車輛離合器碟形彈簧性能優(yōu)化及CAD系統(tǒng)開發(fā)

2013-06-02  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

闡述了碟形彈簧的特性及其在車輛離合器中的應用;提出了適用于車輛離合器的優(yōu)化方法及CAD方法;開發(fā)出了優(yōu)化及CAD設計軟件系統(tǒng)。

邵忍平;黃欣娜;吳永利;隆鳳明 來源:機械
關(guān)鍵字:碟形彈簧 CAD 優(yōu)化設計

碟形彈簧軸向尺寸小、承載能力大、具有變剛度的非線性特性,因而在引進設備中獲得廣泛應用,特別是近年來在引進車輛的主離合器中,越來越多地采用了碟簧,以實現(xiàn)動力傳遞的分離與結(jié)合,因此,碟形彈簧設計的優(yōu)劣,直接影響到車輛的使用性能。為此,本文就碟簧工作特性、優(yōu)化設計及CAD方法進行討論。同時開發(fā)了實用碟簧優(yōu)化軟件,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對其進行了CAD設計,繪制了各種碟簧載荷與變形特性曲線、應力與變形曲線和碟簧零件工作圖。為便于用戶使用,軟件中采用中西文結(jié)合方式,設計了兩級彩色界面菜單,從而形成了碟簧優(yōu)化及CAD軟件系統(tǒng)。這對于碟簧一體化設計及實現(xiàn)引進車輛離合器的國產(chǎn)化都具有重要意義。

    1 碟形彈簧的變形特性

圖1是碟簧的變形特性曲線。b點是離合器摩擦片未磨損時處于接合狀態(tài)的工作點,該點應保證碟簧具有足夠的壓緊力,具備適當?shù)膬湎禂?shù)。P點為碟簧被壓平時的工作點,故b點應選擇在曲線SP之間。當摩擦片磨損Δλ后,碟簧工作點由b移到a點,這時應使壓緊力Pa接近于Pb,以保證離合器儲備系數(shù)基本不變。d點為離合器徹底分離后碟簧工作點,為了保證操縱時較小的踏板力,分離點d應靠近載荷最小點c。

    2 碟簧特性計算的有關(guān)公式

載荷P與變形λ的關(guān)系式以及出現(xiàn)在碟簧內(nèi)圓周上邊緣處的最大應力為
E——材料彈性模量;
μ——材料波松比;
H——碟簧部分內(nèi)截錐高;
h——碟簧厚度;
Re——碟簧外半徑;
Ri——碟簧部分內(nèi)半徑;
Re1——碟簧與壓盤接觸半徑;
Ri1——支承環(huán)平均半徑;
Rf——分離軸承作用半徑;
β2——分離爪根部寬度系數(shù)。
碟簧必須保證離合器接合時可靠地傳遞發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩,則其工作載荷為
Pb=βMemax/(fRcZc)

(3)

    式中:β——離合器儲備系數(shù);
Memax——發(fā)動機最大輸出扭矩;
f——摩擦系數(shù);
Rc——摩擦片平均半徑;
Zc——摩擦片總工作面數(shù)。

圖2

    3 碟簧優(yōu)化數(shù)學模型及方法

    3.1 設計變量及目標函數(shù)

    碟簧的內(nèi)錐高度H、厚度h以及碟簧部分內(nèi)半徑Ri對其工作性能有顯著的影響。另外,分離點與壓緊點變形λD和λb也是影響性能的主要因素,因此,考慮到結(jié)構(gòu)與工作參數(shù),確定設計變量為H、h、Ri、λb、λf,即X=[x1,x2,x3,x4,x5]=[H、h、Ri、λb、λf]。

    對于車輛離合器,由于頻繁接合與分離,導致摩擦片磨損,引起壓力下降,使傳遞的扭矩出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。為保證離合器的儲備系數(shù)及其工作可靠性,將摩擦片磨損前后碟簧工作載荷變化(|Pa-Pb|)作為一個目標函數(shù)。離合器另一個重要特性是操作的輕便性,故分離時踏板力不能過大,碟簧分離力也作為一個目標函數(shù)

(4)

    式中:

Δs——每個摩擦片允許最大磨損量;
λD=λb+λf
δ1、δ2——加權(quán)因子。

    3.2 約束條件
    (1)碟簧的高厚比H/h對其特性影響最大,只有當它控制在一定范圍內(nèi)時才具有負剛度。故

     (2)摩擦片壽命要求壓強不能過高,必須低于許用應力〔q〕

(3)在載荷Pb作用下碟簧變形應符合λs<λb<λp,λp=H,λs為碟簧最大載荷處變形。由式(1)得

(4)離合器徹底分離時,碟簧工作點d應靠近c點,即λd-λc

(5)碟簧強度要求

    在此將強度條件作為模糊問題來處理,現(xiàn)引入擴增系數(shù)β(β=1.05~1.30),通過計算其模糊強度條件為:σmax(λD)<β〔σ〕-80λ*,λ*為最優(yōu)水平截集。

    g7(X)=β〔σ〕-80λ-σmax(λD)>0

    (6)碟簧結(jié)構(gòu)及工藝要求

    1.2 0.15 g8(X)=Re/x3-1.2>0
g9(X)=1.8-Re/x3>0;
g10(X)=x1/(Re-x3)-0.15>0
g11(X)=0.28-x1/(Re-x3)>0

    (7)碟簧變形限制

    1.8<λb<13 1.0<λf<11
g12(X)=x4-1.8>0
g13(X)=13-x4>0
g14(X)=x5-1.0>0
g15(X)=11-x5>0

    (8)邊界條件要求

    tgα=H/(Re-Ri);5°<α<11°;5 g16(X)~g23(X)

    (9)碟簧工作載荷滿足離合器要求

    P(λb)=Pb
h1(X)=Pb-P(x4)=0

    3.3 優(yōu)化方法

    綜上所述,建立起23個不等式約束、1個等式約束、2個目標函數(shù)所組成的5維非線性優(yōu)化數(shù)學模型,即

(5)

在此采用混合罰函數(shù)法進行優(yōu)化,其表達式為

通過以上方法完成了優(yōu)化軟件,經(jīng)過計算可得結(jié)果。

    4 碟形彈簧CAD

通過上述的優(yōu)化可得碟簧的H、h、Ri、λb和λf,從而可計算出所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù),并且通過改變其內(nèi)外徑比可得到不同規(guī)格的碟簧,形成一個全系列設計。在此基礎上可繪制出碟簧的工作特性曲線、應力變形曲線及零件工作圖等,將優(yōu)化結(jié)果以圖紙及數(shù)據(jù)形式輸出。另外,CAD軟件中還設計出了二級用戶界面菜單,并帶有三維立體字顯示,供用戶選用。上述CAD程序軟件,均采用Turbo C語言編寫,在Turbo C 2.0集成開發(fā)環(huán)境下運行,以完成從查閱源程序、修改原始數(shù)據(jù)、運行優(yōu)化程序、查閱運行結(jié)果,直到繪制特性曲線圖以及零件圖的全部過程,形成優(yōu)化及CAD軟件系統(tǒng)。

    5 實例分析與討論

某車輛離合器及碟簧有關(guān)參數(shù)為:N=14.7kW;n=2000r/min;β=1.7;f=0.25;Zc=2;Δs=1.0mm;e=0.2,μ=0.3;〔q〕=7MPa;〔σ〕=1570MPa;E=2.06×105MPa。通過優(yōu)化和CAD分析得到其結(jié)果如表1和圖3~圖5所示。

圖3 碟簧載荷變形圖

可見,當離合器傳遞扭矩相同的情況下,碟簧優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸基本相同,不隨m=Re/Ri的變化而變化,但壓力、變形、應力以及碟簧外徑則隨m不同而變化。當m增大時,壓力Pb和Pa也隨之增大,而碟簧外徑De=2Re以及Ri隨之變小,這是由于外徑減小時,只有Ri減小,才具備足夠的摩擦面積,方能滿足傳遞相同扭矩的要求,當然壓力肯定是要增大的,也就是說,當結(jié)構(gòu)尺寸較大時宜選小m值、當結(jié)構(gòu)尺寸較小時選用較大m為好,這樣碟簧壓力變化ΔP較小、分離力也較小,如表1中m=1.2和1.4兩組優(yōu)化 結(jié)果。當m=1.7時碟簧壓力變化達到23.92%,這種結(jié)果不可取,故建議m取值在1.2~1.6之間為好。因此碟簧的選取原則可按以下進行:對于大功率的結(jié)構(gòu)尺寸較大的車輛離合器,碟簧宜選小m值,而對于小功率結(jié)構(gòu)尺寸較小的離合器,碟簧宜選較大m值。

圖4 碟簧應力變形圖

圖5 碟簧零件工作圖

表1 不同m值的優(yōu)化結(jié)果對比

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