離合器的設(shè)計輿計算.pdf

機械 CAD 收集整:機械 CAD 收集整: 汽技朮盟：johns_01 汽技朮盟：johns_01 E-mail:johns_01163.com E-mail:johns_01163.com 本資自網(wǎng)絡(luò)僅供考使用，有涉及版權(quán)請信告知刪除處! 本資自網(wǎng)絡(luò)僅供考使用，有涉及版權(quán)請信告知刪除處! 離合器的設(shè)計與計算 一、離合器基本參數(shù)的優(yōu)化 設(shè)計離合器要確定離合器的性能參數(shù)和尺寸參數(shù)， 這些參數(shù)的變化影響離合器的結(jié)構(gòu)尺 寸和工作性能。 1設(shè)計變量 后備系數(shù)夕可由式(2-1)和式(2-5)確定，可以看出取決于離合器工作壓力F和離合器 的主要尺寸參數(shù)D和d。 單位壓力?？捎墒?22)確定，p0也取決于F和D及d。因此，離合器基本參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計 變量選為 TT FDdxxxX 321 = 2目標函數(shù) 離合器基本參數(shù)優(yōu)化設(shè)計追求的目標是在保證離合器性能要求條件下， 使其結(jié)構(gòu)尺寸盡 可能小，即目標函數(shù)為 )( 4 min)( 22 dDxf= 3約束條件 1)摩擦片的外徑D(mm)的選取應(yīng)使最大圓周速度VD不超過6570ms，即 smDnv eD /706510 60 3 max = (2-7) 式中，VD為摩擦片最大圓周速度(ms)；nemax為發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速(rmin)。 2)摩擦片的內(nèi)外徑比c應(yīng)在053070范圍內(nèi)，即 053c070 3)為保證離合器可靠傳遞轉(zhuǎn)矩，并防止傳動系過載，不同車型的值應(yīng)在一定范圍 內(nèi)，最大范圍為1240，即 1240 4)為了保證扭轉(zhuǎn)減振器的安裝，摩擦片內(nèi)徑d必須大于減振器彈簧位置直徑2Ro約 50mm(圖215)，即 d2Ro+50 5)為反映離合器傳遞轉(zhuǎn)矩并保護過載的能力， 單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于其許用值， 即 )( 4 0 22 0C C C T dDZ T T = （2-8） 式中，Tco為單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩(Nmmm2)； TC0為其允許值(Nmmm2)，按表 21選取。 表21 單位摩擦面積傳遞轉(zhuǎn)矩的許用值 (Nmmm2) 離合器規(guī)格 Dmm 210-250 250325 325 Tco X109 028 030 035 040 6)為降低離合器滑磨時的熱負荷，防止摩擦片損傷，單位壓力p。對于不同車型，根據(jù) 所用的摩擦材料在一定范圍內(nèi)選取，最大范圍p。為010150MPa，即 010MPapo150MPa 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，每一 次接合的單位摩擦面積滑磨功應(yīng)小于其許用值，即 )( 4 22 = dDZ W (2-9) 式中，為單位摩擦面積滑磨功(Jmm2)； 為其許用值(Jmm2)，對于轎車： =040Jmm2，對于輕型貨車： =033Jmm2，對于重型貨車： =025J mm2; W為汽車起步時離合器接合一次所產(chǎn)生的總滑磨功(J)，可根據(jù)下式計算 22 0 22 2 1800 g re ii marn W = (2-10) 式中，ma為汽車總質(zhì)量(kg)；rr為輪胎滾動半徑(m)；ig為起步時所用變速器擋位的傳動比； i0為主減速器傳動比；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速(rmin)，計算時轎車取2000rmin，貨車取 1500rmin。 二、膜片彈簧的載荷變形特性 假設(shè)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(zhuǎn)動(圖29)。 通過支承環(huán)和壓盤加在膜片彈簧上的載荷Fl集中在支承點處，加載點間的相對軸向變形為 1，(圖210b)，則有關(guān)系式 ) 2 )( )( )/ln( )1 (6 )( 2 11 1 11 1 11 2 1 11 h rR rR H rR rR H rR rREh fF+ = (2-11) 式中，正為材料的彈性模量，對于鋼：E=21X10 5MPa； 為材料的泊松比，對于鋼：=03；H為膜片彈簧 自由狀態(tài)下碟簧部分的內(nèi)截錐高度；h為膜片彈簧鋼板 厚度；R、r分別為自由狀態(tài)下碟簧部分大、小端半 徑；R1、r1分別為壓盤加載點和支承環(huán)加載點半徑。 離合器分離時，膜片彈簧的加載點發(fā)生變化，見圖 210c。設(shè)分離軸承對分離指端所加載荷為F2，相應(yīng) 作用點變形為2，另外，在分離與壓緊狀態(tài)下，只要 膜片彈簧變形到相同的位置，其子午斷面從自由狀態(tài)也 轉(zhuǎn)過相同的轉(zhuǎn)角，則有如下關(guān)系 圖 2-9 子午斷面繞中性點的轉(zhuǎn)動 1 11 1 2 rR rr f = （2-12） 1 1 11 2 F rr rR F f = （2-13） 式中，門為分離軸承與分離指的接觸半徑。 圖 2-10 膜片彈簧在不同工作狀態(tài)時的變形 a) 自由狀態(tài) b)壓緊狀態(tài) c)分離狀態(tài) 將式(212)和式(213)代人式(211)，即可求得F2與入2的關(guān)系式。同樣將式(212)和 式(213)分別代入式(211)，也可分別得到Fl與入2和F2與入1的關(guān)系式。 如果不計分離指在F2作用下的彎曲變形，則分離軸承推分離指的移動行程入2f(圖2 10c)為 f f f rR rr 1 11 1 2 = （2-14） 式中，入1f為壓盤的分離行程(圖210b、c)。 三、膜片彈簧的強度校核 由前面假設(shè)可知，子午斷面在中性點O處沿圓周方向的切向應(yīng)變?yōu)榱悖试擖c的切向應(yīng) 力為零，O點以外的點均存在切向應(yīng)變和切向應(yīng)力。建立如圖29所示的坐標系，則斷面上 任意點(x，y)的切向應(yīng)力t為 xe yxE t + = )2/( 1 2 (2-15) 式中，為自由狀態(tài)時碟簧部分的圓錐底角；為從自由狀態(tài)起，碟簧子午斷面的轉(zhuǎn)角；e 為中性點半徑，e=(Rr)In(Rr)。 由式(215)知，當一定時，一定的切向應(yīng)力 t 在工xOy坐標系中呈線性分布， 當 t =0時有 xy)2/(= (2-16) 因(2)很小，(2)tan( 2)，則式(216)表明對于一定的，零 應(yīng)力分布在過O點而與x軸成(2)角 的直線上(圖211)。實際上，當x=e時， 無論 t 為何值，均存在)y=(2) e 即對于一定的，等應(yīng)力線都匯交于K點，其 坐標為x=e、y= (2) 。顯然 e 圖 2-11 切相應(yīng)力在子午斷面中的分布 OK為零應(yīng)力直線，其內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力區(qū)，外側(cè)為 圖211 切向應(yīng)力在子午斷面中的分布 拉應(yīng)力區(qū)；等應(yīng)力線越遠離零應(yīng)力線，其應(yīng)力值 越高。由此可見，碟簧部分內(nèi)上緣點B的切向壓應(yīng)力最大。當K點的縱坐標(2) h 2時，A點的切向拉應(yīng)力最大；當( e 2) 2時， Fl= f(1)有一極大值和一極小值；當Hh=2 2時，F(xiàn)l= f(1)的極小值落在橫坐標上。 為保證離合器壓緊力變化不大和操縱輕便， 汽車離合器用膜片彈簧的Hh一般為1 62 2， 板厚丸為24mm。 2比值Rr和R、r的選擇 研究表明，Rr越大，彈簧材料利用率越低，彈簧剛度越大，彈性特性曲線受直徑誤差 影響越大，且應(yīng)力越高。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和壓緊力的要求，Rr一般為120135。為使摩 擦片上壓力分布較均勻，推式膜片彈簧的R值應(yīng)取為大于或等于摩擦片的平均半徑RC，拉式 膜片彈簧的r值宜取為大于或等于Rc。而且，對于同樣的摩擦片尺寸，拉式的R值比推式大。 3的選擇 膜片彈簧自由狀態(tài)下圓錐底角。與內(nèi)截錐高度H關(guān)系密切，=arctanH(Rr) H (Rr)，一般在9 O15O范圍內(nèi)。 4膜片彈簧工作點位置的選擇 膜片彈簧的彈性特性曲線，如圖212所示。該 曲線的拐點H對應(yīng)著膜片彈簧的壓平位置，而且 1H=(1M+1N)2。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1B=(0810)且lH，以保證摩擦片在最大磨損限 度入范圍內(nèi)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點心 盡量靠近N點。 5n的選取 分離指數(shù)目n常取為18，大尺寸膜片彈簧有些 2-12 膜片彈簧的彈性特性曲線 取24，小尺寸膜片彈簧有些取12。 五、膜片彈簧材料及制造工藝 國內(nèi)膜片彈簧一般采用60Si2MnA或50CrVA等優(yōu)質(zhì)高精度鋼板材料。為了保證其硬度、幾 何形狀、金相組織、載荷特性和表面質(zhì)量等要求，需進行一系列熱處理。為了提高膜片彈簧 的承載能力，要對膜片彈簧進行強壓處理，即沿其分離狀態(tài)的工作方向，超過徹底分離點后 繼續(xù)施加過量的位移， 使其過分離38次， 并使其高應(yīng)力區(qū)發(fā)生塑性變形以產(chǎn)生殘余反向應(yīng) 力。一般來說，經(jīng)強壓處理后，在同樣的工作條件下，可提高膜片彈簧的疲勞壽命530 。另外，對膜片彈簧的凹面或雙面進行噴丸處理，即以高速彈丸流噴射到膜片彈簧表面， 使表層產(chǎn)生塑性變形，形成一定厚度的表面強化層，起到冷作硬化的作用，同樣也 可提高疲勞壽命。 為提高分離指的耐磨性， 可對其端部進行高頻感應(yīng)加熱淬火或鍍鉻。 為了防止膜片彈簧 與壓盤接觸圓形處由于拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂紋，可對該處進行擠壓處理，以消除應(yīng)力源。 膜片彈簧表面不得有毛刺、裂紋、劃痕等缺陷。碟簧部分的硬度一般為4550HRC，分 離指端硬度為5562HRC， 在同一片上同一范圍內(nèi)的硬度差不大于3個單位。 碟簧部分應(yīng)為均 勻的回火托氏體和少量的索氏體。單面脫碳層的深度一般不得超過厚度的3。膜片彈簧的 內(nèi)外半徑公差一般為Hil和h11，厚度公差為0025mm，初始底錐角公差為10。上、下 表面的表面粗糙度為16m，底面的平面度一般要求小于01mm。膜片彈簧處于接合狀態(tài) 時，其分離指端的相互高度差一般要求小于0810mm。 六、膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計 膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計就是通過確定一組彈簧的基本參數(shù)， 使其載荷變形特性滿足離合器 的使用性能要求，而且彈簧強度也滿足設(shè)計要求，以達到最佳的綜合效果。 1目標函數(shù) 目前，國內(nèi)關(guān)于膜片彈簧優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)主要有以下幾種： 1)彈簧工作時的最大應(yīng)力為最小。 2)從動盤摩擦片磨損前后彈簧壓緊力之差的絕對值為最小。 3)在分離行程中，駕駛員作用在分離軸承裝置上的分離操縱力平均值為最小。 4)在摩擦片磨損極限范圍內(nèi)，彈簧壓緊力變化的絕對值的平均值為最小。 5)選3)和4)兩個目標函數(shù)為雙目標。 為了既保證離合器使用過程中傳遞轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性， 又不致嚴重過載， 且能保證操縱省力， 選取5)作為目標函數(shù)， 通過兩個目標函數(shù)分配不同權(quán)重來協(xié)調(diào)它們之間的矛盾， 并用轉(zhuǎn)換函 數(shù)將兩個目標合成一個目標，構(gòu)成統(tǒng)一的總目標函數(shù) )()()( 2211 xfxfxf+= （2-21） 式中，l和2分別為兩個目標函數(shù)和的加權(quán)因子，視設(shè)計要求選定。 )( 1 xf)( 2 xf 2設(shè)計變量 從膜片彈簧載荷變形特性公式(211)可以看出，應(yīng)選取H、h、R、r、Rl、r1這六個尺 寸參數(shù)以及在接合工作點相應(yīng)于彈簧工作壓緊力F1B的大端變形量1B(圖212)為優(yōu)化設(shè) 計變量，即 T B T rHhRrRxxxxxxxX 1117654321 = (2-22) 3約束條件 1)應(yīng)保證所設(shè)計的彈簧工作壓緊力F1B與要求壓緊力Fy相等，即 F1B=Fy 2)為了保證各工作點A、月、C有較合適的位置(A點在凸點M左邊，B點在拐點H 附近，C點在凹點N附近，如圖212所示)，應(yīng)正確選擇1B相對于拐點1H的位置，一般 1B1H：0810，即 0 . 1)(8 . 0 11 1 rR rR H B (2-23) 3)為了保證摩擦片磨損后離合器仍能可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩，并考慮到摩擦因數(shù)的下降，摩 擦片磨損后彈簧工作壓緊力F1A應(yīng)大于或等于新摩擦片時的壓緊力FIB，即 F1AFIB 4)為了滿足離合器使用性能的要求，彈簧的Hh與初始底錐角H(Rr)應(yīng)在 一定范圍內(nèi)，即 16Hh22 9 oH(Rr)15o 5)彈簧各部分有關(guān)尺寸比值應(yīng)符合一定的范圍，即 35. 1/20. 1rR 100/270hR 0 . 5/5 . 3 0 rR (2-24) 式中，ro 為膜片彈簧小端內(nèi)半徑，如圖 213 所示。 6)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R1(或拉式膜片彈簧的壓盤加 載點半徑r1)應(yīng)位于摩擦片的平均半徑與外半徑之間， 即 推式：(D十d)4R1D2 拉式：(D十d)4r1D2 7)根據(jù)彈簧結(jié)構(gòu)布置的要求，Rl與R、r1與r、 rf與r0之差應(yīng)在一定范圍內(nèi)，即 1RR17 。 0r1r6 0rfro4 8)膜片彈簧的分離指起分離杠桿作用，因此其杠桿 比應(yīng)在一定范圍內(nèi)選取，即 推式：23 11 1 rR rr f 45 拉式：35 11 1 rR rR f 90 9)為了保證避免彈力衰減要求，彈簧在工作過程中 B點的最大壓應(yīng)力 maxtB 。應(yīng)不超過其許用值，即 圖 2-13 膜片彈簧的尺寸簡圖 a)推式 b)拉式 c)俯視圖 maxtBtB 10)為了保證疲勞強度要求，彈簧在工作過程中A點(或A點)的最大拉應(yīng)力 tAmax(或tAmax)應(yīng)不超過其相應(yīng)許用值，即 tAmaxTtA 或tAm