離合器壓盤參數(shù)化與編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 蕾

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

目前，世界上成組分類編碼系統(tǒng)已經(jīng)有70多種。一般常見的成組編碼系統(tǒng)有德國的OPITZ系統(tǒng)、前蘇聯(lián)的BIITN系統(tǒng)、日本的KK-3系統(tǒng)及我國的JLBM-1系統(tǒng)等［1］。這些分類編碼系統(tǒng)都是面向某一類零件(如箱體類零件、回轉(zhuǎn)體類零件等)的專用系統(tǒng)，很難處理形狀復(fù)雜的零件。目前，還沒有專門針對(duì)壓盤的成組編碼系統(tǒng)，筆者根據(jù)離合器壓盤企業(yè)的實(shí)際需求，利用其在設(shè)計(jì)原理、制造工藝等方面的相似性和規(guī)律性，開發(fā)了適應(yīng)壓盤生產(chǎn)的工藝編碼系統(tǒng)，并與參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)合起來，使結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化，減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)性勞動(dòng)，在一定程度上加快了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1 壓盤參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 壓盤結(jié)構(gòu)

壓盤設(shè)計(jì)主要涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)、車型、傳動(dòng)系統(tǒng)和材料4大類設(shè)計(jì)要素，發(fā)動(dòng)機(jī)要素包括發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)角速度;車型要素包括汽車總質(zhì)量和系數(shù)A;傳動(dòng)系統(tǒng)要素包括主減速器傳動(dòng)比和變速器傳動(dòng)比;材料要素包括壓盤溫升、滑磨功所占百分比和壓盤的比熱容的確定，壓盤參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示，通過基本參數(shù)的輸入，實(shí)現(xiàn)主要幾何尺寸的自動(dòng)計(jì)算與三維模型驅(qū)動(dòng)。

圖1 壓盤參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

圖2 壓盤的三維結(jié)構(gòu)

壓盤是一個(gè)金屬圓盤，是汽車離合器的主動(dòng)部分。圖2所示為壓盤的三維結(jié)構(gòu)圖，它的主體結(jié)構(gòu)由圓盤、壓盤孔、支承筋、壓盤耳和壓盤耳孔5個(gè)部分組成。正常的狀態(tài)是同離合器片緊密結(jié)合，成為一個(gè)整體，隨發(fā)動(dòng)機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，并把動(dòng)力傳遞給變速箱。當(dāng)踏下離合器踏板時(shí)，壓盤同離合器片分離，切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，就可以實(shí)現(xiàn)換擋。抬起離合器踏板，壓盤再次同離合器片結(jié)合，傳遞動(dòng)力。

1.2 壓盤幾何尺寸的設(shè)計(jì)

1.2.1 壓盤內(nèi)外徑尺寸的確定

由于壓盤和摩擦片是相互咬合的，因此摩擦片尺寸確定后，與其摩擦相接觸的壓盤的內(nèi)、外徑也就基本確定。摩擦片的外徑是離合器的基本尺寸，它關(guān)系到離合器的結(jié)構(gòu)重量和使用壽命［2］。離合器摩擦片外徑D的公式為:

式中，Temax為汽車起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩;系數(shù)A反映了不同結(jié)構(gòu)和使用條件對(duì)D的影響，與汽車類型直接相關(guān)。

在外徑D一定的情況下，選用較小的內(nèi)徑d雖可增大摩擦面積，提高傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，但會(huì)使摩擦面上的壓力分布不均勻，使內(nèi)外緣圓周的相對(duì)滑磨速度差別太大而造成摩擦面磨損不均勻，且不利于散熱和扭轉(zhuǎn)減振器的安裝。摩擦片的內(nèi)外徑比f應(yīng)在0.53～0.70范圍內(nèi)，如表1所示。

表1 壓盤內(nèi)外徑尺寸對(duì)應(yīng)表 mm

1.2.2 壓盤厚度的確定

滑磨功L和摩擦功Ja的公式分別為:

式中，ma為汽車總質(zhì)量;rk為車輪滾動(dòng)半徑;i0為主減速器傳動(dòng)比;ik為變速器傳動(dòng)比;ω0為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度。

由式(2)和式(3)得到L的值。壓盤溫升校核公式為:

式中，c為壓盤的比熱容;τ為溫升，不應(yīng)超過8～10℃;k為分配到壓盤上的滑磨功所占的百分比，單片離合器壓盤k=0.50，雙片離合器壓盤k=0.25，雙片離合器中間壓盤k=0.50。

由式(4)可得壓盤總質(zhì)量m壓，由經(jīng)驗(yàn)值可知，圓盤質(zhì)量m盤占?jí)罕P總質(zhì)量m壓的91%，壓盤質(zhì)量公式為:

式中，ρ為密度;R為壓盤外徑。

經(jīng)計(jì)算即可得到壓盤厚度h［3］。

1.3 壓盤三維模型的驅(qū)動(dòng)

確定了壓盤的幾何尺寸后，對(duì)壓盤的三維模型進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，即可完成壓盤的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。

SolidWorks是一個(gè)開放的CAD系統(tǒng)，它提供了API接口，可以對(duì)其二次開發(fā)［4］。模型驅(qū)動(dòng)流程如圖3所示。首先利用C++語言，通過Solid-Works的最高層接口ISldWorks打開壓盤Solid-Works文件，然后通過SolidWorks的模型文檔接口IModelDoc提取零件的幾何特征信息，通過尺寸驅(qū)動(dòng)三維模型［5］，則設(shè)計(jì)者面對(duì)的是尺寸列表，直接修改特定尺寸就可以完成模型的驅(qū)動(dòng)，準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)的效率得到大大提高。

圖3 模型驅(qū)動(dòng)流程

其具體幾何信息的提取過程如圖4所示，在得到Feature對(duì)象后，就可進(jìn)入幾何信息的提取過程環(huán)節(jié)。在SolidWorks中，幾何信息存儲(chǔ)在DisplayDimension對(duì)象下面的 Dimension中［6］。首先要從Feature中提取DisplayDimension信息，然后從DisplayDimension中獲取Dimension對(duì)象，最后再從Dimension中抽取幾何信息，根據(jù)所提取的幾何信息的類型調(diào)用SolidWorks中不同的API函數(shù)就可以直接實(shí)現(xiàn)［7］。

2 壓盤工藝編碼系統(tǒng)

通過對(duì)國內(nèi)汽車市場上多種壓盤的結(jié)構(gòu)分析，可以歸納出影響其工藝的因素如下［8］:

(1)汽車和離合器的類別。離合器直接影響壓盤的結(jié)構(gòu)。

(2)壓盤的驅(qū)動(dòng)方式。凸塊窗孔式、傳力片式、銷釘式和鍵塊式等多種。

(3)壓盤的材料。由式(4)可知，c是壓盤比熱容，它與壓盤的材料直接相關(guān)。

圖4 幾何信息的提取過程

(4)壓盤圓盤的外徑、內(nèi)徑、厚度。這是壓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的幾何尺寸。

(5)壓盤支承筋的直徑、寬度、高度和棱邊角度。支承筋的合理設(shè)計(jì)可以保證在受熱的情況下，將壓緊力在摩擦面上的壓力分布均勻，使壓盤不會(huì)因產(chǎn)生翹曲變形而影響離合器的徹底分離和摩擦片的均勻壓緊。

(6)壓盤耳厚度、外直徑、孔徑和中心直徑。這關(guān)系著壓盤與摩擦片以及離合器蓋的合理連接，如果傳力處之間間隙超過0.2 mm，在傳力開始的一瞬間將產(chǎn)生沖擊和噪聲，隨著接觸部分磨損的增加而加大沖擊，有可能使壓盤耳根部出現(xiàn)裂紋而造成零件的早期損壞。

(7)壓盤圓盤、孔、支承筋、壓盤耳、耳孔的精度、粗糙度和形位公差。這些都是關(guān)系到壓盤零件加工質(zhì)量的重要數(shù)據(jù)。

通過分析設(shè)計(jì)出專門針對(duì)壓盤的分類編碼系統(tǒng)PJLBM，它由17位碼組成，各位碼按特征類別采用直接的描述方式。每一位碼由從0～5的6個(gè)數(shù)字型特征代碼組成，特征不足6位特征代碼的預(yù)留出6位碼，以便能結(jié)合世界先進(jìn)的工藝技術(shù)水平，以及新工藝、新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢做增補(bǔ)，使分類編碼系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，避免頻繁修改［9］。詳細(xì)分類如表2所示。

表2 壓盤工藝編碼系統(tǒng)PJLBM

3 實(shí)例演示

筆者以離合器型號(hào)為180的壓盤為例，實(shí)際演示該系統(tǒng)。登錄系統(tǒng)后，選擇參數(shù)化設(shè)計(jì)界面，選擇離合器型號(hào)為180，可以方便地從典型壓盤模型庫中的文件庫中搜索出壓盤的SolidWorks文件，參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面圖如圖5所示，輸入基本設(shè)計(jì)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)其主要幾何尺寸的自動(dòng)計(jì)算，直接得到壓盤的導(dǎo)出參數(shù)，如壓盤的外徑、內(nèi)徑和厚度，即用盡可能少的設(shè)計(jì)參數(shù)得到關(guān)于零件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性尺寸的導(dǎo)出參數(shù)。同時(shí)利用API接口調(diào)出參數(shù)化設(shè)計(jì)尺寸列表，尺寸驅(qū)動(dòng)得到三維模型。

圖5 參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面圖

然后選擇分類編碼系統(tǒng)，其系統(tǒng)界面圖如圖6所示，系統(tǒng)采用程序邏輯與數(shù)據(jù)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，按其各種特征進(jìn)行分類編碼，輸入工藝信息能夠得到編碼，并能夠依賴自定義的搜索算法從數(shù)據(jù)文件中找到該產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的工序［10］。

圖6 分類編碼系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)論

根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)和成組編碼的思想，對(duì)壓盤零件的重復(fù)性設(shè)計(jì)模式進(jìn)行革新，提出了汽車離合器壓盤參數(shù)化與編碼系統(tǒng)，用該方法可解決設(shè)計(jì)人員反復(fù)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性等諸多問題，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)周期和規(guī)范設(shè)計(jì)方式的效果。但由于壓盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，結(jié)構(gòu)和工藝數(shù)據(jù)的收集是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，應(yīng)考慮不同的壓盤生產(chǎn)企業(yè)，以及目前市面上層出不窮的關(guān)于新型壓盤設(shè)計(jì)的發(fā)明，如何考慮這些不確定因素對(duì)壓盤設(shè)計(jì)系統(tǒng)的影響是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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