有關(guān)汽車離合器的設(shè)計與其優(yōu)化分析

夏燕鋒

(浙江亞太機電股份有限公司,浙江杭州 311203)

有關(guān)汽車離合器的設(shè)計與其優(yōu)化分析

夏燕鋒

(浙江亞太機電股份有限公司,浙江杭州 311203)

離合器的功能就是切斷及實現(xiàn)對傳動系的動力傳遞,能夠起到限制傳動系所承載的最大轉(zhuǎn)矩的作用,避免由于傳動系各零件過載而出現(xiàn)設(shè)備損壞的現(xiàn)象。本文對汽車離合器的設(shè)計要求進行分析,對離合器的軟件設(shè)計進行概述,對結(jié)構(gòu)形式不同的執(zhí)行機構(gòu)離合器設(shè)計進行研究,通過確定設(shè)計變量、目標函數(shù)以及約束條件,對離合器進行優(yōu)化分析。

汽車離合器 設(shè)計 優(yōu)化

1 引言

離合器位于汽車發(fā)動機和變速箱的中間位置,具體在飛輪殼內(nèi)部,通過螺釘對離合器進行固定,其輸出軸也就是變速箱的輸入軸。汽車在行駛時,汽車駕駛員能夠按照不同的需要對離合器進行控制,踩下踏板或者松開踏板,讓發(fā)動機和變速箱短時間內(nèi)分離或者是逐漸的接合,其作用是為了切斷或者傳遞動力。因此,離合器設(shè)計對于汽車整體設(shè)計水平而言具有重要影響作用。好的設(shè)計是以汽車起步平穩(wěn)為目標,還可以降低傳動系統(tǒng)中產(chǎn)生的振動和噪聲。

2 汽車離合器的設(shè)計

汽車離合器是汽車傳動系統(tǒng)中的重要組成部分,對于汽車的動力、安全、經(jīng)濟以及駕駛舒適性等有一定的影響,然而長期以來汽車離合器的設(shè)計是利用設(shè)計人員手工計算,設(shè)計中所涉及到的參數(shù)也是通過設(shè)計人員的個人經(jīng)驗進行估算,或者是按照簡單的假設(shè)條件下采取近似計算值的方法。之后再通過具體的試驗尋找設(shè)計缺陷,不斷修正直至達到設(shè)計標準。這個設(shè)計過程既浪費時間又耗費人力,而且得到的結(jié)果也未必是最優(yōu)結(jié)果。

2.1 離合器的設(shè)計要求

(1)汽車在各種形式條件下,都能穩(wěn)定可靠的傳遞最大轉(zhuǎn)矩;(2)離合器在接合時,要盡可能的平順柔和,確保汽車在起步或者換擋時無抖動和沖擊;(3)從動部分的轉(zhuǎn)動慣量不能太大,減輕換擋時變速器齒輪之間的壓力;(4)離合器必須具備較好的吸熱能力,通風散熱效果要好,確保離合器的使用壽命達到設(shè)計要求;(5)防止傳動系出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振的現(xiàn)象,具備吸收震動、緩和沖擊的作用;(6)離合器的結(jié)構(gòu)要盡可能的簡單、緊湊,制作工藝好,便于進行設(shè)備維修和調(diào)整。

2.2 離合器的軟件設(shè)計

現(xiàn)階段,軟件設(shè)計也是產(chǎn)品設(shè)計的重要設(shè)計方法,因此有必要利用一些電腦軟件對離合器進行設(shè)計。首先,要參考之前設(shè)計人員的一些經(jīng)驗,利用試驗數(shù)據(jù)進行重新建模,利用Pro/E和UG等軟件進行設(shè)計,利用Ansys等CAE仿真軟件進行仿真優(yōu)化,分析其是不是達到設(shè)計規(guī)范的要求,最后通過有限元分析軟件對零部件進行檢查,主要檢查其在一定的約束條件下對載荷產(chǎn)生什么樣的響應。利用科學合理的方法得到載荷條件和邊界條件。結(jié)合力學理論對數(shù)據(jù)進行分析,以驗證產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠性。

2.3 結(jié)構(gòu)形式不同的執(zhí)行機構(gòu)離合器設(shè)計

汽車離合器的執(zhí)行離不開離合器執(zhí)行機構(gòu),是控制器的控制下對離合器的工作規(guī)律進行監(jiān)控,離合器執(zhí)行機構(gòu)的性能會對離合器監(jiān)控效果產(chǎn)生重要影響。除此之外,離合器的穩(wěn)定可靠會影響到自動離合器控制系統(tǒng)的運行以及駕駛員的生命安全,以此也反映出離合器執(zhí)行機構(gòu)的重要性。

3 離合器的優(yōu)化分析

3.1 設(shè)計變量

由于離合器的后備系數(shù)β和單位壓力p0取決于離合器的工作壓力F,以及離合器的主要尺寸參數(shù)D和d,因此對離合器進行優(yōu)化,其基本參數(shù)的設(shè)計變量應當選擇為:

其中,T為靜摩擦力矩

D為摩擦片外徑

d為摩擦片內(nèi)徑

3.2 目標函數(shù)

離合器設(shè)計的目標函數(shù)就是指離合器設(shè)計的目標,離合器的結(jié)構(gòu)在滿足正常使用功能和使用壽命的前提下尺寸盡可能的小,具體目標函數(shù)為:

3.3 約束條件

(1)對摩擦片外徑D進行選擇時,要確保最大圓周速度vD不能大于65m/s～70m/s。也就是

(2)摩擦片的內(nèi)徑和外徑之比c要處于0.53和0.7的范圍內(nèi)。

(3)汽車車型不同,其β值最小不能低于1.2,最大不能超過4.0,確保離合器能夠穩(wěn)定可靠的傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)矩,避免出現(xiàn)傳動系過載的情況。

(4)為了確保扭轉(zhuǎn)減震器順利安裝,摩擦片內(nèi)徑d至少不能小于減震器彈簧位置直徑2Ro,大約為50mm,也就是得到以下公式:d＞2Ro+50。

(5)單位摩擦面積傳遞的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩也要進行控制,其約束范圍能夠在一定程度上反映出離合器傳遞轉(zhuǎn)矩,并且保護過載的能力,其約束范圍為

(6)汽車離合器在滑摩過程中會產(chǎn)生熱負荷,這是很正常的現(xiàn)象,但是也很容易使摩擦片產(chǎn)生損失,因此不同汽車車型,對摩擦材料進行選擇時,要考慮其單位壓力p0也應當在一個約束范圍之內(nèi)。實驗數(shù)據(jù)表明,摩擦材料單位壓力在0.1MPa～1.5MPa之間,也就是0.10MPa≤p0≤1.5MPa。

(7)一般而言,汽車在起步時滑磨現(xiàn)象比較嚴重,摩擦片溫度會隨著摩擦的加劇而不斷升高。因此,要對單位摩擦面積進行控制,也就是確定滑磨功要處于某一個范圍,也就是

3.4 優(yōu)化設(shè)計

離合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠利用微粒群算法進行求解,然而設(shè)計要求各有區(qū)別,離合器設(shè)計的目標函數(shù)不止一個,因此可以采用權(quán)重系數(shù)法,把目標函數(shù)總結(jié)成一個函數(shù)。除此之外,設(shè)計中需要對不等式約束條件進行綜合考慮,也可以利用內(nèi)點混亂懲罰函數(shù)解決這些約束。

4 結(jié)語

綜上所述,通過對汽車離合器的設(shè)計和優(yōu)化進行分析,發(fā)現(xiàn)好的汽車離合器設(shè)計要先從確定設(shè)計要求開始,然后按照場合和特點等對離合器形式進行選擇,建立相應的數(shù)學模型,利用電腦軟件進行有限元分析和仿真優(yōu)化。本文對有關(guān)汽車離合器的設(shè)計和優(yōu)化進行分析和探討,以期對于汽車離合器設(shè)計水平的提高,起到一定的理論指導意義。

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