国产小轿车离合器膜片弹簧优化设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 国内外汽车离合器的发展现状 2
1.3 本文主要研究的内容 4
2 膜片弹簧离合器结构及工作原理 4
2.1 膜片弹簧离合器的简介 4
2.2 膜片弹簧离合器的工作原理 9
2.3膜片弹簧离合器功用 10
2.4捷达轿车离合器的结构特点 10
3 优化设计简介及遗传算法优化设计分析 12
3.1优化设计的发展 12
3.2优化设计概述 12
3.3遗传算法优化设计分析 13
4 膜片弹簧的优化设计 14
4.1计算膜片弹簧的数学公式 14
4.2 MATLAB语言及优化工具箱 14
4.3数学模型的建立 15
4.4 Matlab GA案例优化过程 16
4.5优化结果分析 19
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
随着科学技术的快速发展，在电子技术、液压技术广泛应用的汽车领域，汽车传动系统发生了翻天覆地的变化。在汽车传动系统中作为重要组成部件之一的离合器，不仅承担着减震、传力而且还有防止系统过载等重要作用。在机械传动汽车中，往往以内燃机作为动力，汽车离合器在动力传递过程中作为一个独立的部件存在。在中国乘用车中自动挡车款式只占到全国平均数的26.53%，离合器便成了手动挡变速器的主要助手。从目前到未来很长一段时间内离合器这一部件将会一直伴随着内燃机存在，不会被其他部件所替代[1]。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
> 离合器的种类比较多，具体可以分为磁粉离合器、电磁离合器、摩擦式离合器和液力离合器。本文所研究分析的膜片弹簧离合器是摩擦式离合器中的一种，它用膜片弹簧代替了原有的周布螺旋弹簧。膜片弹簧（图1）的材料为优质钢板，形状为碟形，开有径向切槽，切槽内端连通，外端有为了防止应力集中的圆孔，两个径向切槽之间的钢板形成了一个弹性杠杆。这些钢板在离合器中既是压紧弹簧又是分离杠杆。相比螺旋弹簧离合器，它在结构上紧凑、简单、散热通风性能好，同时具有独特的非线性特性、高速性能好、转矩容量较大且较稳定、踏板操纵轻便等优点而在汽车上的应用越来越多。
（a）膜片弹簧离合器 （b）膜片弹簧
1-飞轮；2-从动盘；3-压盘；4-离合器盖；5-膜片弹簧；6-膜片弹簧支撑圈
7-调整螺母；8-分离拨叉；9-拉杆；10-离合器踏板；11-分离轴承
12-分离套筒；13-回位弹簧；14-支架；15-离合器轴；16-离合器轴承
图1膜片弹簧离合器
对于膜片弹簧离合器来说，膜片弹簧特性对其工作性能影响非常大，改进膜片弹簧离合器中的膜片弹簧性能就显得尤其重要。快速有效的设计方案的树立与论证能够大大加快车用离合器膜片弹簧的研制步伐。在过去设计膜片弹簧的主要方法是根据经验制成试样试运行，通过反馈资料再修改原始数据，再次试运行，如此反复直到设计变量满足设计要求为止。由于现代汽车制造工业在国际范围内的激烈竞争，以及对离合器使用效率和综合性能要求的日益提高，这种既耗费精力又耗费时间的设计方法已经不能跟上现代设计工程的步调。因此，研究膜片弹簧的特性曲线和力学性能，采用先进的优化方法改进原有的膜片弹簧离合器将成为离合器设计方法体系和理论的发展趋势。本篇论文的意义就在于采用先进的优化软件与算法对膜片弹簧离合器的设计变量进行优化，由于优化设计参数变量是定量精确设计的核心基础，因此本文所研究的工作内容具有广泛的应用前景[2]。
图2 膜片弹簧和螺旋弹簧的特性曲线对比
1螺旋弹簧 2膜片弹簧
1.2 国内外汽车离合器的发展现状
1.2.1 国内汽车离合器与膜片弹簧技术的发展
我国汽车行业的起步发展比较晚、起点低，汽车各个系统的技术还不算成熟，尤其是科技含量较高的汽车离合器，同国外的离合器技术发展尚存在一定的差距。当前随着国家对科技技术创新的大力支持和号召，我国离合器自主创新技术慢慢更加丰富，国际化的研发设计环境和生产制造模式的深化，使得国内汽车制造工业吸引了众多零部件巨头的加盟，例如国际著名的汽车离合器制造企业Valeo, Luk, Sachs等都在中国建立了自己的战略布局。我国汽车离合器制造业相对国外还存在一定的差距，但我国在研发、制造方面具有很大的升级潜力，一方面要灵活的借鉴国外先进离合器的研发成果，不断的积极学习；另一方面要努力提高自主研发能力，加强创新，加大对汽车行业这一主导国家制造业市场命脉的竞争力[3]。
当前我国生产研发离合器的企业正不断升级产品的性能来满足国内微、轿、轻、中、重和农业机械等车型的需要。离合器使用一段时间后，其弹性会随着摩擦片的磨损而降低，这也就是膜片弹簧的非线性弹性特性来填补这一缺陷，所以我国未来离合器的发展是不断的优化膜片弹簧来提高汽车离合器的性能。还有一些特殊车型上使用的离合器，比如一些车型对传递扭矩要求较大，这可以选用多片干式离合器和拉式离合器等，这些都是根据特种车型而进行的设计研发[4]。
1.2.2 国外离合器与膜片弹簧技术的发展
自二十世纪初以来国外的学者对膜片弹簧的力学计算进行了不少研究。其中取得较好的研究成果的例子有：1930年，著名的铁摩幸柯假设由美国斯坦福大学的铁摩幸柯教授提出，此假设的主要内容是在轴向载荷F的作用下，矩形截面本身并没有变形，碟形弹簧的矩形子午截面绕中心锥面的某一中性点转动一个转角，从而开始了对碟形弹簧的研究。1936年，美国工程师阿尔曼和拉斯路在通用汽车公司研究实验部根据铁摩幸柯假设，推导出了著名的阿尔曼一拉斯路公式，简称A-L公式，奠定了蝶形弹簧的计算基础。A-L公式属于解析计算法，它是先假设后进行分析，然后用基于板壳理论推导出的代数方程，来得到近似解。这种方法不仅便于计算而且形式比较简单，计算得出的结果和实验的结果也比较近似。膜片弹簧由分离指和碟簧部分组成，因此在研究膜片弹簧的特性时也采用了这种方法，但得到的结果确和实验结果产生了误差。此后其他国家的工程师对A-L法进行了进一步的研究，在原有的基础上进行了膜片弹簧设计计算的研究。他们的研究方向大致可分为:一是以有限元计算方式进行膜片弹簧的优化设计，二是包含了单目标、多目标优化设计及修正公式基础上的优化设计。国外其他学者的研究成果有:1982年，德国济根大学尼佩奇教授和意大利都灵工业大学科尔蒂教授先后采用NON-SAP程序得出了不同高厚比的碟形弹簧的载荷一变形特性。1987年，德国汉诺威大学瓦格纳教授编制出了适用非稳定性和非线性、各种高厚比碟形弹簧的计算程序AXISHELL。1989年，前苏联格力戈柳克博士和洛帕尼征副博士在A-L法与r法的基础上，提出了考虑分离指牵连变形的方法(简称r -II法)，得到的结果与实验数据甚为接近，误差较小[5]。
从动部分由摩擦片、波形弹簧片、从动盘本体和扭转减振器组成。摩擦片应该具有较大的摩擦系数、耐磨性、良好的热稳定性和足够的机械强度；波形弹簧片可增加从动盘的轴向弹性，保证离合器接合柔和；从动盘本体采用薄钢板制成，可减少从动盘的转动惯量；扭转减振器装在从动盘本体和盖板的窗口中，从动盘本体和盖板有翻边，保证减振器弹簧不致脱出。由发动机传来的扭转振动冲击被减振器弹簧缓冲，而不会传到变速器以后的总成部件。同样，来自路面的动载荷，也不会影响到发动机，从而降低了传动系中的扭转振动载荷和冲击载荷，减少了振动噪声，提高了传动系零部件的使用寿命和乘座舒适性[10]。
1 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 国内外汽车离合器的发展现状 2
1.3 本文主要研究的内容 4
2 膜片弹簧离合器结构及工作原理 4
2.1 膜片弹簧离合器的简介 4
2.2 膜片弹簧离合器的工作原理 9
2.3膜片弹簧离合器功用 10
2.4捷达轿车离合器的结构特点 10
3 优化设计简介及遗传算法优化设计分析 12
3.1优化设计的发展 12
3.2优化设计概述 12
3.3遗传算法优化设计分析 13
4 膜片弹簧的优化设计 14
4.1计算膜片弹簧的数学公式 14
4.2 MATLAB语言及优化工具箱 14
4.3数学模型的建立 15
4.4 Matlab GA案例优化过程 16
4.5优化结果分析 19
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
随着科学技术的快速发展，在电子技术、液压技术广泛应用的汽车领域，汽车传动系统发生了翻天覆地的变化。在汽车传动系统中作为重要组成部件之一的离合器，不仅承担着减震、传力而且还有防止系统过载等重要作用。在机械传动汽车中，往往以内燃机作为动力，汽车离合器在动力传递过程中作为一个独立的部件存在。在中国乘用车中自动挡车款式只占到全国平均数的26.53%，离合器便成了手动挡变速器的主要助手。从目前到未来很长一段时间内离合器这一部件将会一直伴随着内燃机存在，不会被其他部件所替代[1]。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
> 离合器的种类比较多，具体可以分为磁粉离合器、电磁离合器、摩擦式离合器和液力离合器。本文所研究分析的膜片弹簧离合器是摩擦式离合器中的一种，它用膜片弹簧代替了原有的周布螺旋弹簧。膜片弹簧（图1）的材料为优质钢板，形状为碟形，开有径向切槽，切槽内端连通，外端有为了防止应力集中的圆孔，两个径向切槽之间的钢板形成了一个弹性杠杆。这些钢板在离合器中既是压紧弹簧又是分离杠杆。相比螺旋弹簧离合器，它在结构上紧凑、简单、散热通风性能好，同时具有独特的非线性特性、高速性能好、转矩容量较大且较稳定、踏板操纵轻便等优点而在汽车上的应用越来越多。
（a）膜片弹簧离合器 （b）膜片弹簧
1-飞轮；2-从动盘；3-压盘；4-离合器盖；5-膜片弹簧；6-膜片弹簧支撑圈
7-调整螺母；8-分离拨叉；9-拉杆；10-离合器踏板；11-分离轴承
12-分离套筒；13-回位弹簧；14-支架；15-离合器轴；16-离合器轴承
图1膜片弹簧离合器
对于膜片弹簧离合器来说，膜片弹簧特性对其工作性能影响非常大，改进膜片弹簧离合器中的膜片弹簧性能就显得尤其重要。快速有效的设计方案的树立与论证能够大大加快车用离合器膜片弹簧的研制步伐。在过去设计膜片弹簧的主要方法是根据经验制成试样试运行，通过反馈资料再修改原始数据，再次试运行，如此反复直到设计变量满足设计要求为止。由于现代汽车制造工业在国际范围内的激烈竞争，以及对离合器使用效率和综合性能要求的日益提高，这种既耗费精力又耗费时间的设计方法已经不能跟上现代设计工程的步调。因此，研究膜片弹簧的特性曲线和力学性能，采用先进的优化方法改进原有的膜片弹簧离合器将成为离合器设计方法体系和理论的发展趋势。本篇论文的意义就在于采用先进的优化软件与算法对膜片弹簧离合器的设计变量进行优化，由于优化设计参数变量是定量精确设计的核心基础，因此本文所研究的工作内容具有广泛的应用前景[2]。
图2 膜片弹簧和螺旋弹簧的特性曲线对比
1螺旋弹簧 2膜片弹簧
1.2 国内外汽车离合器的发展现状
1.2.1 国内汽车离合器与膜片弹簧技术的发展
我国汽车行业的起步发展比较晚、起点低，汽车各个系统的技术还不算成熟，尤其是科技含量较高的汽车离合器，同国外的离合器技术发展尚存在一定的差距。当前随着国家对科技技术创新的大力支持和号召，我国离合器自主创新技术慢慢更加丰富，国际化的研发设计环境和生产制造模式的深化，使得国内汽车制造工业吸引了众多零部件巨头的加盟，例如国际著名的汽车离合器制造企业Valeo, Luk, Sachs等都在中国建立了自己的战略布局。我国汽车离合器制造业相对国外还存在一定的差距，但我国在研发、制造方面具有很大的升级潜力，一方面要灵活的借鉴国外先进离合器的研发成果，不断的积极学习；另一方面要努力提高自主研发能力，加强创新，加大对汽车行业这一主导国家制造业市场命脉的竞争力[3]。
当前我国生产研发离合器的企业正不断升级产品的性能来满足国内微、轿、轻、中、重和农业机械等车型的需要。离合器使用一段时间后，其弹性会随着摩擦片的磨损而降低，这也就是膜片弹簧的非线性弹性特性来填补这一缺陷，所以我国未来离合器的发展是不断的优化膜片弹簧来提高汽车离合器的性能。还有一些特殊车型上使用的离合器，比如一些车型对传递扭矩要求较大，这可以选用多片干式离合器和拉式离合器等，这些都是根据特种车型而进行的设计研发[4]。
1.2.2 国外离合器与膜片弹簧技术的发展
自二十世纪初以来国外的学者对膜片弹簧的力学计算进行了不少研究。其中取得较好的研究成果的例子有：1930年，著名的铁摩幸柯假设由美国斯坦福大学的铁摩幸柯教授提出，此假设的主要内容是在轴向载荷F的作用下，矩形截面本身并没有变形，碟形弹簧的矩形子午截面绕中心锥面的某一中性点转动一个转角，从而开始了对碟形弹簧的研究。1936年，美国工程师阿尔曼和拉斯路在通用汽车公司研究实验部根据铁摩幸柯假设，推导出了著名的阿尔曼一拉斯路公式，简称A-L公式，奠定了蝶形弹簧的计算基础。A-L公式属于解析计算法，它是先假设后进行分析，然后用基于板壳理论推导出的代数方程，来得到近似解。这种方法不仅便于计算而且形式比较简单，计算得出的结果和实验的结果也比较近似。膜片弹簧由分离指和碟簧部分组成，因此在研究膜片弹簧的特性时也采用了这种方法，但得到的结果确和实验结果产生了误差。此后其他国家的工程师对A-L法进行了进一步的研究，在原有的基础上进行了膜片弹簧设计计算的研究。他们的研究方向大致可分为:一是以有限元计算方式进行膜片弹簧的优化设计，二是包含了单目标、多目标优化设计及修正公式基础上的优化设计。国外其他学者的研究成果有:1982年，德国济根大学尼佩奇教授和意大利都灵工业大学科尔蒂教授先后采用NON-SAP程序得出了不同高厚比的碟形弹簧的载荷一变形特性。1987年，德国汉诺威大学瓦格纳教授编制出了适用非稳定性和非线性、各种高厚比碟形弹簧的计算程序AXISHELL。1989年，前苏联格力戈柳克博士和洛帕尼征副博士在A-L法与r法的基础上，提出了考虑分离指牵连变形的方法(简称r -II法)，得到的结果与实验数据甚为接近，误差较小[5]。
从动部分由摩擦片、波形弹簧片、从动盘本体和扭转减振器组成。摩擦片应该具有较大的摩擦系数、耐磨性、良好的热稳定性和足够的机械强度；波形弹簧片可增加从动盘的轴向弹性，保证离合器接合柔和；从动盘本体采用薄钢板制成，可减少从动盘的转动惯量；扭转减振器装在从动盘本体和盖板的窗口中，从动盘本体和盖板有翻边，保证减振器弹簧不致脱出。由发动机传来的扭转振动冲击被减振器弹簧缓冲，而不会传到变速器以后的总成部件。同样，来自路面的动载荷，也不会影响到发动机，从而降低了传动系中的扭转振动载荷和冲击载荷，减少了振动噪声，提高了传动系零部件的使用寿命和乘座舒适性[10]。
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