基于有限元分析的离合器设计

1、Clutch DesignBasedonFinite Element AnalysisCandidate：Geng XinzhongSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B05-18Supervisor：AssociateProf.Zhao YuyangHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin摘 要离合器是汽车传动系统中的重要组成，离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上，离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动

2、机与变速箱暂时分离和逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。本文主要是对轿车的膜片式弹簧离合器进行设计。根据车辆使用条件和车辆参数，按照离合器系统的设计步骤和要求，主要进行了以下工作：选择相关设计参数主要为：摩擦片外径的确定，离合器后备系数的确定，单位压力的确定。并进行了总成设计主要为：分离装置的设计，以及从动盘设计和圆柱螺旋弹簧设计等。并通过有限元软件对设计离合器进行结构分析，根据分析结果对离合器进行改进设计得出合理的设计方案。关键词：离合器 ；膜片弹簧；摩擦片；有限元分析；设计ABSTRACTThe clutch is an integral of the automotive t

3、ransmission system,Clutch in the engine and gearbox between the flywheel shell, with screw will be fixed in the clutch assembly after the plane of the flywheel, clutch gearbox output shaft is the input shaft. In the process of moving vehicle, the driver may need Pedal or release the clutch pedal so

4、that the engine and gearbox temporary separation and progressive joint, to cut off the engine or transmission to the transmission input power. This paper is the saloon car theca spring clutch design. According to traffic conditions and vehicle parameters, in accordance with the clutch system of step

5、s and requirements, mainly for the following work：Select the design for the main parameters: the determination of friction-diameter, the determining factor clutch reserve, the pressure on the units identified. And the design of the main assembly: the separation device design, set design and follower

6、 and cylindrical coil spring design.And through the design of finite element software for structural analysis of clutch,Based on analysis results,the improved frictional design.preferred design option,can therefore be attained.Key words：Clutch ;Theca spring;Friction disc;Finite element analysis; Des

7、ign目 录摘要Abstract第1章 绪 论1课题研究的目的意义1课题的研究现状1膜片弹簧离合器的结构及其优点2膜片弹簧离合器的结构2膜片弹簧离合器的工作原理3膜片弹簧离合器的优点4设计的主要内容与技术路线5第2章 有限元基本理论62.1 有限元法的发展及应用62.1.1有限单元法的发展历史6有限元法的应用6机械结构有限元基本理论7机械结构有限元分析的基本理论7机械结构分析的有限元法7机械结构静态分析有限元法82.3 ANSYS软件简介9本章小结10第3章 方案选择与基本尺寸参数确定11方案选择113.2后备系数的选择113.3离合器基本性能关系式123.4摩擦片外径的确定123.5摩擦片的

8、有限元分析14建立有限元模型14摩擦片的计算结果及结果分析153.6本章小结17第4章 主动部分设计184.1压盘参数的选择和校核184.2压盘的有限元分析184.2.1建立压盘有限元模型184.2.2压盘的有限元计算及结果分析194.2离合器盖设计214.3传动片设计214.4本章小结22第5章 从动盘总成设计235.1摩擦片设计235.2从动盘毂设计235.3从动片设计255.4扭转减振器设计25255.4.2 扭转减振器的结构类型的选择2527285.5本章小结30第6章 膜片弹簧设计316.1膜片弹簧的概念316.2膜片弹簧的弹性特性316.3膜片弹簧的强度计算33346.5膜片弹簧的

9、有限元分析366.5.1建立膜片弹簧PRO/E模型366.5.2膜片弹簧的有限元分析386.6本章小结40第7章 离合器分离装置的设计417.1分离杆的设计417.2离合器分离套筒和分离轴承的设计417.3本章小结42第8章 离合器操纵机构设计438.1操纵机构踏板力和行程438.2操纵机构结构形式43计算438.4本章小结45结论46参考文献47致谢48附录49第1章 绪论 课题研究的目的意义离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件，其主要作用是：传递和切断发动机传给传动系的动力，以保证汽车的平稳起步、停车和换挡；当传给离合器的转矩超过它所能传递的最大摩擦转矩时，离合器主、从动部分之间

10、产生滑磨，从而对传动系统起到保护作用。此外，离合器还可以有效地降低传动系中的振动和噪声。课题研究对象是应用最广泛的膜片弹簧离合器，具有结构简单紧凑、操纵轻便、传动可靠、传递准确以及效率高等特点。主要零件包括膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等，这些关键零部件的设计对整个离合器性能具有很大的影响。传统设计是设计工程师根据自己的理论知识和丰富的工程设计经验首先针对用户的需求进行概念设计，定出结构的类型和形式，选择材料，按规定要求和标准给出受力情况，提出初始设计方案，然后进行结构分析，再根据分析结果进行各个方面的校核;如果不符合经济和安全的要求，则修改初始设计，再进行结构的重分析，重校核

11、，直到满足为止。这种设计的一个主要缺点是难以找到材料的合理分布，因而不易做出比较理想的既经济又安全的设计方案。采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行离合器设计不但可以获得最佳的离合器基本参数，还可以大大缩短离合器总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。课题的研究现状在早期研发的离合器结构中，锥形离合器最为成功。它的原型设计曾装在1889年德国戴姆勒公司生产的钢制车轮的小汽车上。它是将发动机飞轮的内孔做成锥体作为离合器的主动件。采用锥形离合器的方案一直延续到20世纪20年代中叶，对当时来说，锥形离合器的制造

12、比较简单，摩擦面容易修复。它的摩擦材料曾用过骆毛带、皮革带等。那时曾出现过蹄-鼓式离合器，其结构有利于在离心力作用下使蹄紧贴鼓面。蹄-鼓式离合器用的摩擦元件是木块、皮革带等，蹄-鼓式离合器的重量较锥形离合器轻。无论锥形离合器或蹄-鼓式离合器，都容易造成分离不彻底甚至出现主、从动件根本无法分离的自锁现象。现今所用的盘式离合器的先驱是多片盘式离合器，它是直到1925年以后才出现的。多片离合器最主要的优点是，汽车起步时离合器的接合比较平顺，无冲击。早期的设计中，多片按成对布置设计，一个钢盘片对着一青铜盘片。采用纯粹的金属的摩擦副，把它们浸在油中工作，能达到更为满意的性能。浸在油中的盘片式离合器，盘子

13、直径不能太大，以避免在高速时把油甩掉。此外，油也容易把金属盘片粘住，不易分离。但毕竟还是优点大于缺点。因为在当时，许多其他离合器还在原创阶段，性能很不稳定。石棉基摩擦材料的引入和改进，使得盘片式离合器可以传递更大的转矩，能耐受更高的温度。此外，由于采用石棉基摩擦材料后可用较小的摩擦面积，因而可以减少摩擦片数，这是由多片离合器向单片离合器转变的关键。20世纪20年代末，直到进入30年代时，只有工程车辆、赛车和大功率的轿车上才使用多片离合器。早期的单片干式离合器由与锥形离合器相似的问题，即离合器接合时不够平顺。但是，由于单片干式离合器结构紧凑，散热良好，转动惯量小，所以以内燃机为动力的汽车经常采用

14、它，尤其是成功地开发了价格便宜的冲压件离合器盖以后更是如此。实际上早在1920年就出现了单片干式离合器，这和前面提到的发明了石棉基的摩擦面片有关。但在那时相当一段时间内，由于技术设计上的缺陷，造成了单片离合器在接合时不够平顺的问题。第一次世界大战后初期，单片离合器的从动盘金属片上是没有摩擦面片的，摩擦面片是贴附在主动件飞轮和压盘上的，弹簧布置在中央，通过杠杆放大后作用在压盘上。后来改用多个直径较小的弹簧，沿着圆周布置直接压在压盘上，成为现今最为通用的螺旋弹簧布置方法。这种布置在设计上带来了实实在在的好处，使压盘上的弹簧的工作压力分布更均匀，并减小了轴向尺寸。多年的实践经验和技术上的改进使人们逐

15、渐趋向于首选单片干式摩擦离合器，因为它具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点，而且由于在结构上采取一定措施，已能做到接合盘式平顺，因此现在广泛采用于大、中、小各类车型中。如今单片干式离合器在结构设计方面相当完善。采用具有轴向弹性的从动盘，提高了离合器的接合平顺性。离合器从动盘总成中装有扭转减振器，防止了传动系统的扭转共振，减小了传动系统噪声和载荷。随着人们对汽车舒适性要求的提高，离合器已在原有基础上得到不断改进，乘用车上愈来愈多地采用具有双质量飞轮的扭转减振器，能更好地降低传动系的噪声。对于重型离合器，由于商用车趋于大型化，发动机功率不断加大，但离合器允

16、许加大尺寸的空间有限，离合器的使用条件日酷一日，增加离合器传扭能力，提高使用寿命，简化操作，已成为重型离合器当前的发展趋势。为了提高离合器的传扭能力，在重型汽车上可采用双片干式离合器。从理论上讲，在相同的径向尺寸下，双片离合器的传扭能力和使用寿命是单片的2倍。但受到其他客观因素的影响，实际的效果要比理论值低一些。近年来湿式离合器在技术上不断改进，在国外某些重型车上又开始采用多片湿式离合器。与干式离合器相比，由于用油泵进行强制冷却的结果，摩擦表面温度较低(不超过93)，因此，起步时长时间打滑也不致烧损摩擦片。查阅国内外资料获知，这种离合器的使用寿命可达干式离合器的5-6倍，但湿式离合器优点的发挥

17、是一定要在某温度范围内才能实现的，超过这一温度范围将起负面效应。目前此技术尚不够完善。膜片弹簧离合器的结构及其优点膜片弹簧离合器的结构膜片弹簧离合总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等部分组成。1、离合器盖离合器盖一般为120或90旋转对称的板壳冲压结构，通过螺栓与飞轮联结在一起。离合器盖是离合器中结构形状比较复杂的承载构件，压紧弹簧的压紧力最终都要由它来承受。2、膜片弹簧膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周表面上开有许多均布的长径向槽，在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔，可以穿过支承铆钉，这部分称之为分离指；从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其截

18、面为截圆锥形，称之为碟簧部分。3、压盘压盘的结构一般是环形盘状铸件，离合器通过压盘与发动机紧密相连。压盘靠近外圆周处有断续的环状支承凸台，最外缘均布有三个或四个传力凸耳。4、传动片离合器接合时，飞轮驱动离合器盖带动压盘一起转动，并通过压盘与从动盘摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动；在离合器分离时，压盘相对于离合器盖作自由轴向移动，使从动盘松开。这些动作均由传动片完成。传动片的两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联接，一般采用周向布置。在离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转；在离合器分离时，可利用它的弹性恢复力来牵动压盘轴向分离并使操纵力减小。5、分离轴承总成分离轴承总成由分离轴承、分离套

19、筒等组成。分离轴承在工作时主要承受轴向分离力，同时还承受在高速旋转时离心力作用下的径向力。目前国产的汽车中多使用角接触推力球轴承，采用全密封结构和高温铿基润滑脂，其端面形状与分离指舌尖部形状相配合，舌尖部为平面时采用球形端面，舌尖部为弧形面时采用平端面或凹弧形端面。膜片弹簧离合器的工作原理由图1.1可知，离合器盖1与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧3被预加压紧，离合器处于接合位置时，由于膜片弹簧大端对压盘5的压紧力，使得压盘与从动盘6摩擦片之间产生摩擦力。当离合器盖总成随飞轮转动时(构成离合器主动部分)，就通过摩擦片上的摩擦转矩带动从动盘总成和变速器一起转动以传递发动机动力（1）接合位置

20、（2）分离位置1-离合器盖 2-铆钉 3-膜片弹簧 4-支撑环 5-压盘6-摩擦片 7-分离轴承总成 8-离合器踏板 9-输出轴要分离离合器时，将离合器踏板8踏下，通过操纵机构，使分离轴承总成7前移推动膜片弹簧分离指，使膜片弹簧呈反锥形变形，其大端离开压盘，压盘在传动片的弹力作用下离开摩擦片，使从动盘总成处于分离位置，切断了发动机动力的传递。膜片弹簧离合器的优点膜片弹簧离合器与其他形式离合器相比，具有一系列优点：(1)膜片弹簧离合器具有较理想的非线性弹性特性；(2)膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，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，弹簧压紧力降低很少，性能较

21、稳定；(4)膜片弹簧以整个圆周与压盘接触，使压力分布均匀，摩擦片接触良好，磨损均匀；(5)易于实现良好的通风散热，使用寿命长；(6)膜片弹簧中心与离合器中心线重合，平衡性好。设计内容与技术路线1、设计的基本内容（1）离合器主、从动装置、膜片弹簧等主要零部件的设计；（2）主要零部件的有限元分析；（3）用AutoCAD完成装配图、零件图。2、设计的技术路线。压紧弹簧布置形式选择结构方案分析选择轻型车发动机参数膜片弹簧支撑形式压盘驱动方式从动盘数量选择离合器基本尺寸的计算确定离合器主要零件的有限元分析离合器主要参数选择绘制装配图、零件图图1.2 设计的技术路线第2章有限元基本理论有限元法的发展及应用

22、有限单元法的发展历史离散化的思想可以追溯到20世纪40年代。1941年，A.HRENNIKOFF首先提出用构架方法求解弹性力学问题，当时称为离散元素法。1943年R.CUORANT在求解扭转问题时为了表征翘曲函数而将截面分成若干三角形区域，在各三角形区域设定一个线形翘曲函数。这是对里兹法的推广，实际上就是有限元法的基本思想，这一思想真正用于工程中是在电子计算机出现后。20世纪50年代应航空工业的需要，美国波音公司的专家首先采用三节点三角形单元，将矩阵位移法用到平面问题上。同时，联邦德国斯图加特大学的J.H.ARGYRIS教授发表了一组能量原理与矩阵分析论文，为这一方法的理论基础作出了杰出贡献。

23、1960年美国的R.W.CLOUGH教授在一篇论文中首先使用有限元法（THE FANATE ELEMENT METHOD）一词，以后这一名称得到广泛承认。20世纪60年代有限单元法得到迅速发展，除了力学界外许多数学家也参与了这项工作，奠定了有限单元法的理论基础，搞清了有限单元法与变分法的关系，发展了各种各样的单元模式，扩大了有限单元法的应用范围。20世纪70年代以来，有限单元法进一步得到蓬勃发展，其应用范围扩展到所有工程领域，成为连续介质问题数值解法中最活跃的分支。由分法有限元扩展到加权残数法与能量平衡法有限元，由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，有静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问

24、题和波形问题，由线形问题扩展到非线形问题，分析对象由弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，由结构分析扩展到结构优化乃至与设计自动化，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域1。有限元法的应用 在工程技术领域中，根据分析的目的，有限单元法的应用可以分为三大类： 一是进行静力分析，也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系统的应力分析，也可应用在静力学、静磁学、稳态热传导和多孔介质中的流体流动等的分析。 二是模态分析和稳定性分析。它是平衡问题的推广，可以确定一些系统的特征值或临界值，如结构的稳定性分析及线弹性系统固有特性的确定等。 三是进行瞬时动态分析。它可以进行求解一些随时

25、间而变的传播问题。如弹性连续体的瞬时动态分析（或称动力响应），流体动力学等。 在机械与汽车结构分析中，有限单元法已作为一种常用的基本方法被广泛使用。上述的有限单元法三大应用领域也包含了机械与汽车结构有限元分析的主要应用范围。具体来讲，有限元分析应用体现在一是在机械与汽车的设计中，对所有结构件、主要机械零部件的强度、刚度、稳定性分析，有限单元法是不可替代的工具。二是在机械与汽车结构的计算机辅助设计（CAD）、优化设计中，有限元法作为结构分析的工具，已成为其中主要组成部分之一。 三是应用在机械与汽车结构动态分析中，普遍采用有限单元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振

26、动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计提供方便有效的工具。 有限单元法最初应用于航空器的强度计算，但随着研究的深入，有限单元法不仅应用于力学问题的分析计算，还在其他科学技术领域中得到广泛应用，成为一种应用广泛、实用高效的数值计算方法。机械结构有限元基本理论机械结构有限元分析的基本内容(1)静态分析。静态分析是指在稳定载荷的条件下对结构进行应力、应变和位移的分析，同时不考虑惯性和阻尼特性，并且不考虑随时间变化的载荷，但允许有稳定的惯性载荷（重力和离心力）作用。随时间变化的载荷可等效为静态载荷之后，再进行静态分析。静态分析验算其指向误差是否超过给定的精度要求

27、。(2)动态分析。机械结构动态分析问题是指结构受到载荷作用没有达到静力学意义的平衡状态，或由于在弹性力的作用下，结构在平衡位置附近做有规律振动。在分析动力学问题时，位移和应力等都是时间的函数，所以不仅考虑结构的刚度，而且应考虑其惯性和阻尼特性。动态分析主要是计算结构部件和系统的固有频率及振型。机械结构分析的有限元法机械结构特性分析是机械产品设计的重要环节。目前，结构分析计算的方法有很多种，有限单元法是运用最为成功、最为广泛的方法。有限元法运用离散概念，把一个弹性连续体分割成由若干个有限单元组成的集合体，单元之间在节点处以铰链相联接，有单元组合而成的结构近似代替原连续结构，通过求解单元内的节点在

28、一定约束和载荷条件下的位移，求解单元内的应力并组合得到一组代数方程组，最后求解得数值解。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解是不同的，有限元求解问题的基本步骤如下：(1)问题及求解区域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。(2)求解域的离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网格划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法核心技术之一。(3)确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用

29、一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛涵形式。(4)单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元刚度矩阵。(5)求解：将单元形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。联合方程组的求解可用直线法、迭代法和随机法。求解结果是单元节点处状态变量的近似值。(6)计算单元应力并整理计算结果：根据求得的位移可以求出结构上所有需要的部件上的应力。并能够绘出结构变形图及各种应力分量

30、、应力组合的等值图2。机械结构静态分析有限元法静态分析有限元法是指求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系统的应力等。线性方程的等效方程为： (2.1) (2.2)式中：_总刚度矩阵，；_ 节点位移矢量；N_单元数；_ 单元刚度矩阵；_支反载荷矢量；_所受的总外载荷。 通过解有限元方程（2.1）式，得出各节点位移矢量u。根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移及应变和应力的关系，得单元节点的应变和应力表达式：(2.3)(2.4)式中：_ 由应力引起的应变；_ 节点上的应变位移矩阵；_ 节点的位移矢量；_ 热应变矢量（本文不考虑）；_ 应力矢量；_ 弹性矩阵系数。 求解（2.3）和（2.

31、4）式，得到各节点相应的应力。综上所述，我们用有限元分析法求出结构的节点位移及节点应力，得到结构静态特性分析结果。2.3 ANSYS 软件简介ANSYS 软件是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语

32、言（APDL）的扩展宏命令功能。基于Montif 的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块（PREP7），分析求解模块（SOLUTION）和后处理模块（POST1和POST26）。前处理模块为一个强大的实体建模和网格划分工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限元模型。分析求解模块是对已建好的模型在一定的载荷和约束条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程。后处理模型是对计算结果进行处理，可将结果显示出来。ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，目前是世界CAE

33、行业最大的公司。其创始人John Swanson博士为匹兹堡大学力学系教授、有限元届的权威。他洞察了计算机模拟工程商品化的发展，把握住了有限元软件发展方向，使ANSYS 公司在同行业中一直处于领先地位。ANSYS 软件的最初版本于今天的版本相比已有很大的区别，它仅仅提供了热分析及线性结构分析功能，是一个批处理程序，只能在大型计算机上使用。20世纪70年代初，非线性、子结构以及更多的单元类型的加入；20世纪70年代末，图形技术和交互式操作方法的应用使得ANSYS软件得到了很大的改善，前后处理技术进入了一个崭新的阶段。 今天ANSYS软件更加趋于完善，功能更加强大，使用更加便捷。ANSYS 5.7

34、 版本的推出对显示动力分析（LS-DYNA）、概率设计系统（PDS）、计算流体动力学功能以及多物理场功能均作了很大的改进与提高。 本章小结本章阐述了有限元法的发展、概念、原理和有限元静力学分析法，以及对有限元应用软件ANSYS的介绍，奠定了下面有限元静力分析的理论基础。第3章 方案选择与基本尺寸参数确定方案选择根据任务书所提设计参数如表3.1。表3.1 设计基本参数最大功率最大扭矩 Nm/3500r/min由汽车设计对乘用车和最大总质量小于6t的商用车而言，发动机的最大转矩一般不大，在布置尺寸容许条件下，离合器通常只设有一个从动盘，所以采用单片离合器。本车采用的摩擦式离合器是因为其结构简单，可

35、靠性强，维修方便，目前大多数汽车都采用这种形式的离合器。采用膜片弹簧离合器是因为膜片弹簧离合器具有很多优点：首先，由于膜片弹簧具有非线性特性，因此可设计成当摩擦片磨损后，弹簧压力几乎可以保持不变，且可减轻分离离合器时的踏板力，使操纵轻便；其次，膜片弹簧的安装位置对离合器轴的中心线是对的，因此其压力实际上不受离心力的影响，性能稳定，平衡性也好；再者，膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使离合器的结构大为简化，零件数目减少，质量减小并显著地缩短了其轴向尺寸；另外，由于膜片弹簧与压盘是以整个圆周接触，使压力分布均匀，摩擦片的接触良好，磨损均匀，也易于实现良好的散热通风等。由于膜片弹簧离合器具有

36、上述一系列的优点，并且制造膜片弹簧的工艺水平也在不断地提高，因而这种离合器在轿车及微型、轻型客车上已得到广泛的采用，而且逐渐扩展到载货汽车上。从动盘选择单片式从动盘是一位其结构简单，调整方便。压盘驱动方式采用传动片式是因为其没有太明显的缺点且简化了结构，降低了装配要求又有利于压盘定中。综上本次设计选择单片推式膜片弹簧离合器。3.2后备系数的选择离合器的后备系数，选择时应考虑摩擦片磨损后仍能传递及避免起步时滑磨时间过长；同时应考虑防止传动系过载及操纵轻便等。表后备系数表车 型轿车 轻型货车中、 重型货车越野车 牵引车后 备 系 数本设计是基于松花江微型客车HFJ1010的离合器设计，该车型属于轻

37、型货车类型，故选择本次设计的后背系数在之间选择。因为该车型为小型车，不需要太大的后备系数，取=1.3。3.3离合器基本性能关系式离合器的基本功能之一是传递转矩，因此离合器转矩容量是离合器最为基本的性能之一。通过转矩容量能初步定出离合器的原始参数、尺寸。为了能可靠地传递发动机最大转矩，离合器的转矩容量应大于发动机最大转矩，而离合器传递的摩擦力矩又决定于其摩擦面数Z、摩擦系数f、作用在摩擦面上的总压紧力P与摩擦片平均摩擦半径Rm，即Nm（3.1）式中：离合器的后备系。摩擦系数。该车型发动机最大转矩为Nm，取后备系数可得离合器的转矩容量=Nm3。3.4摩擦片外径的确定摩擦片外径是离合器的基本尺寸，它

38、关系到离合器的结构重量和使用寿命，它和离合器所需传递的转矩大小有一定关系。显然，传递大的转矩，就需要大的尺寸。发动机转矩是重要的参数，当按发动机最大转矩来确定D时，可以查表3.3来确定摩擦片外径D的尺。表3.3离合器尺寸选择参数表摩擦片外径D/mm发动机最大转矩Te max/Nm单片离合器双片离合器重负荷中等负荷极限值2251301501702501702002302802402803203002603103603253203804503504104805503805106007004106207208304303506808009304503808209501100所选的尺寸D应符合有关标准

39、(JB1457-74)的规定。表3.3给出了离合器摩擦片的尺寸系列和参数。另外，所选的D应符合其最大圆周速度不超过6570m/s的要求，且重型汽车不应超过50m/s。表3.4离合器摩擦片尺寸系列和参数外径内径厚度内外径之比单位面积1601101060018012513200200140160002251502210025015530200280165402003001754660032519054600350195467800380205472900发动机参数该车型发动机最大转矩Te max为Nm根据经验公式，D=，对于小轿车 A=47，得D=105.689mm，根据Te max 初选D以后，

40、还需注意摩擦片尺寸的系列化和标准化，表3.4为我国摩擦片尺寸的标准。摩擦片外径D=180mm摩擦片内径d=125mm摩擦片内外径比d/D94单面面积F=13200mm2根据式中：为摩擦片最大圆周速度（m/s）; 为发动机最高转速（r/min）。所以，故符合条件4。3.5摩擦片的有限元分析3.5.1建立摩擦片的有限元模型图3.1 摩擦片模型本文采用实体块单元（SOLID45），进行结构离散，即网格划分。网格划分对于ANSYS软件来说，有二种划分方式：自由网格划分、映射网格划分。自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域，生成排列不规则的网格，其单元的形状也是大小不一的，常常用于复杂边界形状的网

41、格划分，但其分析精度不高；映射网格划分是将规则的形状（如正方形、三棱柱等）映射到不规则的区域（如畸变的四边形、底面不是正多边形的棱柱等），它所生成的网格相互之间是呈规则的排列的，分析精度也很高，但它要求划分区域满足一定的条件，否则不能划分，对于复杂形状的边界模拟能力较自由网格划分差。本文采用自由网格划分，共生成了2683个单元，1055个节点。生成有限元模型如图3.2。图3.2 摩擦片有限元模型3.5.2摩擦片的计算结果与结果分析考虑分析类型为摩擦片在最大受载的情况下的静力分析，摩擦片没有转动，摩擦力为最大摩擦力。可以把摩擦片看做一面全约束，另一面受压力转矩作用的单元体。压力的加载方法可以转换

42、为受力面得压强，转矩的加载则需要引入一个具有旋转自由度的节点。压强转矩T=Nm。，得到有限元模型在外载荷下的整体应变图。图3.3 节点应力等值线图第一应力图 第二应力图 第三应力图 X应力图Y应力图Z应力图图3.4应力强度云图单位：Pa 表3.5加载处及其周围节点主应力表节点号40238635434993 416 主应力单位：m 表3.6 节点位移表NODEUXUYUZUSUM402425396386由图3.3可看出摩擦片从内圈到外圈变形逐渐变大。取摩擦片变形最大的几个点，列出位移表，见表3.6，该表列出了这些节点在各个方向上的变形。由表得第402号节点位移最大，大小是5559E-08m,，远

43、小于经验许用刚度，满足设计要求。由图3.4可以看出在摩擦片内圈和铆钉处应力强度最大，列出应力表，见表3.5。由表得第416号节点应力最大，大小是Pa，远小于许用应力345 MPa，满足设计要求。由分析得知摩擦片的应力应变都远小于许用应力许用刚度，在传统设计没有强度校核是有根据的。3.6本章小结本章对离合器的摩擦片进行了设计选择，确定了离合器摩擦片的外径尺寸，对以后其他多个部件总成的外形尺寸选择起了决定作用。通过有限元软件ANSYS对摩擦片有限元模型进行了有限元静力分析，验证了摩擦片设计的合理性。第4章 主动部分设计4.1压盘参数的选择和校核压盘形状较复杂，要求传热性好、具有较高的摩擦系数及耐磨

44、。故通常由灰铸铁HT200铸成，金相组织呈珠光体结构，硬度HB170227。另外可添加少量金属元素(如镍、铁、锰合金等)以增强其机械强度。压盘的外径可根据摩擦片的外径由结构确定。为了使每次接合的温升不致过高，压盘应具有足够大的质量以吸收热量；为了保证在受热情况下不致翘曲变形，压盘应具有足够大的刚度且一般都较厚(载货汽车的离合器压盘，其厚度一般不小于15mm)。此外，压盘的结构设计还应注意其通风冷却要好，例如在压盘体内铸出导风槽。压盘的厚度初步确定后，应校核离合器一次接合的温升不应超过810温升的校核按式为：=L/mc （4.1）式中：；m压盘的质量，kg；c压盘的比热容，铸铁的比热容为)；L滑

45、磨功，J。若温升过高，可适当增加压盘的厚度。压盘单件的平衡精度应不低于1520gcm。选择压盘厚度为15mm，外径185mm，内径120mm。代入公式（4.1）进行校核计算，=符合标准5。4.2压盘的有限元分析4.2.1建立压盘有限元模型在ANSYS交互界面直接建立模型，合理的对压盘进行了简化不影响分析结果。通过体与体之间的加和减形成图4.1的模型，压盘材料为HT200刚密度：103 kg/m3e11 Pa最大许用应力：240MPa泊松比 ：0图4.1 ANSYS建立压盘模型采用实体块单元（SOLID45），进行结构离散，即网格划分。该单元在有限元法中具有8个节点，3个自由度。采用自由网格划分

46、，共生成了10106个单元，2626个节点，生成的有限元模型如图4.2、4.3。图4.2 压盘有限元模型图4.3 压盘有限元模型4.2.2压盘有限元计算及结果分析考虑分析类型为压盘在最大受载的情况下的静力分析，压盘没有转动，可以把压盘看做一面全约束，另一面受压力转矩作用的单元体。压力的加载方法可以转换为受力面得压强，转矩的加载则需要引入一个具有旋转自由度的节点。压强转矩T=Nm。，得到有限元模型在外载荷下的整体应变图。图4.3 节点应力等值线图 图4.4 第一应力图 图4.5 第二应力图图4.6 第三应力图 图4.7 X应力图 Y 应力图图4.9 Z应力图单位：Pa 表 加载处及其周围节点主应力表节点号18286365534316 主应力1.40286E61.13073E61.11202E61.29122E61.28197E6单位：m 表 节点位移表NODEUXUYUZUSUM860.84324E-08-0.81836E-1330446087-08-547-11248由图可看出压盘从内圈到外圈变形逐渐变大。取压盘变形最大的几个点，列出位移表，见表，该表列出了这些节点在各个方向上的变形。由表得第86号节点位移最大，大小是E-08m,，远小于许用刚度，满足设计要求。由图可以看出在压盘内圈应力强度最大，列出应力表，见表。由表得第18号节