有关汽车离合器的设计与其优化分析

夏燕锋

(浙江亚太机电股份有限公司,浙江杭州 311203)

有关汽车离合器的设计与其优化分析

夏燕锋

(浙江亚太机电股份有限公司,浙江杭州 311203)

离合器的功能就是切断及实现对传动系的动力传递,能够起到限制传动系所承载的最大转矩的作用,避免由于传动系各零件过载而出现设备损坏的现象。本文对汽车离合器的设计要求进行分析,对离合器的软件设计进行概述,对结构形式不同的执行机构离合器设计进行研究,通过确定设计变量、目标函数以及约束条件,对离合器进行优化分析。

汽车离合器 设计 优化

1 引言

离合器位于汽车发动机和变速箱的中间位置,具体在飞轮壳内部,通过螺钉对离合器进行固定,其输出轴也就是变速箱的输入轴。汽车在行驶时,汽车驾驶员能够按照不同的需要对离合器进行控制,踩下踏板或者松开踏板,让发动机和变速箱短时间内分离或者是逐渐的接合,其作用是为了切断或者传递动力。因此,离合器设计对于汽车整体设计水平而言具有重要影响作用。好的设计是以汽车起步平稳为目标,还可以降低传动系统中产生的振动和噪声。

2 汽车离合器的设计

汽车离合器是汽车传动系统中的重要组成部分,对于汽车的动力、安全、经济以及驾驶舒适性等有一定的影响,然而长期以来汽车离合器的设计是利用设计人员手工计算,设计中所涉及到的参数也是通过设计人员的个人经验进行估算,或者是按照简单的假设条件下采取近似计算值的方法。之后再通过具体的试验寻找设计缺陷,不断修正直至达到设计标准。这个设计过程既浪费时间又耗费人力,而且得到的结果也未必是最优结果。

2.1 离合器的设计要求

(1)汽车在各种形式条件下,都能稳定可靠的传递最大转矩;(2)离合器在接合时,要尽可能的平顺柔和,确保汽车在起步或者换挡时无抖动和冲击;(3)从动部分的转动惯量不能太大,减轻换挡时变速器齿轮之间的压力;(4)离合器必须具备较好的吸热能力,通风散热效果要好,确保离合器的使用寿命达到设计要求;(5)防止传动系出现扭转共振的现象,具备吸收震动、缓和冲击的作用;(6)离合器的结构要尽可能的简单、紧凑,制作工艺好,便于进行设备维修和调整。

2.2 离合器的软件设计

现阶段,软件设计也是产品设计的重要设计方法,因此有必要利用一些电脑软件对离合器进行设计。首先,要参考之前设计人员的一些经验,利用试验数据进行重新建模,利用Pro/E和UG等软件进行设计,利用Ansys等CAE仿真软件进行仿真优化,分析其是不是达到设计规范的要求,最后通过有限元分析软件对零部件进行检查,主要检查其在一定的约束条件下对载荷产生什么样的响应。利用科学合理的方法得到载荷条件和边界条件。结合力学理论对数据进行分析,以验证产品的稳定可靠性。

2.3 结构形式不同的执行机构离合器设计

汽车离合器的执行离不开离合器执行机构,是控制器的控制下对离合器的工作规律进行监控,离合器执行机构的性能会对离合器监控效果产生重要影响。除此之外,离合器的稳定可靠会影响到自动离合器控制系统的运行以及驾驶员的生命安全,以此也反映出离合器执行机构的重要性。

3 离合器的优化分析

3.1 设计变量

由于离合器的后备系数β和单位压力p0取决于离合器的工作压力F,以及离合器的主要尺寸参数D和d,因此对离合器进行优化,其基本参数的设计变量应当选择为:

其中,T为静摩擦力矩

D为摩擦片外径

d为摩擦片内径

3.2 目标函数

离合器设计的目标函数就是指离合器设计的目标,离合器的结构在满足正常使用功能和使用寿命的前提下尺寸尽可能的小,具体目标函数为:

3.3 约束条件

(1)对摩擦片外径D进行选择时,要确保最大圆周速度vD不能大于65m/s～70m/s。也就是

(2)摩擦片的内径和外径之比c要处于0.53和0.7的范围内。

(3)汽车车型不同,其β值最小不能低于1.2,最大不能超过4.0,确保离合器能够稳定可靠的传递发动机转矩,避免出现传动系过载的情况。

(4)为了确保扭转减震器顺利安装,摩擦片内径d至少不能小于减震器弹簧位置直径2Ro,大约为50mm,也就是得到以下公式:d＞2Ro+50。

(5)单位摩擦面积传递的发动机转矩也要进行控制,其约束范围能够在一定程度上反映出离合器传递转矩,并且保护过载的能力,其约束范围为

(6)汽车离合器在滑摩过程中会产生热负荷,这是很正常的现象,但是也很容易使摩擦片产生损失,因此不同汽车车型,对摩擦材料进行选择时,要考虑其单位压力p0也应当在一个约束范围之内。实验数据表明,摩擦材料单位压力在0.1MPa～1.5MPa之间,也就是0.10MPa≤p0≤1.5MPa。

(7)一般而言,汽车在起步时滑磨现象比较严重,摩擦片温度会随着摩擦的加剧而不断升高。因此,要对单位摩擦面积进行控制,也就是确定滑磨功要处于某一个范围,也就是

3.4 优化设计

离合器的结构参数能够利用微粒群算法进行求解,然而设计要求各有区别,离合器设计的目标函数不止一个,因此可以采用权重系数法,把目标函数总结成一个函数。除此之外,设计中需要对不等式约束条件进行综合考虑,也可以利用内点混乱惩罚函数解决这些约束。

4 结语

综上所述,通过对汽车离合器的设计和优化进行分析,发现好的汽车离合器设计要先从确定设计要求开始,然后按照场合和特点等对离合器形式进行选择,建立相应的数学模型,利用电脑软件进行有限元分析和仿真优化。本文对有关汽车离合器的设计和优化进行分析和探讨,以期对于汽车离合器设计水平的提高,起到一定的理论指导意义。

[1]吕振华,冯振东.汽车离合器扭振减振器设计方法探讨[J].汽车工程,2007(04).

[2]钱晓东.城市客车离合器的设计与调整[J].客车技术与研究,2002(02).

[3]魏光明.蹄块式自动离合器的设计[J].摩托车技术,2001(05).

[4]樊笑宇.浅谈离合器的设计[J].黑龙江交通科技,2011(06).

[5]关健强.风圣牌公交车离合器操纵系统的优化改进[J].广东公路交通,2008(02).

[6]丁原,王云.汽车摩擦离合器优化设计[J].长春大学学报,2010(04).