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1、汽车离合器膜片弹簧的设计分析摘要：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。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设计工作。设计参照长安轿车膜片弹簧离合器的相关数据，在满足工作性能的前提下，通过A-L 法进行膜片弹簧的结构设计，然后根据设计尺寸运用 PRO/E 软件建立实体模型，利用ANSYS分析软件完成膜片弹簧的有限元强度分析并与理论分析结果进行比较。关键词：膜片弹簧,设计,特性曲线 Analysis and designof automo
2、bile clutch diaphragm springAbstract: The clutch is an important component in the transmission of a car, whose main function is to guarantee the smooth start of the car and steady run when the transmission has a gear change. Among various clutches, the work demand is almost all met through separatio
3、n and connection of the driving disc and driven disc. Due to the unique nonlinear characteristic, simple structure and stable operation, the diaphragm spring clutch has wide applications. So, taking automobile-used clutch diaphragm spring as the goal, this article mainly accomplishes the research on
4、 the optimal design of its mechanical properties. Through confirming the corresponding restraint conditions, the corresponding mathematical model has been established, which is then optimized by software. Design uses PRO/E software to analyze the board shell model and the solid model, so as to calcu
5、late compaction strength distortion characteristic curve and compare with the theoretical results to analyze the causes of differences. Also, the reason why Almen-Laszlo formula still has wide use in design practice has been pointed out. Keyword: Diaphragm spring, Optimization design, Characteristic
6、 curve 目 录1 绪 论.11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外汽车离合器的发展现状31.2.1 国内汽车离合器与膜片弹簧技术的发展31.2.2 国外离合器与膜片弹簧技术的发展41.3 本文主要研究的内容52 膜片弹簧离合器.62.1 膜片弹簧离合器的总体构成62.2 膜片弹簧离合器的工作原理92.3 膜片弹簧的特点92.3.1 膜片弹簧的工作状态93 离合器膜片弹簧设计参数113.1离合器基本性能关系式113.2摩擦片外径D与内径d113.3 离合器后备系数的确定133.4 单位压力P的确定133.5 离合器基本参数的约束条件154 膜片弹簧设计164.1 膜片弹簧主要参数的选
7、择164.1.1 H/h选择164.1.2 选择164.1.3 圆锥底角164.1.4膜片弹簧工作位置的选择：164.1.5分离指数目的选取174.1.6 切槽宽度174.1.7膜片弹簧小端内半径确定184.1.8压盘加载点半径和支承环加载点半径的确定184.1.9 检验所得尺寸是否符合设计的约束条件204.2膜片弹簧强度计算与校核214.3膜片弹簧的制造工艺及热处理225膜片弹簧设计结果有限元分析235.1 膜片弹簧的有限元分析过程及结果24总结31参考文献.32致谢33II1 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,离合器是汽车传动系中的重要组成部分。它是汽
8、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 1.1）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。相比螺旋弹簧合器，它结构
9、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 1.2）、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。 图1.1 膜片弹簧 图 1.2 膜片弹簧与螺旋弹簧的特性曲线对比 1、螺旋弹簧 2、膜片弹簧膜片弹簧有以下几个优点：（1）由于膜片弹簧有理想的非线性特征,弹簧压力在摩擦片磨损范围内能保证大致不变，从而使离合器在使用中能保持其传递转矩的能力不变。当离合器分离时，弹簧压力不像圆柱弹簧那样升高，而是降低，从而降低踏板
10、力；（2）膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使结构简单紧凑，轴向尺寸小，零件数目少，质量小；（3）高速旋转时，压紧力降低很少，性能较稳定；而圆柱弹簧压紧力明显下降；（4）由于膜片弹簧大断面环形与压盘接触，故其压力分布均匀，摩擦片磨损均匀，可提高使用寿命；（5）易于实现良好的通风散热，使用寿命长；（6）平衡性好；（7）有利于大批量生产，降低制造成本。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 30 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 1953 年一汽在长春成立后，我国相继成立了南汽、上汽
11、、“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 70 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 AP 公司、德国 FS 公司、美国 BW 公司、法国 VALEO 公司引进具有当代水平的膜片弹簧离合器产品
12、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 AT、CVT、DCT 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
13、簧离合器的品种已经能全面覆盖国内 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 300 马力以上动力配套的 430 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。1.2.2 国外离合器与膜片弹簧技术的发展 1984
14、 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“MARK n”汽车上的，该车装有 ZL-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(CTD)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。1985 年德国宝马公司(BMW)首次将双质量飞轮离合器作为产品装备车辆，该车型为 BMW324D，当时该车被称为“世界上最安静的柴油机”，之后，宝马汽车公司相继在 BMW524TD、BMW525、BMW528E 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 ZF Sachs(zF 萨克斯)公司是著名的跨国
15、车用传动系统生产企业，已有 70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，ZF Sachs 公司致力于行星式双质量飞轮(DMF)离合器和磨损自动补偿离合器(X Tend)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。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。1930 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。1936 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-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
