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目 錄
摘 要 Ⅲ
Abstract Ⅳ
1 緒 論 1
2 離合器的設(shè)計定位及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 3
2.1 離合器的設(shè)計定位 3
2.2 從動盤的選擇 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 離合器壓盤和離合器蓋的設(shè)計 10
4.1 選擇壓盤的傳動方式及材料 10
4.2 壓盤的性能校核 10
4.3 離合器蓋的設(shè)計 11
5從動盤的設(shè)計 12
5.1摩擦片的選擇 12
5.2從動片的選擇及設(shè)計 12
5.3從動轂的設(shè)計 13
5.4轉(zhuǎn)矩減振器的設(shè)計 15
6膜片彈簧的設(shè)計 19
6.1膜片彈簧的彈性特性 19
6.2膜片彈簧的強度設(shè)計 19
6.3膜片彈簧的參數(shù)校核 21
7基于ANSYS對離合器主要零件進行模態(tài)分析 22
7.1基于ANSYS對膜片彈簧進行自由模態(tài)分析 22
7.2基于ANSYS對從動轂進行模態(tài)分析 24
8結(jié) 論 27
參考文獻 28
致 謝 29
II
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汽車離合器的設(shè)計及模態(tài)分析
摘 要
汽車離合器是汽車傳動系統(tǒng)中重要的一個組成部分，安裝在發(fā)動機和變速箱之間的飛輪殼體中，通過離合器蓋和飛輪用螺釘固定,與變速箱的輸入軸共軸。離合器可以說是汽車動力傳遞的開關(guān)，能夠臨時切斷汽車的動力輸出，確保汽車能夠平穩(wěn)起步，防止傳動系統(tǒng)過載。如今汽車離合器的設(shè)計及制造工藝已經(jīng)十分成熟，而離合器的發(fā)展也趨于自動化。本設(shè)計主要分析了在汽車離合器設(shè)計中最常用的離合器類型——膜片彈簧離合器的機構(gòu)特點和工作原理，并對其主要零件：摩擦片、壓盤、扭轉(zhuǎn)減震器、膜片彈簧等進行了具體尺寸設(shè)計及強度校核。并運用PROE繪制出離合器的三維模型，再基于ANSYS Workbench對膜片彈簧和從動盤轂進行模態(tài)分析，找出設(shè)計中所遺漏的點和檢驗零件的結(jié)構(gòu)強度。
關(guān)鍵詞:汽車傳動系統(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)在的汽車雖然出現(xiàn)了以電動機為動力的，但大部分還是以內(nèi)燃機為動力，而離合器是以內(nèi)燃機為動力的汽車傳遞動力的總成，屬于汽車傳動系。離合器的安裝位置在發(fā)動機與變速箱的中間，用螺釘固定在飛輪后面，作為一個發(fā)動機動力傳遞的開關(guān)，安裝在飛輪殼內(nèi)。汽車行駛時，駕駛員通過控制離合器踏板，去實現(xiàn)離合器分離與接合，于此同時發(fā)動機的動力也隨著切斷與接入，是汽車傳動系的重要零部件。
離合器的作用主要是以下三個:
（1）平順換檔：在換檔時，駕駛員踩下離合器踏板，離合器處于分離狀態(tài)，此時發(fā)動機動力傳遞被切斷，變速器才能進行換；若離合器不能徹底分離，動力傳遞沒有完全切斷，變速器將產(chǎn)生換檔困難、換檔沖擊響甚至不能換換，對變速器的損傷很大.在換檔過程中，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程，可以逐漸傳遞發(fā)動機的動力，使得汽車起步時候平穩(wěn)，接合不能過快而導(dǎo)致汽車熄火。
（3）防止傳動系過載：若傳動系統(tǒng)負載過大，離合器的摩擦表面的摩擦力過小而打滑，這樣就防止因傳動系統(tǒng)過載而產(chǎn)生的異常損壞。所有設(shè)計離合器時，汽車的發(fā)動機功率是一個很重要的參考數(shù)據(jù)。
如果從安裝在1889年德國戴姆勒公司生產(chǎn)的鋼制車輪小汽車上的離合器原型算起，汽車離合器至今已發(fā)展了一百多年的。從最開始的錐形離合器到現(xiàn)今的盤式離合器，從單片到雙片、多片；從干式到濕式；從手動到自動；如今汽車離合器在不同領(lǐng)域的不同類型十分之多。而其中在小型汽車上所用的離合器，膜片彈簧離合器是最為常見的。因為膜片彈簧具有較理想的非線性彈性特性，使得它在工作時所受到的壓力分布的較為均勻，和壓盤及離合器蓋接觸良好，這樣它的磨損也會比其他離合器會均勻很多，使得它的使用壽命長變長。
主動部分、從動部分、壓緊機構(gòu)和操縱機構(gòu)作為離合器的四個組成部分，有著不同的零件和功能。從動盤就是從動部分，它包括從動盤轂、從動片、摩擦片、扭矩減震器；壓緊機構(gòu)就是壓緊彈簧和安裝固定它的一些部件。駕駛員通過控制操縱機構(gòu)去控制離合器的分離及接合，壓緊機構(gòu)是主動機構(gòu)的動力，從動部分受主動部分控制，四個部分相互配合而切斷和接入發(fā)動機的動力。
隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車的性能也越來越好，因而動發(fā)動機的功率也越來越高，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，簡化結(jié)構(gòu)是離合器未來的發(fā)展趨勢。
5
第2章 離合器的設(shè)計定位與結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
2離合器的設(shè)計定位與結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
2.1離合器的設(shè)計定位
近十年來，我國的機動車和駕駛?cè)说臄?shù)量都保持著較高的增長速度，截止到2017年，我國汽車的保有量就有2億輛，占全球的20%。而根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的《2017年中國私人汽車擁有量情況分析》報告中指出2016年中國私人汽車擁有量為16330.22萬輛，同比增長15.8%。預(yù)計2017年中國私人汽車的擁有量將會達到18128.94萬輛。
目前中國家庭偏愛小型載客私人汽車，2016年其擁有量為14645.61萬輛，占不同類型私人汽車擁有量的98.3%。而根據(jù)2017年的統(tǒng)計，我國平均6.7人擁有一輛私家車，遠不及英、美、日、韓等國家?？梢钥闯鑫覈乃饺似嚨脑鲩L空間還是十分之大的。
所以本次設(shè)計是針對小型載客私家車而設(shè)計一款離合器，車重為：（目前型載客私家車的噸位大多數(shù)在之間），發(fā)動機功率為，發(fā)動機的最大扭矩。
2.2從動盤的選擇
對于一輛重量為，發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩為，最大功率為的輕型轎車，所用的離合器只需要一個從動盤就足夠了。因為只有一個從動盤，所以離合器的布置尺寸的限制會較小。這樣離合器的結(jié)構(gòu)就會簡單、容易設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)、內(nèi)部零件的尺寸緊湊、維修方便，發(fā)動機和變速器動力分離徹底，接合平順。
從動盤的數(shù)目越多，離合器轉(zhuǎn)遞扭矩的能力也會越強。在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時對比，從動盤越多的離合器，徑向尺寸和踏板力就會越小，接合就會越平順。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)的能力就會下降，負載不均勻，容易燒壞離合器，導(dǎo)致分離不夠徹底。
因此在設(shè)計汽車離合器的時候并不是從動盤越多越好，而是根據(jù)車輛的各種參數(shù)和使用環(huán)境的不同而進行合理的設(shè)計。而這次設(shè)計的重量為的輕型轎車，決定選用單片離合器，只有一片從動盤。
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） 膜片彈簧能夠同時起到壓緊彈簧和分離杠桿的作用；
（3） 膜片彈簧具有簡潔而緊密的結(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壓盤接觸，使得其受力均勻；
（6） 能夠很好地散熱通風(fēng)，工作年限長；
（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支撐圈，在接合的時候，離合器的蓋可以給膜片彈簧的大端提供支撐，用中部壓緊壓盤讓壓盤能夠給從動盤壓力，從而使從動盤、壓盤和飛輪的表面壓緊，此時扭矩是通過摩擦力的方式進行傳遞；分離時，通過操縱機構(gòu)操縱分離軸承拉動膜片彈簧，膜片彈簧繼而拉動壓盤導(dǎo)致壓盤、從動盤和飛輪之間產(chǎn)生一條間隙，達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，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。而離合器內(nèi)的熱量產(chǎn)生一般是源于壓盤跟從動盤上的磨擦片、從動盤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關(guān)系到離合器的散熱通風(fēng)，這點在設(shè)計磨擦片是會有詳細的介紹。另外磨擦片的磨損程度跟壓盤的溫度直接相關(guān)，壓盤的溫度越高，磨擦片磨損就越嚴重。而且當(dāng)摩擦表面溫度過高時，壓盤的溫度也會容易變高，溫度過高會使壓盤在受到壓力時發(fā)生形變而形成裂紋和碎裂，因此設(shè)計的壓盤時要有保證足夠的熱容量的質(zhì)量，離合器蓋會開通風(fēng)口或者鼓風(fēng)片。
2.5離合器類型的確定
通過以上的分析，得到所設(shè)計得離合器的從動盤只有一個，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擋車型的離合器（變速箱和離合器一體式）或者多個從動盤的離合器，所以采用干式。綜合確定本設(shè)計的離合器類別為：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)動機的轉(zhuǎn)矩的傳遞是通過摩擦表面的摩擦力矩來完成的。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；代表壓盤施加在摩擦面上的工作壓力；代表摩擦面的數(shù)目，和從動盤的數(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)動機的最大轉(zhuǎn)矩得以穩(wěn)定被傳遞，設(shè)計離合器時的應(yīng)比發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩大，即：
（3.6）
其中，代表汽車發(fā)動機的最大轉(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)，會影響到離合器的性能。而摩擦片的內(nèi)外徑尺寸會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)計的是單片膜片彈簧離合器，其在工作過程中摩擦片的工作壓力十分穩(wěn)定，加上小型轎車本身的后備功率比較大，參考下表，確定=1.6。
3.1各類汽車值的取值范圍表
轎車和小型貨車
中型和重型貨車
越野車、帶拖掛的重型汽車和牽引汽車
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。在選取單位壓力時應(yīng)考慮下面這些要素：離合器的工作條件，發(fā)動機后備系數(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，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。汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩作為一個重要的參數(shù)，以下公式可作為參考：
（3.3.1）
其中，系數(shù)A是反應(yīng)不同機構(gòu)和使用條件下對D的影響，它的選取可參考下表：
3.3發(fā)動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)選取表
即。將代人上式（3.3.1），計算得，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)，并對些參數(shù)進行校核。
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。
（3.4.1）
其中，為發(fā)動機的最大轉(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） 為了減低汽車起步時離合器的滑摩，防止摩擦片表面溫度過高，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
計算得w=0.37j,故符合要求。
10
第4章 離合器壓盤和離合器器蓋的設(shè)計
4離合器壓盤和離合器蓋的設(shè)計
4.1選擇壓盤的傳動方式及材料
4.1.1壓盤傳動方式的選擇
壓盤在從動部分也占有重要地位。在離合器傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)矩時，從動盤因為被壓盤和飛輪共同壓著而受到摩擦轉(zhuǎn)動，這個過程會令摩擦表面快速升溫。壓盤應(yīng)與飛輪和離合器蓋連接在一起，但軸向方向不能固定死，讓其在分離過程中能自由地沿軸向移動。它的結(jié)構(gòu)強度對汽車行駛安全有重要作用。
壓盤的傳動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.彈性傳動片。前四種傳動方式的安裝時會使飛輪與壓盤間有間隙，這樣壓盤在傳動時會產(chǎn)生沖擊和噪聲，當(dāng)離合器使用時間長了，就會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片。
4.1.2壓盤的尺寸
壓盤內(nèi)外徑大小與摩擦片的內(nèi)外徑大小相應(yīng)，為：，。
壓盤的厚度參考市面上相同種類的轎車的離合器采用的壓盤厚度后，綜合考慮。初選厚度為。材料選用灰鑄鐵HT200。
4.2壓盤的性能校核
汽車離合器接合一次升溫為：
（4.2.1）
（4.2.2）
其中，代表傳動壓盤的熱量占有的比重，單片離合器的一般為0.5；
c為壓盤的比熱容，灰鑄鐵HT200約為：520J/kg°C；
為壓盤的質(zhì)量；V為壓盤的估算面積；p為灰鑄鐵的密度：代人數(shù)據(jù)計算得：，故符合要求。
4.3離合器蓋的設(shè)計
離合器蓋一般與飛輪相連，也起到傳遞發(fā)動機的部分轉(zhuǎn)矩的作用，同時也是膜片彈簧和分離機構(gòu)的支撐，所以在設(shè)計時需要注意以下幾點：
（1） 具有足夠的剛度；（2）有良好的散熱通風(fēng)；（3）對中良好；（4）內(nèi)外徑尺寸要能將其他零件包在殼內(nèi)又不能過大。
故材料選用08剛（低碳鋼）厚度初選為3.5mm；蓋體四周開通風(fēng)口；采用止口對中方式；內(nèi)徑初定為230mm.
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第5章 從動盤的設(shè)計
5從動盤的設(shè)計
從動盤是離合器的從動部分，它主要由：從動片、摩擦片、減震器、從動盤轂這幾個零件組成。它處在飛輪與壓盤中間，運用摩擦轉(zhuǎn)換，將發(fā)動機的扭矩傳給變速器，同時因為有轉(zhuǎn)矩減振器也會起到減振和保護的作用。
5.1摩擦片的設(shè)計
對于離合器摩擦片的性能要求一般有以下幾點：
(1)所選材料具有較高的摩擦系數(shù)；
(2)需具備短時間內(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，并且在釘頭與從動盤表面直接接觸時，不會加劇從動盤的局部磨損。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從動片的選擇及設(shè)計
在設(shè)計傳動片時，從動片的重量盡量要小，質(zhì)量盡可能分布居中，這樣以獲得較小的轉(zhuǎn)動慣量。所以，從動片一般做得很薄，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的沖擊，從動片的軸向彈性顯得尤為重要。離合器應(yīng)用的主要從動片類型為整體式彈性從動片、分開式彈性從動片、組合式彈性傳動片。本設(shè)計選用常用于小轎車的分開式彈性從動片。
綜合上述考量：本次設(shè)計選用的從動片的外徑為；厚度為：;外緣厚度：。
5.3從動盤轂的設(shè)計
從動盤轂承擔(dān)了離合器的最大載荷，與傳動軸以花鍵的形式相互協(xié)作，因此從動盤轂的強度與花鍵的強度密不可分。以摩擦片的外徑及發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩根據(jù)國標(biāo)GB1144-74對花鍵進行選擇取值。
5.3.1離合器從動盤轂花鍵尺寸系列
根據(jù)磨擦片外徑，發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩查上表，得：；；;;;。
已知離合器的原理是通過摩擦面的摩擦來控制動力的接合和分離，因此在花鍵軸上從動盤轂也應(yīng)能自由滑動。國內(nèi)從動盤轂花鍵一般采取的是SAE標(biāo)準(zhǔn)。
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5.3從動盤轂花鍵
5.3.2SAE從動盤轂花鍵尺寸系列
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）的強度檢驗：
（5.3.1）
（5.3.2）
計算得：=8.7MPa；=12.8MPa，符合要求。
5.4扭轉(zhuǎn)減震器的設(shè)計
扭轉(zhuǎn)減震器安裝與從動盤的最外圍，其上裝有一定數(shù)目的減震彈簧，能夠降低發(fā)動機傳遞過來的振動，有一定的保護作用。
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，按下列公式計算：
（5.4.2）
本次設(shè)計的離合器是用于乘用車故取2，計算得：；。
2、 最大摩擦力矩
由于角剛度受結(jié)構(gòu)和發(fā)動機最大扭矩限制，為了在發(fā)動機工作轉(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，計算得=25.5N·m。
3、 預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
在安裝減震彈簧時都要有一定的預(yù)緊，增加時，共振頻率將向減小頻率的方向移動，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)，計算得：=6.93KN。
每個彈簧的工作壓力：
（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)，計算得：=5°。
19
5.4.2減震彈簧的尺寸設(shè)計
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)，計算得：。
3、 減震彈簧的剛度C
(5.4.10）
代入數(shù)據(jù)，計算得：。
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（對剛），代入數(shù)據(jù)，計算得?？?cè)?shù)取5.
5、減震彈簧的最小長度
（5.4.13）
式中，=0.1d，代入數(shù)據(jù)，計算得：。
6、 減震彈簧的總變形量:
（5.4.14）
代入數(shù)據(jù)，計算得：。
7、 減震彈簧的自由高度
（5.4.15）
21
代入數(shù)據(jù)，計算得：。
8、 減震彈簧的預(yù)變形量
（5.4.16）
代入數(shù)據(jù)，計算得：。
9、 減震彈簧高度
（5.4.17）
代入數(shù)據(jù)，計算得：。
22
第6章 膜片彈簧的設(shè)計
6膜片彈簧的設(shè)計
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：
（1） 當(dāng)時，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，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，彈簧特性曲線在中段有一個開口向上的曲線，說明在此段變形增加的情況下，負載反而減小。離合器膜片彈簧的特征正體現(xiàn)于此。
（4） 當(dāng)時，特性曲線表現(xiàn)為載荷和變形都為零的狀態(tài)。
（5） 當(dāng)時，特性曲線具有一個為負值的負剛度區(qū)域，此類彈簧適用于汽車液傳動的鎖止機構(gòu)。
6.1 H/h比值不同時的無彈性特性曲線
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)，計算得：。
4） 工作位置點的選擇
右圖為膜片彈簧的彈性曲線，曲線上的點都有其特殊的彈性。T點是膜片彈簧的壓平位置點，位于最高點M和凹點N的中間；B點是離合器無磨損狀態(tài)下的工作點，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點是膜片彈簧工作的起點，為了保證A點處壓緊力變化不大，用以下列公式求得：
（6.2.2）
式中，=2,一般為.取，則。
點C表示離合器完全分離，越靠近N點越理想。
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，取：=3.2mm；=9mm；=60mm
7） 壓盤加載點和支撐環(huán)加載點
、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，成型后進行高溫處理和強壓處理，以提高其承載能力，疲勞壽命和彈性恢復(fù)。
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第7章 基于ANSYS對主要零件進行模態(tài)分析
7基于ANSYS對主要零件進行模態(tài)分析
模態(tài)分析是所有動力學(xué)分析中最為基本的方式，它被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動特征的計算。在模態(tài)分析里的結(jié)構(gòu)振動特性中有兩個需要引起我們重視的點，即固有頻率和振型。模態(tài)分析提供的優(yōu)勢為：消除結(jié)構(gòu)設(shè)計中的共振現(xiàn)象或在特定的頻率水平上振動；在不同載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀況會反映在分析結(jié)果中，使工程師能夠從中得到認識；有利于在其他的動力分析中控制參數(shù)的估計和求解。
由以上設(shè)計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)動機載荷最大的從動盤轂的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進行模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果與發(fā)動機的各個參數(shù)對比，檢驗是否符合工作要求。
7.1基于ANSYS對膜片彈簧進行自由模態(tài)分析
膜片彈簧的工作性能會直接影響到離合器的工作狀況和汽車傳動系統(tǒng)的使用壽命。所以為了要保證膜片彈簧的結(jié)構(gòu)強度，對其進行模態(tài)分析是十分必要的。
1.首先在PROE軟件中畫出它的三維模型。
7.1膜片彈簧三維模型圖
2.然后打開ANSYS Workbench軟件，建立一個modal模塊；再新增加一個材料屬性，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，計算生成自由模態(tài)圖。
7.1.2第7階模態(tài)圖
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7.1.3 1~12階實驗數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)結(jié)果分析：
由《1~12階實驗數(shù)據(jù)圖》可知，膜片彈簧前6階的頻率為0Hz,為剛體模態(tài)，故將其忽略不計入分析，只參考7~15階的數(shù)據(jù)。可見7到15階的振動頻率從183.13Hz到470.35Hz逐漸增高。而最大功率為150KW的發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在3000~5000r/min，頻率在100Hz以下。故發(fā)動機在工作時不會對膜片彈簧產(chǎn)生共振，膜片彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計合格。
7.2基于ANSYS對從動盤轂進行模態(tài)分析
離合器的從動盤轂承受了最大載荷，它幾乎承受了發(fā)動機賦予的全部轉(zhuǎn)矩，在整個從動盤總成的扮演主要受力點的重要角色。所以從動盤轂的結(jié)構(gòu)強度直接會影響到從動盤的工作狀態(tài)，對其進行模態(tài)分析和檢驗是十分有必要的。
1. 首先在PROE軟件上繪制出三維模型，并保存為（*.igs）格式。
7.2從動盤轂三維圖
2. 打開ANSYS Workbench軟件，建立一個modal模塊。
3. 將從動盤轂的三維模型圖導(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)從動盤轂的結(jié)構(gòu)尺寸，將單元尺寸設(shè)置為3mm。
7.2.1從動盤轂網(wǎng)格圖
5. 在花鍵處設(shè)置一個固定約束。
6. 設(shè)置模態(tài)數(shù)為15，計算生成模態(tài)圖。
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7.2.3從動盤轂的一階模態(tài)圖
7.2.4從動轂1~15階實驗數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)結(jié)果分析：
由模態(tài)分析數(shù)據(jù)可知，從動盤轂的一階振動頻率就為1566.9Hz。而最大功率為的發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在的區(qū)域內(nèi)，其振動頻率在100Hz左右，遠低于從動盤轂的一階振動頻率。故從動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計強度符合要求。
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結(jié)論
結(jié)論
本次設(shè)計是針對家用小型汽車所設(shè)計的一款干式單片膜片彈簧離合器。一開始簡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、性能優(yōu)點。通過詳細的推導(dǎo)和計算，得出一些主要零件的尺寸參數(shù)和性能參數(shù)，進行校核之后，最終畫出三維圖并對部分重要零件進行模態(tài)分析。
首先根據(jù)汽車的重量和發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩確定了從動盤的數(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)摩擦片的尺寸進行確定。依次對離合的壓盤、離合器蓋、從動片、從動轂、扭矩減震器、膜片彈簧進行設(shè)計和校核。根據(jù)尺寸繪制出三維圖。再基于ANSYS對從動轂和膜片彈簧進行模態(tài)分析。
通過這次對膜片彈簧離合器進行設(shè)計，讓我對離合器的工作原理、種類、發(fā)展歷史有了一定的了解。對離合器未來的發(fā)展趨勢有著自己的觀點。設(shè)計過程中，翻閱了大量的文獻、公式、資料，極大地鞏固了以往所學(xué)的知識以及豐富了我的知識儲備。繪圖能力有了很大的進步。
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參考文獻
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致謝
致謝
這次的膜片彈簧離合器設(shè)計，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。在設(shè)計過程中我也學(xué)到了很多東西，成長了許多。對汽車了和其有了一定的理解。
特別要感謝王旭老師的嚴格要求和悉心教導(dǎo)。從初選課題到完成設(shè)計，王老師給了我很多建議和幫助。每次遇到不懂得的問題時，王老師總是能耐心地進行指導(dǎo)。在此，向王旭老師表示感謝和崇高的敬意。
同時，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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