位壓力的變化對(duì)其影響；
（2）具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，熱穩(wěn)定性好；
（3）有利于接合平順；4.長(zhǎng)期停放離合器摩擦面會(huì)發(fā)生粘著現(xiàn)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(jié)劑和特種添加劑熱壓而成，其摩擦系數(shù)為。石棉基摩擦材料密度小，工作溫度小于180℃，價(jià)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(zhì)高精質(zhì)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(duì)膜片彈簧進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得具有高抗疲勞能力的回火索氏體。要防止膜片內(nèi)緣離開，同時(shí)對(duì)膜片彈簧進(jìn)行強(qiáng)壓處理（將彈簧壓平并保持小時(shí)），使其高壓力區(qū)產(chǎn)生塑性變形以產(chǎn)生殘余反向應(yīng)力，對(duì)膜片彈簧的凹表面進(jìn)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(shí)，為提高分離指的耐磨性，對(duì)其進(jìn)行局部高頻淬火式鍍鉻。采用乳白鍍鉻，若膜片彈簧許用應(yīng)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(zhì)量和剛度，以保證足夠的熱容量和防止溫度升高而產(chǎn)生的彎曲變形。壓盤應(yīng)與飛輪保持良好的對(duì)中，并進(jìn)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(diǎn)到摩擦面的距離）公差要小，支撐環(huán)和支撐鉚釘?shù)陌惭b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(shí)，如果分離軸承與曲軸中心線不同心，可引起鉚釘?shù)倪^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?shù)倪^度。提高鉚釘硬度的套筒和支承圈是提高耐磨性的結(jié)構(gòu)措施，采用10鋼材材料、HRc40-50。
2.4 本章小結(jié)
本章系統(tǒng)介紹了膜片彈簧離合器的結(jié)構(gòu)，并講述了離合器各零件的結(jié)構(gòu)和材料，以及各部分的連接關(guān)系，為下章離合器的計(jì)算打下基礎(chǔ)。
第3章 離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算及說明
3.1 離合器設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)
表3.1 離合器原始數(shù)據(jù)
汽車的驅(qū)動(dòng)形式
4×2
汽車最大加載質(zhì)量
2000 kg
汽車的質(zhì)量
4325 kg
發(fā)動(dòng)機(jī)位置
前置
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率
75KW
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速
4500r/min
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩
≥170N.m
離合器形式
機(jī)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(shí)速
≥110 km/h
3.2 摩擦片主要參數(shù)的選擇
采用單片摩擦離合器是利用摩擦來傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的，為保證可靠度，離合器靜摩擦力矩應(yīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩
摩擦片的靜壓力：
（3.1）
（
式中：離合器后備系數(shù)（）
發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)β是離合器的重要參數(shù)，反映離合器傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩的可靠程度，選擇β時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)系過載。通常轎車和輕型貨車β=1.2～1.75。結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)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(shù)的取值范圍
車型
后備系數(shù)β
乘用車及最大總質(zhì)量小于6t的商用車
1.20～1.75
最大總質(zhì)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(shù)，取值見表3.3 取 得D=221.11mm。
表3.3 直徑系數(shù)的取值范圍
車型
直徑系數(shù)
乘用車
14.6
最大總質(zhì)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)如下表(部分):
表3.4 離合器摩擦片尺寸系列和參數(shù)
外徑D\mm
160
180
200
225
250
280
300
325
內(nèi)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(shù)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。可由表3.5查得：
摩擦面數(shù)Z為離合器從動(dòng)盤數(shù)的兩倍，決定于離合器所需傳遞轉(zhuǎn)矩的大小及其結(jié)構(gòu)尺寸。本題目設(shè)計(jì)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(shí)，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(nèi)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(shù)的取值范圍
摩擦材料
摩擦因數(shù)
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(lián)立得：
（3.5） 代入數(shù)據(jù)得：?jiǎn)挝粔毫Pa。
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(shù)的優(yōu)化
（1）摩擦片外徑D（mm）的選取應(yīng)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(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速(r/min)。
（2）摩擦片的內(nèi)、外徑比應(yīng)在0.53～0.70范圍內(nèi)，即
（3）為了保證離合器可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并防止傳動(dòng)系過載，不同車型的β值應(yīng)在一定范圍內(nèi)，最大范圍為1.2～4.0。
（4）為了保證扭轉(zhuǎn)減振器的安裝，摩擦片內(nèi)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(zhuǎn)矩并保護(hù)過載的能力，單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于其許用值，即
（3.7）式中，為單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩(N.m/mm2)，可按表3.6選取
經(jīng)檢查,合格。
表3.7 單位摩擦面積傳遞轉(zhuǎn)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(shí)的熱負(fù)荷，防止摩擦片損傷，對(duì)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(yīng)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(duì)于乘用車：J/mm2，對(duì)于最大總質(zhì)量小于6.0t的商用車：J/mm2，對(duì)于最大總質(zhì)量大于6.0t商用車：J/mm2：W為汽車起步時(shí)離合器接合一次所產(chǎn)生的總滑磨功（J），可根據(jù)下式計(jì)算
（3.9）
式中，為汽車總質(zhì)量(Kg)；為輪胎滾動(dòng)半徑（m）；為汽車起步時(shí)所用變速器擋位的傳動(dòng)比；為主減速器傳動(dòng)比；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/min，計(jì)算時(shí)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(duì)單片離合器壓盤；，為壓盤的質(zhì)量Kg
代入，°C，合格。
3.4 膜片彈簧主要參數(shù)的選擇
1. 比較H/h的選擇
此值對(duì)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(shù)關(guān)系可知，當(dāng)時(shí)，F(xiàn)2為增函數(shù)；時(shí)，F(xiàn)1有一極值，而該極值點(diǎn)又恰為拐點(diǎn)；時(shí)，F(xiàn)1有一極大值和極小值；當(dāng)時(shí)，F(xiàn)1極小值在橫坐標(biāo)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(nèi)選取。常用的膜片彈簧板厚為2～4mm，本設(shè)計(jì) ，h=3mm ，則H=6mm 。
2. R/r選擇
通過分析表明，R/r越小，應(yīng)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(jù)結(jié)構(gòu)布置和壓緊力的要求，R/r常在1.2～1.3 的范圍內(nèi)取值。本設(shè)計(jì)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(shí)，圓錐底角α一般在°范圍內(nèi)，本設(shè)計(jì)中 得°在°之間，合格。分離指數(shù)常取為18，大尺寸膜片彈簧有取24的，對(duì)于小尺寸膜片彈簧，也有取12的，本設(shè)計(jì)所取分離指數(shù)為18。
4.切槽寬度
mm，mm，取mm，mm，應(yīng)滿足的要求。
5. 壓盤加載點(diǎn)半徑和支承環(huán)加載點(diǎn)半徑的確定
應(yīng)略大于且盡量接近r，應(yīng)略小于R且盡量接近R。本設(shè)計(jì)取mm，mm。膜片彈簧應(yīng)用優(yōu)質(zhì)高精度鋼板制成，其碟簧部分的尺寸精度要高。國(guó)內(nèi)常用的碟簧材料的為60SizMnA，當(dāng)量應(yīng)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(diǎn)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(shè)計(jì)
（1）為了滿足離合器使用性能的要求，彈簧的與初始錐角應(yīng)在一定范圍內(nèi)，即
（2）彈簧各部分有關(guān)尺寸的比值應(yīng)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(diǎn)半徑（或拉式膜片彈簧的壓盤加載點(diǎn)半徑）應(yīng)位于摩擦片的平均半徑與外半徑之間，即
推式：
拉式：
（4）根據(jù)彈簧結(jié)構(gòu)布置要求，與，與之差應(yīng)在一定范圍內(nèi)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(yīng)在一定范圍內(nèi)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(guān)系
碟形彈簧的形狀如以錐型墊片，見圖3.2，它具有獨(dú)特的彈性特征，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)中。膜片彈簧是具有特殊結(jié)構(gòu)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(dāng)加載點(diǎn)相同時(shí)）。因此，碟形彈簧有關(guān)設(shè)計(jì)公式對(duì)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(diǎn)處，用F1表示，加載點(diǎn)間的相對(duì)變形（軸向）為λ1，則壓緊力F1與變形λ1之間的關(guān)系式為:
（3.10）
式中： E——彈性模量，對(duì)于鋼，
μ——泊松比，對(duì)于鋼，μ=0.3
H——膜片彈簧在自由狀態(tài)時(shí)，其碟簧部分的內(nèi)錐高度
h——彈簧鋼板厚度
R——彈簧自由狀態(tài)時(shí)碟簧部分的大端半徑
r——彈簧自由狀態(tài)時(shí)碟簧部分的小端半徑
R1——壓盤加載點(diǎn)半徑
r1——支承環(huán)加載點(diǎn)半徑
圖3.2 膜片彈簧的尺寸簡(jiǎn)圖
表3.8 膜片彈簧彈性特性所用到的系數(shù)
R
r
R1
r1
H
h
118
94
116
96
6
3
代入（3.10）得
（3.11）
對(duì)（3.11）式求一次導(dǎo)數(shù)，可解出λ1=F1的凹凸點(diǎn)，求二次導(dǎo)數(shù)可得拐點(diǎn)。
凸點(diǎn)：mm時(shí)，N
凹點(diǎn)：mm時(shí)，N
拐點(diǎn)：mm時(shí)，N
2、當(dāng)離合器分離時(shí)，膜片彈簧加載點(diǎn)發(fā)生變化。設(shè)分離軸承對(duì)膜片彈簧指所加的載荷為F2，對(duì)應(yīng)此載荷作用點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)據(jù)
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(diǎn)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(diǎn)H對(duì)應(yīng)著膜片彈簧壓平位置，而。新離合器在接合狀態(tài)時(shí)，膜片彈簧工作點(diǎn)B一般取在凸點(diǎn)M和拐點(diǎn)H之間，且靠近或在H點(diǎn)處，一般,以保證摩擦片在最大磨損限度Δλ范圍內(nèi)壓緊力從F1B到F1A變化不大。當(dāng)分離時(shí)，膜片彈簧工作點(diǎn)從B變到C ，為最大限度地減小踏板力，C點(diǎn)應(yīng)盡量靠近N點(diǎn)。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(shù)的下降，摩擦片磨損后彈簧工作壓緊力應(yīng)大于或等于新摩擦片時(shí)的壓緊力，見圖3.3。3.7膜片彈簧的應(yīng)力計(jì)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(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3.4）。斷面在O點(diǎn)沿圓周方向的切向應(yīng)變?yōu)榱悖试擖c(diǎn)的切向應(yīng)力為零，O點(diǎn)以外的點(diǎn)均存在切向應(yīng)變和切向應(yīng)力。現(xiàn)選定坐標(biāo)于子午斷面，使坐標(biāo)原點(diǎn)位于中性點(diǎn)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(diǎn)的切向應(yīng)力為：
（3.14）
圖3.3 膜片彈簧工作點(diǎn)位置
式中 φ——碟簧部分子午斷面的轉(zhuǎn)角（從自由狀態(tài)算起）
α——碟簧部分子有狀態(tài)時(shí)的圓錐底角
e ——碟簧部分子午斷面內(nèi)中性點(diǎn)的半徑
e=（R-r）/In(R/r) （3.15）為了分析斷面中斷向應(yīng)力的分布規(guī)律，將（3.14）式寫成Y與X軸的關(guān)系式：
（3.16）
圖3.4 切向應(yīng)力在子午斷面的分布
由上式可知，當(dāng)膜片彈簧變形位置φ一定時(shí)，一定的切向應(yīng)力αt在X-Y坐標(biāo)系里呈線性分布。
當(dāng)時(shí)，因?yàn)榈闹岛苄?，我們可以將看成，由上式可寫成。此式表明，?duì)于一定的零應(yīng)力分布在中性點(diǎn)O而與X軸承角的直線上。從式（3.16）可以看出當(dāng)時(shí)無論取任何值，都有。顯然，零應(yīng)力直線為K點(diǎn)與O點(diǎn)的連線，在零應(yīng)力直線內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力區(qū)，外側(cè)位拉應(yīng)力區(qū)，等應(yīng)力直線離應(yīng)力直線越遠(yuǎn)，其應(yīng)力越高。由此可知，碟簧部分內(nèi)緣點(diǎn)B處切向壓應(yīng)力最大，A處切向拉應(yīng)力最大，分析表明，B點(diǎn)的切向應(yīng)力最大，計(jì)算膜片彈簧的應(yīng)力只需校核B處應(yīng)力就可以了，將B點(diǎn)的坐標(biāo)X=（e-r）和Y=h/2 代入（3.17）式有：
（3.17）
令可以求出切向壓應(yīng)力達(dá)極大值的轉(zhuǎn)角
由于： mm
所以： ，N/mm2
B點(diǎn)作為分離指根部的一點(diǎn)，在分離軸承推力F2作用下還受有彎曲應(yīng)力：
（3.18）
式中 n——分離指數(shù)目 n=18
br——單個(gè)分離指的根部寬
mm
因此： N/mm2
由于σrB是與切向壓應(yīng)力σtB垂直的拉應(yīng)力，所以根據(jù)最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論，B點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力為：
N/mm2
N/mm2
膜片彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)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(jīng)過以下工藝：先對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得到具有較高抗疲勞能力的回火索氏體，對(duì)膜片彈簧進(jìn)行強(qiáng)壓處理（將彈簧壓平并保持12～14h），使其高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生塑性變形以產(chǎn)生殘余反向應(yīng)力，對(duì)膜片彈簧的凹表面進(jìn)行噴丸處理，提高彈簧疲勞壽命，對(duì)分離指進(jìn)行局部高頻淬火或鍍鋁，以提高其耐磨性。
故膜片彈簧和當(dāng)量應(yīng)力不超出允許應(yīng)力范圍，所以用設(shè)數(shù)據(jù)合適。
3.8 扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計(jì)
減震器極轉(zhuǎn)矩 N·m
摩擦轉(zhuǎn)矩 N·m
預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 N·m
極限轉(zhuǎn)角 °
扭轉(zhuǎn)角剛度 N·m/rad
詳細(xì)見圖3.5。
3.9 減振彈簧的設(shè)計(jì)
1．減振彈簧的安裝位置
，
結(jié)合mm，得取49mm，則。
2．全部減振彈簧總的工作負(fù)荷
N
3．單個(gè)減振彈簧的工作負(fù)荷
N
式中Z為減振彈簧的個(gè)數(shù)，按表3.9選擇：
取Z=6
表3.10 減振彈簧個(gè)數(shù)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(zhuǎn)減振器
4．減振彈簧尺寸
（1）選擇材料，計(jì)算許用應(yīng)力
根據(jù)《機(jī)械原理與設(shè)計(jì)》(機(jī)械工業(yè)出版社)采用65Mn彈簧鋼絲， 設(shè)彈簧絲直徑mm,MPa,MPa。
（2）選擇旋繞比，計(jì)算曲度系數(shù)
根據(jù)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(shù)
（3）強(qiáng)度計(jì)算
mm，與原來的d接近，合格。
中徑 mm；外徑 mm
（4）極限轉(zhuǎn)角°取 °，則mm
（5）剛度計(jì)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(shù)
取，總?cè)?shù)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(yù)緊變形量
mm
（10）減振彈簧的安裝高度
mm
（11）定位鉚釘?shù)陌惭b位置
取mm，則°，mm，mm，，合格。
3.10 操縱機(jī)構(gòu)
汽車離合器操縱機(jī)構(gòu)是駕駛員用來控制離合器分離又使之柔和接合的一套機(jī)構(gòu)。它始于離合器踏板，終止于離合器殼內(nèi)的分離軸承。由于離合器使用頻繁，因此離合器操縱機(jī)構(gòu)首先要求操作輕便。輕便性包括兩個(gè)方面，一是加在離合器踏板上的力不應(yīng)過大，另一方面是應(yīng)有踏板形成的校正機(jī)構(gòu)。離合器操縱機(jī)構(gòu)按分離時(shí)所需的能源不同可分為機(jī)械式、液壓式、彈簧助力式、氣壓助力機(jī)械式、氣壓助力液壓式等等。
離合器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足的要求是[3]：
（1）踏板力要小，轎車一般在80～150N范圍內(nèi)，貨車不大于150～200N；
（2）踏板行程對(duì)轎車一般在mm范圍內(nèi)，對(duì)貨車最大不超過180mm；
（3）踏板行程應(yīng)能調(diào)整，以保證摩擦片磨損后分離軸承的自由行程可復(fù)原；
（4）應(yīng)有對(duì)踏板行程進(jìn)行限位的裝置，以防止操縱機(jī)構(gòu)因受力過大而損壞；
（5）應(yīng)具有足夠的剛度；
（6）傳動(dòng)效率要高；
（7）發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及車架和駕駛室的變形不會(huì)影響其正常工作。
機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)有杠系傳動(dòng)和繩索系兩種傳動(dòng)形式，杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但是機(jī)械效率低，質(zhì)量大，車架和駕駛室的形變可影響其正常工作，遠(yuǎn)距離操縱桿系，布置困難，而繩索傳動(dòng)可消除上述缺點(diǎn)，但壽命短，機(jī)構(gòu)效率不高。
本次設(shè)計(jì)的普通輪型離合器操縱機(jī)構(gòu)，采用液壓式操縱機(jī)構(gòu)。液壓操縱機(jī)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）液壓式操縱，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率高，質(zhì)量小，布置方便；便于采用吊掛踏板，從而容易密封，不會(huì)因駕駛室和車架的變形及發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)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(dòng)系產(chǎn)生的動(dòng)載荷，正由于液壓式操縱有以上的優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用日益廣泛，離合器液壓操縱機(jī)構(gòu)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(jì)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(shù)；為離合器分離時(shí)對(duì)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(jī)構(gòu)示意圖
3.10.2踏板力的計(jì)算
踏板力為
（3.20）
式中，為離合器分離時(shí)，壓緊彈簧對(duì)壓盤的總壓力；為操縱機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比，；為機(jī)械效率，液壓式：%，機(jī)械式：%；為克服回位彈簧1、2的拉力所需的踏板力，在初步設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)軸的計(jì)算
1．選材
40Cr調(diào)質(zhì)鋼可用于載荷較大而無很大沖擊的重要軸，初選40Cr調(diào)質(zhì) 。
2．確定軸的直徑
式中，A為由材料與受載情況決定的系數(shù)，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(zhuǎn)速，r/min，則
mm，取mm。
3.12 從動(dòng)盤轂
從動(dòng)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(dòng)機(jī)傳來的全部轉(zhuǎn)矩。它一般采用齒側(cè)對(duì)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(jù)摩擦片的外徑D與發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩由表3.12選取：
一般取1.0～1.4倍的花鍵軸直徑。從動(dòng)盤轂一般采用碳鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，表面和心部硬度一般26～32HRC。為提高花鍵內(nèi)孔表面硬度和耐磨性，可采用鍍鉻工藝；對(duì)減振彈簧窗口及與從動(dòng)片配合處，應(yīng)進(jìn)行高頻處理。取，mm，mm，mm，mm，MPa。
驗(yàn)證：擠壓應(yīng)力的計(jì)算公式為：
式中，P為花鍵的齒側(cè)面壓力，它由下式確定：
從動(dòng)盤轂軸向長(zhǎng)度不宜過小，以免在花鍵軸上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生偏斜而使分離不徹底，
，分別為花鍵的內(nèi)外徑；
Z為從動(dòng)盤轂的數(shù)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(yīng)力
/MPa
齒數(shù)
n
外徑
/mm
內(nèi)徑
/mm
齒厚
/mm
有效齒長(zhǎng)
/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(jì)算
分離軸承的參數(shù)
表3.14 分離軸承參數(shù)表
型號(hào)
Cr
ε
n
7014C
48.2KN
1.2
3
4500r/min
則由下式：
得：
h
3.14 本章小結(jié)
本章講述了離合器的計(jì)算，包括摩擦片主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化、膜片彈簧主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化、通過膜片彈簧載荷與變形的關(guān)系計(jì)算離合器的壓緊力與膜片彈簧的應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)減振器與減振彈簧的計(jì)算、操縱機(jī)構(gòu)與輸出軸的計(jì)算、選取從動(dòng)盤轂，最后計(jì)算分離軸承的壽命。本章所用原始數(shù)據(jù)為CA1040貨車的數(shù)據(jù)。
結(jié) 論
通過以上對(duì)膜片彈簧離合器及液壓操縱機(jī)構(gòu)的工作原理的闡述及各構(gòu)件的計(jì)算說明，可以看出離合器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要從選材，尺寸約束，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，駕駛員操作等各方面的綜合考慮。
計(jì)算方面：離合器的主要參數(shù)β，P0,D,d，結(jié)果按照基本公式運(yùn)算得出并通過約束條件，檢驗(yàn)合格。操縱機(jī)構(gòu)自由行程符合規(guī)格，總行程131mm<180mm符合標(biāo)準(zhǔn)條件，在此前提下同時(shí)也保證了機(jī)件具有足夠的剛度，在有外部壓力的情況下不會(huì)輕易變形。設(shè)計(jì)所得尺寸既符合工作機(jī)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(qiáng)度和耐磨性、熱穩(wěn)定性、磨合性，不會(huì)發(fā)生粘著現(xiàn)象。扭轉(zhuǎn)減振器中的扭轉(zhuǎn)彈簧選用65Si2MnA，其中所含硅成分提高了機(jī)件的彈性，所含錳，加強(qiáng)了耐高溫性；設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，數(shù)據(jù)全部通過約束條件檢驗(yàn)，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(dòng)機(jī)扭矩，完全符合計(jì)劃書及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但是，我的設(shè)計(jì)中仍存在大量的錯(cuò)誤和缺點(diǎn)，如加工精度問題等等。
對(duì)于我在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，希望廣大讀者和專家批評(píng)指正。
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成除了自己付出的汗水外，還有指導(dǎo)老師的辛勤教誨。在這里我要特別感謝趙強(qiáng)老師，謝謝他們?cè)诎倜χ袑?duì)我的指正和教導(dǎo)，也因此使我在設(shè)計(jì)后的學(xué)習(xí)與人生的道路上向著更高更深層次地方向前進(jìn)！
趙強(qiáng)老師知識(shí)淵博、平易近人經(jīng)常利用休息時(shí)間為我指導(dǎo)。我在畫圖方面基礎(chǔ)很差，趙老師仔細(xì)審閱我的CAD圖紙，指出一系列的問題，使我的圖紙得到完善，再次向趙老師表示衷心的感謝。
齊曉杰老師和蘇清源老師為我指出許多關(guān)于CAD錯(cuò)誤。在此，向齊老師和蘇老師表示感謝。
方彬、李紹輝、許雨濤等同學(xué)以及同組的劉飛同學(xué)也給我許多幫助，在這里，一并感謝。
實(shí)驗(yàn)室免費(fèi)開放，為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供實(shí)物和模型。在此，向?qū)嶒?yàn)室老師表示感謝。
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