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目 錄
摘 要 Ⅲ
Abstract Ⅳ
1 緒 論 1
2 離合器的設(shè)計(jì)定位及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 3
2.1 離合器的設(shè)計(jì)定位 3
2.2 從動(dòng)盤(pán)的選擇 3
2.3 壓緊彈簧及布置形式的選擇 4
2.4 離合器的散熱通風(fēng) 4
2.5 離合器類型的確定 5
3 離合器基本參數(shù)的確定和尺寸選擇 6
3.1 離合器后備系數(shù)β的確定 7
3.2 單位壓力ρ0的確定 7
3.3 摩擦片基本尺寸的選擇 7
3.4 基本參數(shù)的校核 8
4 離合器壓盤(pán)和離合器蓋的設(shè)計(jì) 10
4.1 選擇壓盤(pán)的傳動(dòng)方式及材料 10
4.2 壓盤(pán)的性能校核 10
4.3 離合器蓋的設(shè)計(jì) 11
5從動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì) 12
5.1摩擦片的選擇 12
5.2從動(dòng)片的選擇及設(shè)計(jì) 12
5.3從動(dòng)轂的設(shè)計(jì) 13
5.4轉(zhuǎn)矩減振器的設(shè)計(jì) 15
6膜片彈簧的設(shè)計(jì) 19
6.1膜片彈簧的彈性特性 19
6.2膜片彈簧的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 19
6.3膜片彈簧的參數(shù)校核 21
7基于ANSYS對(duì)離合器主要零件進(jìn)行模態(tài)分析 22
7.1基于ANSYS對(duì)膜片彈簧進(jìn)行自由模態(tài)分析 22
7.2基于ANSYS對(duì)從動(dòng)轂進(jìn)行模態(tài)分析 24
8結(jié) 論 27
參考文獻(xiàn) 28
致 謝 29
II
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汽車(chē)離合器的設(shè)計(jì)及模態(tài)分析
摘 要
汽車(chē)離合器是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中重要的一個(gè)組成部分，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間的飛輪殼體中，通過(guò)離合器蓋和飛輪用螺釘固定,與變速箱的輸入軸共軸。離合器可以說(shuō)是汽車(chē)動(dòng)力傳遞的開(kāi)關(guān)，能夠臨時(shí)切斷汽車(chē)的動(dòng)力輸出，確保汽車(chē)能夠平穩(wěn)起步，防止傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載。如今汽車(chē)離合器的設(shè)計(jì)及制造工藝已經(jīng)十分成熟，而離合器的發(fā)展也趨于自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)主要分析了在汽車(chē)離合器設(shè)計(jì)中最常用的離合器類型——膜片彈簧離合器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并對(duì)其主要零件：摩擦片、壓盤(pán)、扭轉(zhuǎn)減震器、膜片彈簧等進(jìn)行了具體尺寸設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核。并運(yùn)用PROE繪制出離合器的三維模型，再基于ANSYS Workbench對(duì)膜片彈簧和從動(dòng)盤(pán)轂進(jìn)行模態(tài)分析，找出設(shè)計(jì)中所遺漏的點(diǎn)和檢驗(yàn)零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞:汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)；膜片彈簧；磨擦片；PROE；ANSYS Workbench;模態(tài)分析
VIII
Abstract
Design and modal analysis of automobile clutch
Abstract
The automobile clutch is an important component of the automotive transmission system. It is located in the flywheel housing between the engine and the transmission and is directly connected to the engine. The output shaft of the clutch is the input shaft of the transmission. Its role is to temporarily cut off the power output of the car to ensure that the car can start steadily and prevent the transmission system from being overloaded. Nowadays, the design and manufacturing process of automotive clutches is very mature, and the development of clutches is also becoming more automated. This design mainly analyzes the clutch type used in the clutch design of the automobile: the mechanism and working principle of the diaphragm spring clutch, and its main parts: friction plate, pressure plate, torsion damper, diaphragm spring, etc. Specific size design and strength check. And use PROE to draw the assembly diagram of the clutch assembly for modal analysis to find out the missing points in the design.
Key words: automotive transmission system；diaphragm springs,；grinding discs,；PROE；
IX
第1章 緒論
1 緒 論
現(xiàn)在的汽車(chē)雖然出現(xiàn)了以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的，但大部分還是以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力，而離合器是以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車(chē)傳遞動(dòng)力的總成，屬于汽車(chē)傳動(dòng)系。離合器的安裝位置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的中間，用螺釘固定在飛輪后面，作為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞的開(kāi)關(guān)，安裝在飛輪殼內(nèi)。汽車(chē)行駛時(shí)，駕駛員通過(guò)控制離合器踏板，去實(shí)現(xiàn)離合器分離與接合，于此同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力也隨著切斷與接入，是汽車(chē)傳動(dòng)系的重要零部件。
離合器的作用主要是以下三個(gè):
（1）平順換檔：在換檔時(shí)，駕駛員踩下離合器踏板，離合器處于分離狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞被切斷，變速器才能進(jìn)行換；若離合器不能徹底分離，動(dòng)力傳遞沒(méi)有完全切斷，變速器將產(chǎn)生換檔困難、換檔沖擊響甚至不能換換，對(duì)變速器的損傷很大.在換檔過(guò)程中，如果出現(xiàn)換檔困難、換檔沖擊響甚至不能換換的情況，一定要記得很有可能是離合器分離不徹底導(dǎo)致的，而不是變速器故障。
（2）平穩(wěn)起步：在掛入檔位后，駕駛員控制離合器的接合過(guò)程，可以逐漸傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，使得汽車(chē)起步時(shí)候平穩(wěn)，接合不能過(guò)快而導(dǎo)致汽車(chē)熄火。
（3）防止傳動(dòng)系過(guò)載：若傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載過(guò)大，離合器的摩擦表面的摩擦力過(guò)小而打滑，這樣就防止因傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載而產(chǎn)生的異常損壞。所有設(shè)計(jì)離合器時(shí)，汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率是一個(gè)很重要的參考數(shù)據(jù)。
如果從安裝在1889年德國(guó)戴姆勒公司生產(chǎn)的鋼制車(chē)輪小汽車(chē)上的離合器原型算起，汽車(chē)離合器至今已發(fā)展了一百多年的。從最開(kāi)始的錐形離合器到現(xiàn)今的盤(pán)式離合器，從單片到雙片、多片；從干式到濕式；從手動(dòng)到自動(dòng)；如今汽車(chē)離合器在不同領(lǐng)域的不同類型十分之多。而其中在小型汽車(chē)上所用的離合器，膜片彈簧離合器是最為常見(jiàn)的。因?yàn)槟て瑥椈删哂休^理想的非線性彈性特性，使得它在工作時(shí)所受到的壓力分布的較為均勻，和壓盤(pán)及離合器蓋接觸良好，這樣它的磨損也會(huì)比其他離合器會(huì)均勻很多，使得它的使用壽命長(zhǎng)變長(zhǎng)。
主動(dòng)部分、從動(dòng)部分、壓緊機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)作為離合器的四個(gè)組成部分，有著不同的零件和功能。從動(dòng)盤(pán)就是從動(dòng)部分，它包括從動(dòng)盤(pán)轂、從動(dòng)片、摩擦片、扭矩減震器；壓緊機(jī)構(gòu)就是壓緊彈簧和安裝固定它的一些部件。駕駛員通過(guò)控制操縱機(jī)構(gòu)去控制離合器的分離及接合，壓緊機(jī)構(gòu)是主動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力，從動(dòng)部分受主動(dòng)部分控制，四個(gè)部分相互配合而切斷和接入發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。
隨著汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)的性能也越來(lái)越好，因而動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也越來(lái)越高，也就需要更好的離合器與之相匹配。所以增加離合器的傳遞最大扭轉(zhuǎn)的能力，提高離合器的使用壽命和操作手感，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)是離合器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
5
第2章 離合器的設(shè)計(jì)定位與結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2離合器的設(shè)計(jì)定位與結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1離合器的設(shè)計(jì)定位
近十年來(lái)，我國(guó)的機(jī)動(dòng)車(chē)和駕駛?cè)说臄?shù)量都保持著較高的增長(zhǎng)速度，截止到2017年，我國(guó)汽車(chē)的保有量就有2億輛，占全球的20%。而根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的《2017年中國(guó)私人汽車(chē)擁有量情況分析》報(bào)告中指出2016年中國(guó)私人汽車(chē)擁有量為16330.22萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)15.8%。預(yù)計(jì)2017年中國(guó)私人汽車(chē)的擁有量將會(huì)達(dá)到18128.94萬(wàn)輛。
目前中國(guó)家庭偏愛(ài)小型載客私人汽車(chē)，2016年其擁有量為14645.61萬(wàn)輛，占不同類型私人汽車(chē)擁有量的98.3%。而根據(jù)2017年的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)平均6.7人擁有一輛私家車(chē)，遠(yuǎn)不及英、美、日、韓等國(guó)家?？梢钥闯鑫覈?guó)的私人汽車(chē)的增長(zhǎng)空間還是十分之大的。
所以本次設(shè)計(jì)是針對(duì)小型載客私家車(chē)而設(shè)計(jì)一款離合器，車(chē)重為：（目前型載客私家車(chē)的噸位大多數(shù)在之間），發(fā)動(dòng)機(jī)功率為，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩。
2.2從動(dòng)盤(pán)的選擇
對(duì)于一輛重量為，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為，最大功率為的輕型轎車(chē)，所用的離合器只需要一個(gè)從動(dòng)盤(pán)就足夠了。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)從動(dòng)盤(pán)，所以離合器的布置尺寸的限制會(huì)較小。這樣離合器的結(jié)構(gòu)就會(huì)簡(jiǎn)單、容易設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)、內(nèi)部零件的尺寸緊湊、維修方便，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器動(dòng)力分離徹底，接合平順。
從動(dòng)盤(pán)的數(shù)目越多，離合器轉(zhuǎn)遞扭矩的能力也會(huì)越強(qiáng)。在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)比，從動(dòng)盤(pán)越多的離合器，徑向尺寸和踏板力就會(huì)越小，接合就會(huì)越平順。但是由于摩擦面多了，導(dǎo)致離合器結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜，其散熱通風(fēng)的能力就會(huì)下降，負(fù)載不均勻，容易燒壞離合器，導(dǎo)致分離不夠徹底。
因此在設(shè)計(jì)汽車(chē)離合器的時(shí)候并不是從動(dòng)盤(pán)越多越好，而是根據(jù)車(chē)輛的各種參數(shù)和使用環(huán)境的不同而進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。而這次設(shè)計(jì)的重量為的輕型轎車(chē)，決定選用單片離合器，只有一片從動(dòng)盤(pán)。
2.3壓緊彈簧及布置形式的選擇
壓緊彈簧選擇采用膜片彈簧，與其余不同形式的壓緊彈簧比較，膜片彈簧的優(yōu)勢(shì)在于：
（1） 膜片彈簧的非線性彈性特征比較符合理想；
（2） 膜片彈簧能夠同時(shí)起到壓緊彈簧和分離杠桿的作用；
（3） 膜片彈簧具有簡(jiǎn)潔而緊密的結(jié)構(gòu)，軸向尺寸小、質(zhì)量小;
（4） 在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，彈簧壓緊量的降低程度相較其他形式的壓緊彈簧低，性能不變；
（5） 膜片彈簧周邊與整個(gè)壓盤(pán)接觸，使得其受力均勻；
（6） 能夠很好地散熱通風(fēng)，工作年限長(zhǎng)；
（7） 膜片彈簧中心與離合器中心重疊，因此提供了良好的平衡功能。
膜片彈簧的布置形式是屬于中央布置形式，采用拉式分離的安裝方法。在膜片彈簧的大端裝配一個(gè)支撐圈，在接合的時(shí)候，離合器的蓋可以給膜片彈簧的大端提供支撐，用中部壓緊壓盤(pán)讓壓盤(pán)能夠給從動(dòng)盤(pán)壓力，從而使從動(dòng)盤(pán)、壓盤(pán)和飛輪的表面壓緊，此時(shí)扭矩是通過(guò)摩擦力的方式進(jìn)行傳遞；分離時(shí)，通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)操縱分離軸承拉動(dòng)膜片彈簧，膜片彈簧繼而拉動(dòng)壓盤(pán)導(dǎo)致壓盤(pán)、從動(dòng)盤(pán)和飛輪之間產(chǎn)生一條間隙，達(dá)到離合器分離的效果。安裝方式采用的是拉式安裝法，用以避免出現(xiàn)支承環(huán)受到損壞時(shí)，膜片彈簧與支承環(huán)之間產(chǎn)生的間隙致使離合器踏板自由行程變大的情況。
2.4離合器的散熱通風(fēng)
膜片彈簧離合器的散熱通風(fēng)性能相較于其他形式的離合器本身具有一定的優(yōu)勢(shì)。而離合器內(nèi)的熱量產(chǎn)生一般是源于壓盤(pán)跟從動(dòng)盤(pán)上的磨擦片、從動(dòng)盤(pán)上的磨擦片跟飛輪之間的相互摩擦。所以磨擦片的材料選擇會(huì)關(guān)系到離合器的散熱通風(fēng)，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)磨擦片是會(huì)有詳細(xì)的介紹。另外磨擦片的磨損程度跟壓盤(pán)的溫度直接相關(guān)，壓盤(pán)的溫度越高，磨擦片磨損就越嚴(yán)重。而且當(dāng)摩擦表面溫度過(guò)高時(shí)，壓盤(pán)的溫度也會(huì)容易變高，溫度過(guò)高會(huì)使壓盤(pán)在受到壓力時(shí)發(fā)生形變而形成裂紋和碎裂，因此設(shè)計(jì)的壓盤(pán)時(shí)要有保證足夠的熱容量的質(zhì)量，離合器蓋會(huì)開(kāi)通風(fēng)口或者鼓風(fēng)片。
2.5離合器類型的確定
通過(guò)以上的分析，得到所設(shè)計(jì)得離合器的從動(dòng)盤(pán)只有一個(gè)，壓緊彈簧采用就有非線性彈性特征的膜片彈簧，而濕式的離合器一般用于自動(dòng)擋車(chē)型的離合器（變速箱和離合器一體式）或者多個(gè)從動(dòng)盤(pán)的離合器，所以采用干式。綜合確定本設(shè)計(jì)的離合器類別為：干式單片膜片彈簧離合器。
第3章 離合器的基本參數(shù)確定和尺寸選擇
3離合器的基本參數(shù)確定和尺寸選擇
膜片彈簧離合器是摩擦類的離合器中的一種，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的傳遞是通過(guò)摩擦表面的摩擦力矩來(lái)完成的。其靜摩擦力矩摩擦定律可用下式表示：
(3.1)
其中，代表靜摩擦力矩；代表摩擦面間的靜摩擦因素；代表壓盤(pán)施加在摩擦面上的工作壓力；代表摩擦面的數(shù)目，和從動(dòng)盤(pán)的數(shù)量直接相關(guān)。
假設(shè)，摩擦片上受力均勻，則：
（3.2）
其中，代表摩擦面單位壓力；代表單個(gè)摩擦面的面積；代表摩擦片外徑；代表摩擦片內(nèi)徑。
假設(shè)摩擦片的平均摩擦半徑所受壓力均勻，則：
（3.3）
將式（3.3）、式（3.2）代人式（3.1）中，得：
（3.5）
其中，c為摩擦片的內(nèi)外徑的比，。
為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩得以穩(wěn)定被傳遞，設(shè)計(jì)離合器時(shí)的應(yīng)比發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩大，即：
（3.6）
其中，代表汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；代表離合器的后備系數(shù)，是離合器所能傳遞的最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩與的比值，應(yīng)大于1。
以上可知，離合器的基本重要參數(shù)有：離合器的后備系數(shù)，摩擦面單位壓力，摩擦片的外徑D、內(nèi)徑d,以及厚度b。其中和為性能參數(shù)，會(huì)影響到離合器的性能。而摩擦片的內(nèi)外徑尺寸會(huì)影響到離合器的整體大小。
3.1離合器后備系數(shù)β的確定
考慮到本次設(shè)計(jì)的是單片膜片彈簧離合器，其在工作過(guò)程中摩擦片的工作壓力十分穩(wěn)定，加上小型轎車(chē)本身的后備功率比較大，參考下表，確定=1.6。
3.1各類汽車(chē)值的取值范圍表
轎車(chē)和小型貨車(chē)
中型和重型貨車(chē)
越野車(chē)、帶拖掛的重型汽車(chē)和牽引汽車(chē)
3.2單位壓力的確定
摩擦面的單位壓力直接影響到離合器的工性能及使用壽命。在選取單位壓力時(shí)應(yīng)考慮下面這些要素：離合器的工作條件，發(fā)動(dòng)機(jī)后備系數(shù)，磨擦片的尺寸、材料及質(zhì)量，離合器后備系數(shù)等。本次設(shè)計(jì)的離合器的磨擦片所選用的材料是目前應(yīng)用最廣泛，工藝最為成熟的石棉基材料，參考下表，確定=2.5MPa。
3.2當(dāng)摩擦片采用不同材料時(shí)，P0的范圍選取
石棉基材料
粉末冶金材料
金屬陶瓷材料
3.3摩擦片的基本尺寸的選擇
磨擦片的外徑尺寸是離合器的基本尺寸，它關(guān)系到整個(gè)離合器的整體大小、結(jié)構(gòu)布置和工作年限。因此其他零件的尺寸的設(shè)計(jì)依賴于摩擦片的外徑尺寸的確定。離合器所需傳遞的最大轉(zhuǎn)矩與摩擦片的外徑尺寸也存在一定聯(lián)系，即摩擦片的外徑尺寸與需要傳遞的轉(zhuǎn)矩成正比。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為一個(gè)重要的參數(shù)，以下公式可作為參考：
（3.3.1）
其中，系數(shù)A是反應(yīng)不同機(jī)構(gòu)和使用條件下對(duì)D的影響，它的選取可參考下表：
3.3發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)選取表
即。將代人上式（3.3.1），計(jì)算得，參考下表：
3.3.1摩擦片尺寸選取表
取外徑,內(nèi)徑,厚度,內(nèi)外徑之比。
3.4基本參數(shù)的校核
在確定了所設(shè)計(jì)離合器的類型后，需要根據(jù)其類型確定它的主要參數(shù)，其中包括性能參數(shù)和尺寸參數(shù)，并對(duì)些參數(shù)進(jìn)行校核。
約束條件：
（1）摩擦片的外徑的選取應(yīng)使其最大圓周速度不超過(guò)。
（3.4.1）
其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速6000r/min
得：=62.83m/s 故符合要求
（2）的值應(yīng)在內(nèi)
C=0.70，故符合要求
（3）為保證離合器能夠可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩，防止過(guò)載，β的值應(yīng)在1.2~4范圍內(nèi)
β=1.6，故符合要求
（4） 為了減低汽車(chē)起步時(shí)離合器的滑摩，防止摩擦片表面溫度過(guò)高，離合器每一次接合的單位摩擦面積滑摩值工w應(yīng)小于許用值，即
（3.4.2）
其中，
其中，=0.4j/mm2；=2500r/min；=360mm；=3.4；=4.5
計(jì)算得w=0.37j,故符合要求。
10
第4章 離合器壓盤(pán)和離合器器蓋的設(shè)計(jì)
4離合器壓盤(pán)和離合器蓋的設(shè)計(jì)
4.1選擇壓盤(pán)的傳動(dòng)方式及材料
4.1.1壓盤(pán)傳動(dòng)方式的選擇
壓盤(pán)在從動(dòng)部分也占有重要地位。在離合器傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)，從動(dòng)盤(pán)因?yàn)楸粔罕P(pán)和飛輪共同壓著而受到摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程會(huì)令摩擦表面快速升溫。壓盤(pán)應(yīng)與飛輪和離合器蓋連接在一起，但軸向方向不能固定死，讓其在分離過(guò)程中能自由地沿軸向移動(dòng)。它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)汽車(chē)行駛安全有重要作用。
壓盤(pán)的傳動(dòng)方式一般有幾下幾種：1.凸塊-窗口式、2.傳力銷式、3.鍵槽-指銷式、4.鍵齒式、5.彈性傳動(dòng)片。前四種傳動(dòng)方式的安裝時(shí)會(huì)使飛輪與壓盤(pán)間有間隙，這樣壓盤(pán)在傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊和噪聲，當(dāng)離合器使用時(shí)間長(zhǎng)了，就會(huì)容易形成更大的間隙，導(dǎo)致離合器使用壽命減短。故選擇采用彈性傳動(dòng)片。
4.1.2壓盤(pán)的尺寸
壓盤(pán)內(nèi)外徑大小與摩擦片的內(nèi)外徑大小相應(yīng)，為：，。
壓盤(pán)的厚度參考市面上相同種類的轎車(chē)的離合器采用的壓盤(pán)厚度后，綜合考慮。初選厚度為。材料選用灰鑄鐵HT200。
4.2壓盤(pán)的性能校核
汽車(chē)離合器接合一次升溫為：
（4.2.1）
（4.2.2）
其中，代表傳動(dòng)壓盤(pán)的熱量占有的比重，單片離合器的一般為0.5；
c為壓盤(pán)的比熱容，灰鑄鐵HT200約為：520J/kg°C；
為壓盤(pán)的質(zhì)量；V為壓盤(pán)的估算面積；p為灰鑄鐵的密度：代人數(shù)據(jù)計(jì)算得：，故符合要求。
4.3離合器蓋的設(shè)計(jì)
離合器蓋一般與飛輪相連，也起到傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的部分轉(zhuǎn)矩的作用，同時(shí)也是膜片彈簧和分離機(jī)構(gòu)的支撐，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：
（1） 具有足夠的剛度；（2）有良好的散熱通風(fēng)；（3）對(duì)中良好；（4）內(nèi)外徑尺寸要能將其他零件包在殼內(nèi)又不能過(guò)大。
故材料選用08剛（低碳鋼）厚度初選為3.5mm；蓋體四周開(kāi)通風(fēng)口；采用止口對(duì)中方式；內(nèi)徑初定為230mm.
13
第5章 從動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì)
5從動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì)
從動(dòng)盤(pán)是離合器的從動(dòng)部分，它主要由：從動(dòng)片、摩擦片、減震器、從動(dòng)盤(pán)轂這幾個(gè)零件組成。它處在飛輪與壓盤(pán)中間，運(yùn)用摩擦轉(zhuǎn)換，將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳給變速器，同時(shí)因?yàn)橛修D(zhuǎn)矩減振器也會(huì)起到減振和保護(hù)的作用。
5.1摩擦片的設(shè)計(jì)
對(duì)于離合器摩擦片的性能要求一般有以下幾點(diǎn)：
(1)所選材料具有較高的摩擦系數(shù)；
(2)需具備短時(shí)間內(nèi)吸收較高的能量的能力，且有較好的內(nèi)核性能；
(3)能夠承受較高的載荷；
(4)擁有比較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所選材料易于加工。
目前市面上的摩擦片材料主要為石棉基材料、冶金材料和陶瓷材料。后兩種材料的摩擦系數(shù)較高，且工藝還不成熟、成本較高。而雖然石棉基的混合材料，對(duì)環(huán)境有一定污染，但工藝成熟，穩(wěn)定性好，故采用石棉基的混合材料。環(huán)采用較軟的黃銅柳釘直接鉚接的固定方式，用這種固定方式，能夠適應(yīng)較高溫的工作環(huán)境，并且在釘頭與從動(dòng)盤(pán)表面直接接觸時(shí)，不會(huì)加劇從動(dòng)盤(pán)的局部磨損。穩(wěn)固可靠、換片方便。
綜合以上得出：
摩擦片外徑摩擦片內(nèi)徑；摩擦片厚度；摩擦片材料為：石棉材料；連接方式選用黃銅柳釘鉚接的方式。
5.2從動(dòng)片的選擇及設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)傳動(dòng)片時(shí)，從動(dòng)片的重量盡量要小，質(zhì)量盡可能分布居中，這樣以獲得較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。所以，從動(dòng)片一般做得很薄，一般用的鋼板沖制而成，外緣磨薄至。
為了減緩離合器工作時(shí)的沖擊，從動(dòng)片的軸向彈性顯得尤為重要。離合器應(yīng)用的主要從動(dòng)片類型為整體式彈性從動(dòng)片、分開(kāi)式彈性從動(dòng)片、組合式彈性傳動(dòng)片。本設(shè)計(jì)選用常用于小轎車(chē)的分開(kāi)式彈性從動(dòng)片。
綜合上述考量：本次設(shè)計(jì)選用的從動(dòng)片的外徑為；厚度為：;外緣厚度：。
5.3從動(dòng)盤(pán)轂的設(shè)計(jì)
從動(dòng)盤(pán)轂承擔(dān)了離合器的最大載荷，與傳動(dòng)軸以花鍵的形式相互協(xié)作，因此從動(dòng)盤(pán)轂的強(qiáng)度與花鍵的強(qiáng)度密不可分。以摩擦片的外徑及發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩根據(jù)國(guó)標(biāo)GB1144-74對(duì)花鍵進(jìn)行選擇取值。
5.3.1離合器從動(dòng)盤(pán)轂花鍵尺寸系列
根據(jù)磨擦片外徑，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩查上表，得：；；;;;。
已知離合器的原理是通過(guò)摩擦面的摩擦來(lái)控制動(dòng)力的接合和分離，因此在花鍵軸上從動(dòng)盤(pán)轂也應(yīng)能自由滑動(dòng)。國(guó)內(nèi)從動(dòng)盤(pán)轂花鍵一般采取的是SAE標(biāo)準(zhǔn)。
15
5.3從動(dòng)盤(pán)轂花鍵
5.3.2SAE從動(dòng)盤(pán)轂花鍵尺寸系列
SAE
D
D1
L1
D2
D3
L2
18.5
20.4
23
25.5
28.2
30.75
33.2
38.05
35.8
40.8
綜合以上花鍵選擇SAE標(biāo)準(zhǔn).
擠壓應(yīng)力（MPa）和剪切應(yīng)力（MPa）的強(qiáng)度檢驗(yàn)：
（5.3.1）
（5.3.2）
計(jì)算得：=8.7MPa；=12.8MPa，符合要求。
5.4扭轉(zhuǎn)減震器的設(shè)計(jì)
扭轉(zhuǎn)減震器安裝與從動(dòng)盤(pán)的最外圍，其上裝有一定數(shù)目的減震彈簧，能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)，有一定的保護(hù)作用。
5.4.1扭轉(zhuǎn)減震器參數(shù)的確定
1、 角剛度
按下列公式初選角剛度：
（5.4.1）
其中為極限轉(zhuǎn)矩，按下列公式計(jì)算：
（5.4.2）
本次設(shè)計(jì)的離合器是用于乘用車(chē)故取2，計(jì)算得：；。
2、 最大摩擦力矩
由于角剛度受結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩限制，為了在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速的的范圍內(nèi)最有效地消振，必須合理選擇減震器阻尼裝置的最大摩擦力矩：
（5.4.3）
取值為0.15，計(jì)算得=25.5N·m。
3、 預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
在安裝減震彈簧時(shí)都要有一定的預(yù)緊，增加時(shí)，共振頻率將向減小頻率的方向移動(dòng)，這樣是有利的，但不能大于，不然將反向工作，減震器提前停止工作，故：
（5.4.4）
取值0.1，計(jì)算得：。
4、 減震彈簧的位置半徑
減震彈簧的位置半徑應(yīng)盡量取大，一般?。?
（5.4.5）
取值0.7，計(jì)算得：=49mm。
5、 減震彈簧的數(shù)目
參照下表選取減震彈簧的數(shù)目
5.4減震彈簧選取表
摩擦片外徑
故取值為4。
6、 減震彈簧的總壓力
減震彈簧受到的壓力，參考以下公式：
（5.4.6）
代人數(shù)據(jù)，計(jì)算得：=6.93KN。
每個(gè)彈簧的工作壓力：
（5.4.7）
代入數(shù)據(jù)，算得：P=1.73KN。
7、 極限轉(zhuǎn)角
(5.4.8)
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：=5°。
19
5.4.2減震彈簧的尺寸設(shè)計(jì)
1、 彈簧中徑
其由布置結(jié)構(gòu)決定，通常：
故取。
2、 彈簧鋼絲的直徑d
（5.4.9）
式中，[t]取值,代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
3、 減震彈簧的剛度C
(5.4.10）
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
4、 減震彈簧的有效圈數(shù)
（5.4.12）
式中，G代表材料的扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)，值為（對(duì)剛），代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得?？?cè)?shù)取5.
5、減震彈簧的最小長(zhǎng)度
（5.4.13）
式中，=0.1d，代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
6、 減震彈簧的總變形量:
（5.4.14）
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
7、 減震彈簧的自由高度
（5.4.15）
21
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
8、 減震彈簧的預(yù)變形量
（5.4.16）
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
9、 減震彈簧高度
（5.4.17）
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
22
第6章 膜片彈簧的設(shè)計(jì)
6膜片彈簧的設(shè)計(jì)
6.1膜片彈簧的彈性特性
膜片彈簧自身的彈性特征是其碟簧部分的決定性因素。線性特性隨自由狀態(tài)下的比值的不同而不同。膜片彈簧的內(nèi)錐高度用表示，為鋼板厚度。的比值為以下情況時(shí)：
（1） 當(dāng)時(shí)，彈簧的剛度非常大，膜片彈簧的變形量與其載荷成正比，因此它具有承受很大的載荷能力。
（2） 當(dāng)時(shí)，膜片彈簧中段有一段零剛度狀態(tài)，此狀態(tài)下變形增加，載荷卻幾乎不變。中段的曲線幾乎為直線。
（3） 當(dāng)時(shí)，彈簧特性曲線在中段有一個(gè)開(kāi)口向上的曲線，說(shuō)明在此段變形增加的情況下，負(fù)載反而減小。離合器膜片彈簧的特征正體現(xiàn)于此。
（4） 當(dāng)時(shí)，特性曲線表現(xiàn)為載荷和變形都為零的狀態(tài)。
（5） 當(dāng)時(shí)，特性曲線具有一個(gè)為負(fù)值的負(fù)剛度區(qū)域，此類彈簧適用于汽車(chē)液傳動(dòng)的鎖止機(jī)構(gòu)。
6.1 H/h比值不同時(shí)的無(wú)彈性特性曲線
6.2膜片彈簧的基本參數(shù)選擇
1） 的比值選擇
汽車(chē)膜片彈簧的比值一般?。喝?，取1.8，則：
2)的比值和的選擇
根據(jù)壓緊力需要：在之間。
取=，則：。
取，則。
3） 圓錐底角的選擇
圓錐底角與內(nèi)錐高H關(guān)系膜片彈簧在膜片彈簧變形狀態(tài)下密切，一般在
（6.2.1）
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：。
4） 工作位置點(diǎn)的選擇
右圖為膜片彈簧的彈性曲線，曲線上的點(diǎn)都有其特殊的彈性。T點(diǎn)是膜片彈簧的壓平位置點(diǎn)，位于最高點(diǎn)M和凹點(diǎn)N的中間；B點(diǎn)是離合器無(wú)磨損狀態(tài)下的工作點(diǎn)，其橫坐標(biāo)的位置一般為的位置，是摩擦片的最大磨損量；A點(diǎn)是膜片彈簧工作的起點(diǎn)，為了保證A點(diǎn)處壓緊力變化不大，用以下列公式求得：
（6.2.2）
式中，=2,一般為.取，則。
點(diǎn)C表示離合器完全分離，越靠近N點(diǎn)越理想。
5） 明確膜片彈簧小端半徑和分離軸承作用半徑
取決于離合器的結(jié)構(gòu)，其最小值應(yīng)該要比變速器第一軸的花鍵外徑大，應(yīng)小于。
需在的范圍內(nèi)，取，則，取。
6） 切槽寬度、及半徑
由于，，應(yīng)滿足。
所以，?。?3.2mm；=9mm；=60mm
7） 壓盤(pán)加載點(diǎn)和支撐環(huán)加載點(diǎn)
、的取值直接影響到膜片彈簧的剛度，需大于且趨近于r，大于且趨近于R，故取：=92mm，=75mm。
6.3膜片彈簧的參數(shù)校核
根據(jù)膜片彈簧的布置要求，和、和r、和之差應(yīng)該在以下范圍內(nèi)：
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：，符合要求。
膜片彈簧的杠桿比應(yīng)在下面的范圍內(nèi)：
帶人數(shù)據(jù)，計(jì)算得：,符合要求。
選擇膜片彈簧的材料及制造工藝
出于確保膜片彈簧的載荷特性，形狀，硬度，表面質(zhì)量等要求的目的，取60SIMnA優(yōu)質(zhì)高精度鋼板材料，碟簧部分應(yīng)為均勻的回火屈式體和少量索氏體，凹面采用噴丸處理，成型后進(jìn)行高溫處理和強(qiáng)壓處理，以提高其承載能力，疲勞壽命和彈性恢復(fù)。
26
第7章 基于ANSYS對(duì)主要零件進(jìn)行模態(tài)分析
7基于ANSYS對(duì)主要零件進(jìn)行模態(tài)分析
模態(tài)分析是所有動(dòng)力學(xué)分析中最為基本的方式，它被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的計(jì)算。在模態(tài)分析里的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性中有兩個(gè)需要引起我們重視的點(diǎn)，即固有頻率和振型。模態(tài)分析提供的優(yōu)勢(shì)為：消除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的共振現(xiàn)象或在特定的頻率水平上振動(dòng)；在不同載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀況會(huì)反映在分析結(jié)果中，使工程師能夠從中得到認(rèn)識(shí)；有利于在其他的動(dòng)力分析中控制參數(shù)的估計(jì)和求解。
由以上設(shè)計(jì)得出離合器主要零件的尺寸參數(shù)和性能參數(shù)后，利用PROE軟件繪制出它們的三維模型，再將直接關(guān)系到離合器工作性能的膜片彈簧和承受發(fā)動(dòng)機(jī)載荷最大的從動(dòng)盤(pán)轂的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)對(duì)比，檢驗(yàn)是否符合工作要求。
7.1基于ANSYS對(duì)膜片彈簧進(jìn)行自由模態(tài)分析
膜片彈簧的工作性能會(huì)直接影響到離合器的工作狀況和汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。所以為了要保證膜片彈簧的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析是十分必要的。
1.首先在PROE軟件中畫(huà)出它的三維模型。
7.1膜片彈簧三維模型圖
2.然后打開(kāi)ANSYS Workbench軟件，建立一個(gè)modal模塊；再新增加一個(gè)材料屬性，名稱為：60Si2MnA,材料密度為：，設(shè)置彈性模量為：；泊松比為。
3.把膜片彈簧的文件格式改為（*igs）格式，導(dǎo)入ANSYS軟件中，再將模型添加上剛才新增的材料屬性。
4.設(shè)置網(wǎng)格，將單元尺寸設(shè)置為1mm。
7.1.1膜片彈簧網(wǎng)格圖
5.設(shè)置模態(tài)數(shù)為15，計(jì)算生成自由模態(tài)圖。
7.1.2第7階模態(tài)圖
29
7.1.3 1~12階實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)結(jié)果分析：
由《1~12階實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖》可知，膜片彈簧前6階的頻率為0Hz,為剛體模態(tài)，故將其忽略不計(jì)入分析，只參考7~15階的數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)7到15階的振動(dòng)頻率從183.13Hz到470.35Hz逐漸增高。而最大功率為150KW的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在3000~5000r/min，頻率在100Hz以下。故發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)不會(huì)對(duì)膜片彈簧產(chǎn)生共振，膜片彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合格。
7.2基于ANSYS對(duì)從動(dòng)盤(pán)轂進(jìn)行模態(tài)分析
離合器的從動(dòng)盤(pán)轂承受了最大載荷，它幾乎承受了發(fā)動(dòng)機(jī)賦予的全部轉(zhuǎn)矩，在整個(gè)從動(dòng)盤(pán)總成的扮演主要受力點(diǎn)的重要角色。所以從動(dòng)盤(pán)轂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接會(huì)影響到從動(dòng)盤(pán)的工作狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和檢驗(yàn)是十分有必要的。
1. 首先在PROE軟件上繪制出三維模型，并保存為（*.igs）格式。
7.2從動(dòng)盤(pán)轂三維圖
2. 打開(kāi)ANSYS Workbench軟件，建立一個(gè)modal模塊。
3. 將從動(dòng)盤(pán)轂的三維模型圖導(dǎo)入ANSYS Workbench，設(shè)置材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼。
4. 設(shè)置網(wǎng)格，根據(jù)從動(dòng)盤(pán)轂的結(jié)構(gòu)尺寸，將單元尺寸設(shè)置為3mm。
7.2.1從動(dòng)盤(pán)轂網(wǎng)格圖
5. 在花鍵處設(shè)置一個(gè)固定約束。
6. 設(shè)置模態(tài)數(shù)為15，計(jì)算生成模態(tài)圖。
31
7.2.3從動(dòng)盤(pán)轂的一階模態(tài)圖
7.2.4從動(dòng)轂1~15階實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)結(jié)果分析：
由模態(tài)分析數(shù)據(jù)可知，從動(dòng)盤(pán)轂的一階振動(dòng)頻率就為1566.9Hz。而最大功率為的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在的區(qū)域內(nèi)，其振動(dòng)頻率在100Hz左右，遠(yuǎn)低于從動(dòng)盤(pán)轂的一階振動(dòng)頻率。故從動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合要求。
32
結(jié)論
結(jié)論
本次設(shè)計(jì)是針對(duì)家用小型汽車(chē)所設(shè)計(jì)的一款干式單片膜片彈簧離合器。一開(kāi)始簡(jiǎn)單地介紹了一下離合器的分離情況以及發(fā)展歷史。再闡釋了膜片彈簧離合器的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)詳細(xì)的推導(dǎo)和計(jì)算，得出一些主要零件的尺寸參數(shù)和性能參數(shù)，進(jìn)行校核之后，最終畫(huà)出三維圖并對(duì)部分重要零件進(jìn)行模態(tài)分析。
首先根據(jù)汽車(chē)的重量和發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩確定了從動(dòng)盤(pán)的數(shù)目，然后確定離合的重要參數(shù)和尺寸。首先確定了摩擦片的內(nèi)外徑尺寸和厚度，其他零件的外形尺寸根據(jù)摩擦片的尺寸進(jìn)行確定。依次對(duì)離合的壓盤(pán)、離合器蓋、從動(dòng)片、從動(dòng)轂、扭矩減震器、膜片彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。根據(jù)尺寸繪制出三維圖。再基于ANSYS對(duì)從動(dòng)轂和膜片彈簧進(jìn)行模態(tài)分析。
通過(guò)這次對(duì)膜片彈簧離合器進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓我對(duì)離合器的工作原理、種類、發(fā)展歷史有了一定的了解。對(duì)離合器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)有著自己的觀點(diǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，翻閱了大量的文獻(xiàn)、公式、資料，極大地鞏固了以往所學(xué)的知識(shí)以及豐富了我的知識(shí)儲(chǔ)備。繪圖能力有了很大的進(jìn)步。
33
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致謝
致謝
這次的膜片彈簧離合器設(shè)計(jì)，還有很多地方不夠完善，也遇到了很多的困難。在老師和同學(xué)的幫助下，我還是得以完成了本次設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我也學(xué)到了很多東西，成長(zhǎng)了許多。對(duì)汽車(chē)了和其有了一定的理解。
特別要感謝王旭老師的嚴(yán)格要求和悉心教導(dǎo)。從初選課題到完成設(shè)計(jì)，王老師給了我很多建議和幫助。每次遇到不懂得的問(wèn)題時(shí)，王老師總是能耐心地進(jìn)行指導(dǎo)。在此，向王旭老師表示感謝和崇高的敬意。
同時(shí)，也感謝任教老師四年的栽培，同學(xué)們的幫助，謝謝。
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