毕业设计（论文）-QS1040轻型载货汽车离合器总成的设计计算.doc

湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文摘要本文主要叙述了qs1040轻型载货汽车离合器总成的设计计算过程。介绍了离合器选型，对单片周置弹簧离合器的主要参数进行了设计计算，并对其主要零部件进行设计。详细描述运用catia软件进行单片周置弹簧离合器的底盖建模和弹簧片建模的过程；介绍离合器压盘及壳总成的装配和离合器盘毂二维工程图的做法。关键词：汽车离合器，设计计算，三维建模abstractthis paper describes the qs1040 light automotive design and calculation of the clutch assembly process. introduces the selection process, choose single friction slices & spiral spring clutch as design object. designed and calculated the main parameters of the clutch. detailed detailed the process of building-up bottom cap modeling and shrapnal modeling of the clutch using catia software. introduce the modus operandi of clutch platen & shell assembly and the two-dimensional engineering graphics of the clutch disc hub.keywords: automobile clutch, design& calculate, 3d modeling.目录摘要iabstractii1 绪论11.1课题简介11.2国内外现状12 离合器设计52.1离合器的工作原理和基本设计要求52.2离合器结构选型62.3单片周置弹簧离合器主要参数的优化设计72.3.1单片周置弹簧离合器主要参数72.3.2优化设计建立与求解过程92.4单片周置弹簧离合器主要零部件设计112.4.1扭转减震器主要参数设计计算112.4.2离合器从动盘毂的设计142.4.3离合器盖总成设计153 基于catia的离合器三维建模173.1catia软件简介173.2单片周置弹簧离合器典型零件建模173.2.1离合器底盖三维建模173.3.2离合器弹簧片三维建模213.3离合器压盘及壳总成装配263.4离合器盘毂二维工程图273.5离合器压盘及壳总成拆装动画294 结论与展望31致谢33参考文献34附录离合器主要参数求解模型与结果35附录：电子文档清单38附录: 图纸清单3940湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文1 绪论1.1课题简介离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和实现对传动系的动力传递，以保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合，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；在工作中受到大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪声1。随着汽车发动机转速和功率的不断提高、汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求越来越高。从提高离合器工作性能的角度出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式结构发展，传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。本次设计主要内容是完成qs1040载货车离合器总成的设计计算，包括选型、性能计算、参数确定等，并基于catia软件完成离合器各零部件的三维建模、装配、绘制二维工程图，并完成拆装动画。整个设计过程以catia软件为核心，体现离合器数字化设计过程。1.2国内外现状随着汽车工业的发展，电子技术广泛应用，汽车离合器新技术也不断涌现。传统的离合器作为单一总成也正在向离合器与其他总成复合集成化发展。1)自动调整式膜片弹簧离合器2。由于传统膜片弹簧离合器在使用过程中不可避免会产生磨损，其实际压力一直在增大，因而分离离合器的分离力也相应增大，使得离合器踏板力增加，自动调整式膜片弹簧离合器能消除这个缺陷（见图1.1）。图1.1自动调整式膜片弹簧离合器结构示意图它由离合器盖、压盘、传动片、膜片弹簧、感应器及楔形自动调整机构组成。它与传统膜片弹簧离合器区别在于增加了感应器和楔形自动调整机构。膜片弹簧不像传统的膜片弹簧离合器那样通过支撑环合支撑铆钉铆合在离合器盖上，而是夹在感应器和楔形自动调整机构之间。感应器为零刚度的开槽蝶形弹簧，当在压平点附近变形时，其载荷可保持基本不变，它装在膜片弹簧离合器内时处于预压状态。其自动调整过程详见图1.2。在新摩擦片时，感应器设定的力小于最大分离力，在离合器分离过程中，膜片弹簧无轴向移动，其工作情况与传统膜片弹簧离合器相同，见图1.2a。当摩擦片磨损后，压盘左移，膜片弹簧变形量减小，工作压紧力增大。这时膜片弹簧离合器的最大分离力增大，使，膜片弹簧被压离离合器盖，使膜片弹簧与楔块之间有一间隙（见图1.2b）。从图1.1可见楔块受螺旋弹簧作用 ，推向膜片弹簧，从而消除间隙。当膜片弹簧在分离中变形量恢复到新摩擦片的变形量时，即，膜片弹簧不在左移，楔块停止移动，自动调整结束（见1.2c）。图1.2自动调整式膜片弹簧离合器自动调整过程图1.3为自动调整式膜片弹簧离合器与传统式膜片弹簧离合器分离特性曲线。图1.3自动调整式膜片弹簧离合器与传统式膜片弹簧离合器分离特性曲线2)自动离合器2自动离合器可以使得离合操纵自动化，它是机电一体化产品。自动离合器有液压式和机械式两种。1933年在萨博公司的轿车上首先使用了自动离合器。雷诺、菲亚特、戴姆勒克莱斯勒、现代等汽车公司也相继开发了用于轿车和轻型客车的自动离合器。图1.4为液压式自动离合器工作原理图。它是在传统的膜片弹簧离合器基础上增加了电子控制系统和液压执行元件。由离合器踏板操纵离合器分离油缸改为用开关操纵电动液压油泵。驾驶员通过对加速踏板和离合器分离和结合选择开关来实现离合器的自动操纵。图1.4液压式自动离合器工作原理图自动离合器的控制系统ecu可以与发动机和自动变速器的ecu集成在一起。根据传感器反馈行驶状况的信息计算出离合器最佳结合速度。自动离合器执行机构是电动液压油泵、线性电磁阀和离合器分离油缸。电动液压油泵产生的高压油通过线性电磁阀输送离合器分离油缸。通过控制电磁阀电流的大小来控制其阀芯位置从而实现线性电磁阀的流量控制，通过离合器分离油缸完成汽车起步、换挡操作。线性电磁阀通过通道变换实现离合器分离油缸的移动方向。3) voith新技术32008第62届国际汽车展览会(iaa)商用汽车展览会上，voithturbo(福伊特驱动)公司展示了其最新开发的用于商用车的新型液压制动系统viab；该系统将离台器和转矩转换器以及缓速器的功能集成到同一个系统中，并置于发动机和变速器之间(目前通常情况下缓速器位于齿轮箱外的变速器与传动轴之间)。2 离合器设计2.1离合器的工作原理和基本设计要求离合器主要包括主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分4。离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用传递扭矩。发动机发出的转矩，通过飞轮及压盘与从动盘接触面的摩擦作用，传给从动盘，再传递到传动系。当驾驶员踩下离合器踏板时，通过机件的传递，使弹簧大端带动压盘后移，此时从动部分与主动部分分离，扭矩传递切断。离合器的主要功能是切断和实现发动机对传动系的动力传递，保证汽车起步时将发动机与传动系平顺的结合，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；在工作中受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，以防止传动系各零部件因过载而损坏；有效地降低传动系的震动和噪声。为了保证离合器具有良好的工作性能，对汽车离合器设计提出如下基本要求：1)在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备。2)接合时要平顺柔和，以保证汽车起步时没有抖动和冲击。3)分离时要迅速、彻底。4)离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击，便于换挡和减小同步器的磨损。5)应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果，以保证工作温度不致过高，延长其使用寿命。6)应使传动系避免扭转共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力。7)操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳。8)作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能。9)应有足够的强度和良好的动平衡，以保证其工作可靠、寿命长。10)结构应简单、紧凑、质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便等。2.2离合器结构选型1）从动盘数的选择现代各类汽车上应用最广泛的离合器是干式盘形摩擦离合器。从从动盘数的选择可分为：单片离合器、双片离合器和多片离合器。单片离合器结构简单，调整方便，轴向尺寸紧凑，散热良好，用时能保证分离彻底、接合平顺。对于乘用车和总质量小于6t的商用车，发动机最大转矩一般不大，在布置条件允许下，离合器通常采用单片式。qs1040轻型载货汽车的部分参数如表1.1：表2.1qs1040轻型载重车的原始参数原始数据项目数值最大扭矩318.5nm起步转速2000r/min起步挡位传动比6.378轮胎半径348mm主减速器传动比5.83汽车总质量5000kg发动机最高转速4500r/min根据表中参数总质量为5000kg，小于6t，发动机转矩也不大，该车离合器可选择从盘为一个的单片离合器。2）压紧弹簧和布置形式的选择根据所用压紧弹簧的布置形式的不同，摩擦离合器可分为周布弹簧离合器、中央弹簧离合器和周布斜置弹簧离合器。根据所用压紧弹簧形式的不同，可分为圆柱螺旋弹簧离合器、圆锥螺旋弹簧离合器和膜片弹簧离合器。采用圆柱螺旋弹簧为压紧弹簧的周置弹簧离合器，其特点是结构简单、制造容易，成本低，因此应用较为广泛。此结构中弹簧压力直接作用于压盘上。为了保证摩擦片上压力均匀，压紧弹簧的数目不应太少，要随摩擦片直径的增大而增多，而且应当是分离杠杆的倍数。在某些重型汽车上，由于发动机最大转矩较大，所需压紧弹簧数目较多，可将压紧弹簧布置在两个同心圆周上。3）压盘的驱动方式压盘的驱动方式主要有凸块-窗孔式、销钉式、键块式和传动片式多种。前三种的共同缺点是在各联接件之间都有间隙，在驱动中将产生冲击和噪声，而且在零件相对滑动中有摩擦和磨损，降低了离合器传动效率。传动片式是近年来广泛采用的结构，沿周向布置的三组或四组钢带传动片两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联接，传动片的弹性允许其作轴向移动。当发动机驱动时，钢带受拉；当拖动发动机时，钢带受压。此结构中压盘与飞轮对中性能好，使用平衡性好，使用可靠，寿命长。但反向承载能力差，汽车反拖时易折断传动片，故对材料要求较高，一般采用高碳钢。但由于传动片式结构复杂增加了制造成本，而且该离合器摩擦力矩也不大，所以选用凸块-窗孔式就能满足要求。综合考虑到整车对离合器的性能要求和成本问题，选择离合器的形式是：单片周置圆柱螺旋弹簧离合器。以下简称单片周置弹簧离合器。2.3单片周置弹簧离合器主要参数的优化设计2.3.1单片周置弹簧离合器主要参数离合器的主要参数是摩擦力矩、后备系数、摩擦面数和摩擦片内径及外径。前面两个参数主要表征离合器的工作能力，可称之为性能参数5，后面三个则说明离合器结构的一些特点，可称之为结构参数。这两类参数之间具有内在联系并相互影响。设计离合器要确定离合器的性能参数和尺寸参数，这些参数的变化影响离合器的结构尺寸和工作性能。除了这些参数外表征离合器性能的参数还有：单位压力，工作压力等。1）后备系数。后备系数是离合器设计时用到的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。在选择时，应考虑以下几点：为可靠传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨过大，不宜选取太小；为使离合器尺寸不致过大，减少传动系过载，保证操纵轻便，又不宜选取太大；当发动机后备功率较大、使用条件较好时，可选取小些；当使用条件恶劣，需要拖带挂车时，为提高起步能力、减少离合器滑磨，应选取大些；货车总质量越大，也应选得越大；采用柴油机时，由于工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的值应比汽油机大些；发动机缸数越多，转矩波动越小，可选取小些。对于乘用车及最大质量小于6t的商用车的取值范围在1.20-2.0之间。2）摩擦力矩。摩擦离合器是靠摩擦表面间的摩擦力矩来传递发动机转矩的。为了保证离合器在任何工况下都能可靠地传递发动机的最大转矩，设计时应大于发动机最大转矩，即 (2-1)式中，为发动机最大转矩；为离合器的后备系数。3）离合器摩擦片的内径及外径。当离合器结构形式及摩擦片材料已选定，发动机最大转矩已知，适当选取后备系数和单位压力，即可估算出摩擦片尺寸。摩擦片外径 (mm)也可根据发动机最大转矩 (nm)按如下经验公式选用： (2-2)式中，为直径系数。取值范围见表2-2：表2.2直径系数取值范围车型直径系数kd乘用车14.6最大总质量为1.8-14.0t的商用车16.0-18.5（单片离合器）13.5-15.0（双片离合器）最大总质量大于14.0的商用车22.5-24.0离合器摩擦片的内径一般为外0.530.70。4）单位压力，工作压力。单位压力对离合器工作性能和使用寿命有很大影响，选取时应考虑离合器的工作条件，发动机后备功率大小，摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。单位压力可以由以下公式估算： (2-3)式中为摩擦面间的静摩擦因数，取0.23；z为摩擦面数，单片z=2；。假设摩擦片上工作压力均匀，则有： （2-4）式中，为摩擦面单位压力，为一个摩擦面的面积；为摩擦片外径；为摩擦片内径。2.3.2优化设计建立与求解过程通常的离合器设计采用先初选离合器参数，后校核。在设计时，如果校核不通过则重新选择参数再校核，严重阻碍了设计的效率。下面采用优化的方法来确定这些参数。1）设计变量只要确定了离合器后备系数和离合器的主要尺寸参数和，离合器的其他参数都可以计算出来。因此，离合器基本参数的优化设计变量选为(2-5)2)目标函数对于轻型载重汽车，厂商更追求的是在保证性能的前提下尽量降成本。离合器基本参数优化设计追求的目标是在保证离合器性能要求条件下，使其结构尺寸尽可能小，即目标函数为(2-6)3)约束条件(1)摩擦片的外径 (mm)的选取应使最大圆周速度不超过6570 m/s，即 m/s (2-7)式中，为摩擦片最大圆周速度(m/s)；nemax为发动机最高转速(r/min)。(2)摩擦片的内外径比d/d应在0.530.70范围内，即 (2-8)(3)为保证离合器可靠传递转矩，并防止传动系过载，不同车型的值应在一定范围内，最大范围为1.22.0，即 (2-9)(4)为了保证扭转减振器的安装，摩擦片内径d必须大于减振器弹簧位置直径2ro约50mm(图2.4)，即 (2-10)r0=42。（5)为反映离合器传递转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许用值，即 （2-11）式中，为单位摩擦面积传递的转矩(nm/mm2)；为其允许值(nm/mm2)，按表2-3选取。表2.3 单位摩擦面积传递转矩的许用值(nmmm2) 离合器规格dmm 210-250 250325 325 tco10-2e 0.28 0.30 0.35 0.406)为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，单位压力对于不同车型，根据所用的摩擦材料在一定范围内选取，最大范围为0.101.50mpa，即(2-12)7)为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨，防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤，每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值，即 (2-13)式中，w为单位摩擦面积滑磨功(j/mm2)；w为其许用值(j/mm2)，对于轻型货车：w =0.33j/mm2，w为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功(j)，可根据下式计算 (2-14)式中，ma为汽车总质量(kg)；rr为轮胎滚动半径(m)；ig为起步时所用变速器挡位的传动比；i0为主减速器传动比；ne为发动机转速(r/min)。qs1040轻型载重车的原始参数如表2.1。代入部分数据得到：w=8606j。优化设计程序详见附录，计算结果见表2.4：表2.4离合器参数优化设计结果参数结果摩擦片外径252.8mm摩擦片内径134mm离合器后备系数1.6362离合器摩擦力矩521.1nm摩擦片单位压力0.315mpa离合器工作压力1136n2.4单片周置弹簧离合器主要零部件设计2.4.1扭转减震器主要参数设计计算扭转减振器主要由弹性元件(减振弹簧或橡胶)和阻尼元件(阻尼片)等组成。弹性元件的主要作用是降低传动系的首端扭转刚度，从而降低传动系扭转系统的某阶(通常为三阶)固有频率，改变系统的固有振型，使之尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振；阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量。减振器的扭转刚度和阻尼摩擦元件间的摩擦转矩是两个主要参数。其设计参数还包括极限转矩、预紧转矩和极限转角等。1）极限转矩极限转矩为减振器在消除限位销与从动盘毂缺口之间的间隙 (图2.1)时所能传递的最大转矩，即限位销起作用时的转矩。它与发动机最大转矩有关，一般可取 (2-15)货车：系数取1.5。图2.1减速器尺寸简图2）扭转刚度为了避免引起系统的共振，要合理选择减振器的扭转刚度，使共振现象不发生在发动机常用工作转速范围内。设计时可按经验来初选是 （2-16）3）阻尼摩擦转矩 由于减振器扭转刚度是，受结构及发动机最大转矩的限制，不可能很低，故为了在发动机工作转速范围内最有效地消振，必须合理选择减振器阻尼装置的阻尼摩擦转矩一般可按下式初选 （2-17）4）预紧转矩 减振弹簧在安装时都有一定的预紧。研究表明，增加，共振频率将向减小频率的方向移动，这是有利的。但是不应大于，否则在反向工作时，扭转减振器将提前停止工作，故取 （2-18）5）减振弹簧的位置半径的尺寸应尽可能大些，如图2.1所示，一般取 （2-19）6）减振弹簧个数参照表2.5选取。表2.5 减振弹簧个数的选取摩擦片外径dmm225-250250-325325-350350减振弹簧个数4-66-88-10107）减振弹簧总压力 当限位销与从动盘毂之间的间隙或被消除，减振弹簧传递转矩达到最大值时，减振弹簧受到的压力为 （2-20）8）极限转角针减振器从预紧转矩增加到极限转矩时，从动片相对从动盘毂的极限转角为 （2-21）式中，为减振弹簧的工作变形量。9）弹簧刚度（2-22）10）弹簧的工作圈数（2-23）式中为弹簧的平均直径，为弹簧钢丝的直径，为弹簧材料的扭转弹性模量，=8.41010n/m2。通常取312，对平顺性要求高或对工作不均匀的发动机，取上限。根据减震弹簧的布置选定结构参数：弹簧的平均直径=15mm，弹簧钢丝的直径=4mm。减振弹簧的工作变形量=8mm。代入数据计算和选取结果见下表：表2.6扭转减震器设计参数结果项目数值极限转矩447.75nm减振弹簧的位置半径42mm极限转角 11扭转刚度2332.2 nm/rad阻尼摩擦转矩31.85 nm预紧转矩25.44 nm减振弹簧个数6减振弹簧总压力1066n弹簧预紧压缩量0.46mm弹簧刚度k22208n/m弹簧的工作圈数i5.75弹簧总长l126.6mm2.4.2离合器从动盘毂的设计从动盘毂是离合器中承受载荷最大的零件，它装在变速器输入轴前端的花键上，一般采用齿侧对中的矩形花键，花键轴与孔采用动配合。花键毂轴向长度不宜过小，以免在花键轴上滑动时产生偏斜而使分离不彻底，一般取1.01.4倍的花键轴直径。花键毂一般采用锻钢(如45钢，40cr等)，表面和心部硬度一般在2632hrc。为提高花键内孔表面硬度和耐磨性，可采用镀铬工艺，对减振弹簧窗口及与从动片配合处应进行高频处理。从动盘花键毂的尺寸可以根据摩擦片的外径d与发动机的最大转矩temax由表2.7选取。表2.7从动盘花键毂的尺寸摩擦片的外径d/mm发动机的最大转矩temax/(nm)花键尺寸挤压应力c/mpa齿数n外径d/ mm内径d/ mm齿厚t/mm有效齿长l/mm160491023183209.81806910262132011.620010810292342511.122514710322643011.325019610352843510.228027510353244012.530030410403254010.532537310403254511.435047110403255013.0根据摩擦片外径d=254，发动机的最大转矩temax=318.5nm，选取结果为：花键外径d=38mm，花键内径d=28.651mm，齿厚t=5.398，有效齿长=30。从动片要求质量轻，具有轴向弹性，硬度和平面度要求高。材料常用中碳钢板(如50钢)或低碳钢板(如10钢)，一般厚度为1.32.5mm，表面硬度3540hrc。波形片一般采用65mn，厚度小于1mm，硬度为4046hrc，并经过表面发蓝处理。由于石棉材料污染环境对人体有害，可采用新型的金属陶瓷摩擦材料作为摩擦衬片6。摩擦片的厚度主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三种。2.4.3离合器盖总成设计离合器盖总成除了压紧弹簧外还有离合器盖、压盘、传动片、分离杠杆装置及支承环等。1）离合器盖结构设计：（1）应具有足够的刚度，以免影响离合器的工作特性，增大操纵时的分离行程，减小压盘升程，严重时使摩擦面不能彻底分离。为此可采取如下措施：适当增大盖的板厚，一般为2.54.0mm；在盖上冲制加强肋或在盖内圆周处翻边；尺寸大的离合器盖可改用铸铁铸造。（2）应与飞轮保持良好的对中，以免影响总成的平衡和正常的工作。对中方式采用定位销或定位螺栓，也可采用止口对中。（3）盖的弹簧支承处应具有高的尺寸精度。（4）为了便于通风散热，防止摩擦表面温度过高，可在离合器盖上开较大的通风口，将离合器制成特殊的叶轮形状，或在盖上加设通风扇片等，用以鼓风。2）压盘结构设计：（1）压盘应具有较大的质量以增大热容量、减小温升，防止其产生裂纹和破碎，有时可设置各种形状的散热肋或鼓风肋，以帮助散热通风。中间压盘可铸出通风槽，也可采用传热系数较大的铝合金压盘。（2）压盘应具有较大的刚度，使压紧力在摩擦面上的压力分布均匀并减小受热后的翘曲变形，以免影响摩擦片的均匀压紧以及与离合器的彻底分离。（3）与飞轮应保持良好的对中，并要进行静平衡。（4）压盘高度尺寸(从承压点到摩擦面的距离)公差要小。压盘的温升可根据滑磨功w由下式来确定： (2-24)式中，t为压盘温升(c)；c为压盘的比热容，铸铁：c=481.4j(kgc)；m为压盘质量(kg)，m=4.6；v为传到压盘的热量所占的比例，单片离合器压盘：v=0.50。引用式2-14计算的结果w=8606j，带入式（2-24）得t=1.94c，符合要求。压盘通常采用灰铸铁，一般采用ht200、ht250、ht300，也有少数采用合金压铸件。3）分离杠杆装置的结构设计：（1）分离杠杆应具有较大的弯曲刚度，以免分离时杆件弯曲变形过大，减小了压盘行程，使分离不彻底。（2）应使分离杠杆支承机构与压盘的驱动机构在运动上不发生干涉。（3）分离杠杆内端高度应能调整，使各内端位于平行于压盘的同一平面，其高度差不大于0.2mm。（4）分离杠杆的支承处应采用滚针轴承、滚销或刀口支承，以减小摩擦和磨损。（5）应避免在高速旋转时因分离杠杆的离心力作用而降低压紧力。（6）为了提高通风散热能力，町将分离杠杆制成特殊的叶轮形状，用以鼓风。分离杠杆主要有钢板冲压和锻造成形两种生产方式。3 基于catia的离合器三维建模3.1catia软件简介catia是法国dassault system公司的cad/cae/cam一体化软件，居世界cad/cae/cam领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的dmu电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。catia中提供了多个功能模块，它们是：基础结构、机械设计、形状、分析与模型、aec工厂、加工、数字模型、设备与系统、制造的数字处理、加工模拟、人机工程学设计与分析、智件和enovia v5 vpm7 8 9。3.2单片周置弹簧离合器典型零件建模3.2.1离合器底盖三维建模离合器底盖零件如图3.1所示：图3.1离合器底盖多视图离合器底盖的三维建模的方法是典型的“积木”式。下面就用该零件的具体建模过程来演示基于特征的建模方法。1）运行catia软件，进入机械设计零部件设计工作台，新建一个part文件，保存到相应文件夹。下图3.2为零部件工作台界面：图3.2零部件工作台界面2）选择一个平面并点击绘制草图，对草图各元素添加约束与尺寸，草图各元素显示为绿色，如图3.3所示图3.3底盖三维建模第一步草图此时用工具草图分析工具检查草图，如图3-4所示所有检查已通过。图3.4草图分析工具3）旋转特征操作旋转操作工具按钮为，点击弹出图3.5所示菜单，点击确定生成图3.6所示实体： 图3.5旋转特征菜单 图3.6第一步生成的实体4）经过一系列的拉伸、切除操作和倒圆角等九步后可得到如图3.7所示的实体：图3.7第九步后生成的实体5）对当前实体进行抽壳操作，抽壳操作按钮为，点击后弹出如图3.8所示对话框：图3.8抽壳操作对话框要移除的面如图3.9所示：图3.9抽壳要移除的面抽壳完成后生成如图3.10所示实体：图3.10抽壳完成后生成实体经过其他修饰后最终生成如图3.1所示零件三维模型。3.3.2离合器弹簧片三维建模选取的零件最终模型如图3.11所示：图3.11离合器弹簧片三维模型离合器弹簧片形状十分复杂，用零部件设计模块不能单独完成，该模型建立的过程为：先在线框和曲面设计中设计出该零件表面的形状，然后在零部件设计模块中把曲面转化为实体模型。具体过程如下：1）进入线框和曲面设计工作台，新建part文件，保存到相应文件夹。选择平面作如图3.12草图：图3.12草图2）拉伸成曲面。在线框和曲面设计中可以有曲线拉伸生成平面，工具栏图标为，拉伸的对话框为如图3.13所示：图3.13拉伸的对话框拉伸后的模型为如图3.14所示：图3.14曲线拉伸成曲面3）对曲面进行分割操作。对曲面的操作有分割、修剪、结合、取消修剪、修复、拆解、提取边界、平移等。进行分割、修剪必须有切除的元素，可以是曲线在曲面上的投影。本实例中对曲面的分割首先作如图3.15所示草图： 图3.15分割操作草图图3.16投影操作对话框草图建好后再将草图投影到曲面，点击工具栏投影按钮，弹出对话框，如图3.16所示。按对话框中选择，点击确定曲面被分割为（如图3.17所示）：图3.17分割后的曲面4）桥接两曲面。进过一系列相同操作后得到如图3.18所示两曲面：3.18桥接前两曲面曲面的桥接前先提取两曲面的边界，点击工具栏中提取边界按钮，弹出对话框（如图3.19所示）：图3.19提取边界对话框回到曲面上选取两个顶点，点击确定边界提取成功。然后点击桥接曲面按钮，弹出对话框（如图3.20所示）： 图3.20桥接曲面对话框 图3.21桥接后的曲面按对话框中选取各项，最终生成的曲面为（如图3.21所示）：5）曲面结合。工具栏中操作工具条中的按钮为曲面结合，操作对象为多个相连曲面，这些曲面看似相连但不是同一平面，该工具可将多个曲面拼成一个平面。点击，弹出对话框（如图3.22所示）：图3.22结合操作对话框如图一一选择要拼合的曲面，最终生成如图3.23所示的曲面。图3.23结合后的曲面6）将曲面转化为实体。进入机械设计零部件设计模块，只要用后曲面工具就可将曲面加厚为实体，零部件设计中还提供了许多以曲面为操作对象的工具，例如分割（用曲面切割实体）、封闭曲面和缝合曲面。将如图3.23 的曲面加厚后得到的实体如图3.24所示：图3.24加厚成实体7）对生成的实体进行其他特征操作最终生成如图3.11所示的离合器弹簧片三维模型。3.3离合器压盘及壳总成装配由于已经将离合器的零件三维模型建好，离合器压盘及壳总成装配可以采用自底向上的装配。总成装配的建立过程很简单，具体过程如下：1）进入机械设计装配设计，新建product文件，保存到相应位置。2）装入第一个零件。用工具栏中现有组件按钮，打开已经建立好的零件三维模型，第一个零件装入到装配体中，可以添加固定约束。3）装入第二个零件。用工具栏中现有组件按钮，打开已经建立好的零件三维模型，第二个零件装入到装配体中。与第一个零件建立相应约束，如相合约束、曲面贴合约束、偏移约束和角度约束等，使之装配到位。如此装入第三、第四个零件等等。4）一个零件可重复使用。5）从标准库导入标准件。catia提供了大量的标准件，通过库浏览器选中零件后双击零件则该零件会导入装配体，会在模型树种显示。最终生成的装配体如图3.29所示：图3.29离合器压盘及壳总成装配体3.4离合器盘毂二维工程图使用catia工程图工作台可方便高效地创建三维模型的工程图，且工程图与模型相关联，工程图能够反映模型在设计过程中的更改，可以使工程图与装配模型或某个零部件保持同步更新。本节以离合器盘毂为例来说明工程图建立过程。最终生成的工程图如图3.30所示。以下说明工程图建立一般过程和操作对象：1）打开零件的三维模型，新建drawing文件保存到相应位置。2）导入正视图。点击正视图按钮，切换窗口到零件的三维模型，选择一个视图面，这是窗口右下方有正视图的预览，如果符合要求，单击视图就回到工程图窗口，利用右上方的方向按钮调整视图的方向，或是旋转视图，调整到合适的位置后单击视图就放置好了视图（如图3.31）。放置后还可以拖动视图。3）设置视图属性。将光标移动到模型树中视图位置上，按左键可对视图属性进行编辑。单击属性栏显示如图3.32属性。如图3.32可以编辑视图的很多属性。图3.30离合器底盖二维工程图图3.31导入正视图图3-32视图属性编辑对话框4）生成截面视图。catia提供了四种截面视图生成工具，基本上可以满足所有剖视图的需要。5）尺寸标注。catia工程图中可以自动生成尺寸，也可手动生成尺寸。手动生成尺寸工具条提供了所有形状尺寸的标注工具，尺寸线修饰工具和技术尺寸标注工具。6）添加批注。批注工具条提供了文本添加工具，可利用此工具添加技术要求此类文本。还提供了专门添加零件加工表面粗糙度的工具。此外还有表格工具。7）页背景的编辑。页背景的编辑从编辑页背景进入，可以绘制表格，添加文本等。页背景的编辑还可以用catia二次开发的方法将做好的模板内置到catia软件中，编辑页背景时只需要用框架创建工具将已经做好的模板导入，减少了很多工作。3.5离合器压盘及壳总成拆装动画拆装动画是在装配分析完成后生成的，电子样机提供了专门的装配分析模块dmu fitting。拆装动画的生成一般要经过以下步骤：1）启动catia进入dmu fitting模块，打开一个已经装配好的装配体。2）定义shuttle。整个组件或单个零件都可以定义为一个shuttle。3）创建轨迹track。定义好shuttle后就可以对其创建轨迹，手动移动shuttle后记录下轨迹就创建了track，track可以播放预览。4）创建了多个track后，要定义它们之间的播放顺序就要创建序列sequence。5）用播放器播放序列，将其录制为视频文件，一个简单的拆装动画就完成了。4 结论与展望离合器作为一个独立的总成存在于传动系中，其性能影响着整车的动力性和舒适性，离合器的设计至关重要。本论文简单论述离合器的cad设计过程。主要工作如下：1）离合器的设计计算。设计选择单片周置弹簧离合器；选择离合器主要参数，其中性能参数：摩擦力矩tc=521.1 nm、后备系数，摩擦片单位压力mpa，离合器工作压力n。结构参数：摩擦面数z=2，摩擦片外径d=252.8mm，摩擦片内径mm；完成了离合器零件扭转减震器、从动盘毂和离合器盖的设计。2)运用catia完成了二十九个离合器的零部件的三维建模，完成了摩擦片总成、离合器压盘及盖总成、底盖总成和离合器总成的装配、绘制了所有零件和离合器压盘及盖总成得二维工程图，并完成了摩擦片总成和离合器压盘及盖总成得拆装动画。传统的离合器设计，从多项参数计算到校核分析，生成实体模型，到最终生成图纸是较为复杂的过程。采用cad技术，会比传统的设计方法在较短的设计周期内完成较高质量的产品。但本设计由于时间仓促和水平有限，对于很多离合器新技术和设计方法只是浅尝辄止，仅仅到达了熟悉离合器设计一般流程的目的。随着计算机软件技术的不断发展，cad技术运用到离合器设计成为一种大的趋势。将cad软件的二次开发10运用到离合器设计的技术也日渐成熟。例如离合器的方案设计就引入了专家系统11, 它把领域的相关知识结合到程序设计中，使程序具备像专家求解问题时一样的推理、学习和解释能力，从而自动完成离合器结构方案的设计，提高了设计的效率和质量。并行工程也在在汽车离合器的设计应用。并行工程是对产品及其相关过程，包括制造过程和支持过程，进行并行、一体化设计的一种系统化方法，力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全生命周期从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。汽车离合器主要会出现摩擦片磨损过快、离合器结合过程喘振12、分离不彻底和离合器壳体疲劳破损的问题13。解决这些问题首先要从设计入手，通过一些系统对离合器进行优化设计，或是通过cae分析14改进一些设计。再一方面要考虑驾驶员的驾驶习惯，改善操作机构，避开驾驶习惯对离合器性能的影响，例如以电子控制代替人力控制15。周置圆柱弹簧离合器存在的问题是零件过多，结构复杂。若改为拉式膜片弹簧离合器会减少很多零件，离合器的轴向尺寸也会大大减少，重量和转动惯量也会大大减小。膜片弹簧的设计是典型的优化设计16。总之，汽车离合器设计是一个相当庞大的课题，要想完整的设计需要相当大的精力与时间。本设计只是管中窥豹，了解一下设计流程和学习catia软件而已。致谢本课题是在导师吴云存副教授的悉心指导下完成的，吴老师学识渊博、治学严谨，在课题的创作过程中，吴老师给予我认真的指导，特别是吴老师平易近人的态度是我极大的鼓励。在此向吴老师表示衷心的感谢，并致崇高的敬意！本课程设计过程中，汽车系郑冬黎老师提供了相当丰富的资料和相当多的宝贵意见，再在此深表感谢！向与我同组的同学表示感谢，他们也给了我很大的支持与帮助！向所有给予我帮助的人表示感谢！作者：申建阳2010年5月30日参考文献1 陈家瑞汽车构造（下册）m北京：机械工业出版社 ，200510-392 豪彦21世纪世界汽车离合器j汽车与配件，20063 余欣悦voith新技术：集离合器和缓速器于一体的新型液压制动系统viabn商用汽车，20094 王望予汽车设计m 北京：机械工业出版社，200452-775 诸文农底盘设计m 北京：机械工业出版社，19816 古纯效等一种新型的扩环式单向超越离合器j工程设计7 北京兆迪科技有限公司catia v5宝典m 北京: 机械工业出版社，20098 盛选禹钣金设计实例教程m北京：化学工业出版社，20089 catia v5之电子样机m 北京：北京航空航天大学出版社，200810 顾晓阳现代设计技术在汽车离合器行业研发中的应用j汽车与配件，200711 郭晓兰基于ug的汽车离合器参数化设计系统开发与研究d 大连：大连理工大学，200612 d centeathe influence of the interface coefficient of friction upon the propensity to judder in automotive clutches jdepartment of mechanical engineering, university of bradford， uk199913 王大康汽车离合器方案设计专家系统的研究a北京：北京工业大学，200214 李舜酩汽车离合器壳破裂原因分析j 淄博：山东工程学院，200015 肖生发 汽车离合器电动助力操纵系统的研究j 十堰：湖北汽车工业学院,200816 冉振亚基于遗传算法的汽车离合器膜片弹簧优化设计j 重庆：重庆大学，2003附录离合器主要参数求解模型与结果1）最终优化问题的数学模型是：s.t.2）优化设计目标函数m文件function feval=myfun(x)feval=(x(1)2-x(2)2)*pi/4;3）优化设计非线性约束m文件function c,ceq=cons_fun(x)c(1)=-1.726*10(-3)*(x(1)2-x(2)2)+x(3);c(2)=0.01*(x(1)3-x(2)3)-2644739*x(3);c(3)=-1.5*(x(1)3-x(2)3)+2644739*x(3);ceq=;4）在matlab命令窗口输入 %在窗口输入a=0.53 -1 0;-.070 1 0;0 0 0;b=0;0;0;lb=134 134 1.2;ub=288.6 288.6 2.0;x0=134 134 1.2;aeq=;beq=;options=op