1、 毕业设计说明书 学生姓名： X X X 学 号： XXXXXXXX 学 院： XXXXXXXX 学院 专业年级： 201X 级 XXXXXXX 班 题 目： 基于 UG 的汽车膜片弹簧建模与设计 指导教师： X X X 教授 评阅教师： 201X 年 05 月 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 摘 要 离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和实现对传动系的动力传递，以保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换挡齿轮之间的冲击；在工作中受到大的动载荷时；能限制传动系所承受
2、的最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏；同时，由于离合器避免了发动机与变速箱的刚性连接，能有效地降低传动系中的振动和噪声。因此，离合器在使用过程中，故障率极高，其中以因压紧力不足而出现难挂挡而导致异常磨损或烧蚀以及踏板力沉重为主。 膜片弹簧是离合器 中最关键的部件，离合器的工作压力以及踏板力、压盘升程和分离行程都与膜片弹簧相关。因此，研究膜片弹簧的力学性能对查找离合器故障原因以及提出优化方案不仅具有理论意义，也具有巨大的现实利益。 本论文的重点有三方面的内容：一、离合器的工作原理与结构；二、膜片弹簧的数学模型的建立以及理论推导；三、基于 UG 对于膜片弹簧的建模设计。 首先，分析了离合器的国
3、内外发展现状，并提出本文的研究内容，目的和意义。 其次，分析离合器工作原理与结构，离合器的关键零部件在离合器工作中的作用，并提出膜片弹簧对离合器技术参数的影响。 接着对 膜片弹簧进行数学建模，强度校核等，并基于 UG 进行建模。 最后结合前面所有的研究成果，总体宏观把握，提出了工作总结与展望。 关键词：膜片弹簧；建模与设计； UG；汽车离合器 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 Title Modeling and design of automobile diaphragm spring based on UG Abstract Clutch of aut
4、omobile driving system is directly connected with the engine assembly and its main function is cut off and the transmission power of the transmission line, to ensure the car started the engine and transmission line joins smoothly and ensure a smooth start car; the shifting of the engine and the tran
5、smission line separation, reduce the impact between the shift gears of the transmission; in the work by the large dynamic load; to limit the transmission under the maximum torque to prevent transmission parts from being damaged due to overloading; at the same time, due to the clutch to avoid the rig
6、id connection of the engine and the gearbox, effectively reduce the vibration and noise of the transmission system. Therefore, the clutch in the use of the process, the high failure rate, which in due to the lack of compression force and the difficulty of the suspension caused by abnormal wear or er
7、osion and heavy pedal force. Diaphragm spring is the key part in the clutch, clutch working pressure and pedal force, pressure plate rise and separating stroke are and the diaphragm spring. Therefore, the study of the mechanical properties of the diaphragm spring for finding the clutch failure reaso
8、ns and the proposed optimization scheme not only has the theoretical significance, but also has huge real benefits. This paper focuses on three aspects of content:, clutch working principle and structure; second, the mathematical model of the diaphragm spring is established and the theoretical deriv
9、ation; third, based on the UG modeling and design of diaphragm spring. Firstly, the paper analyzes the development of the clutch at home and abroad, and puts forward the research content, purpose and significance of this paper. Secondly, it analyzes the working principle and structure of the clutch,
10、 the key parts of the clutch in the clutch work, and puts forward the influence of diaphragm spring on the clutch technical parameters. XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 Then, the mathematical modeling of diaphragm spring, strength checking, etc., and based on UG modeling. In the end, the overall
11、macro grasp of the research results, and the summary and Prospect of the work is presented. Keywords : Diaphragm spring; Modeling and design; UG; Automobile clutch XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 目 录 1 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 课题的研究内容和目的 . 2 1.3 汽车膜片弹簧的研究和发展现状 . 2 1.3.1 汽车离合器的发展 . 2 1.3.2 国内外汽车膜片
12、弹簧研究现状 . 6 2 膜片弹簧离合器结构分析 . 8 2.1 膜片弹簧离合器工作要求 . 8 2.2 膜片弹簧离合器的工作原理 . 8 2.3 膜片弹簧离合器结构 . 10 3 膜片弹簧的设计 . 12 3.1 车型选择 . 12 3.2 膜片弹簧的概念及弹性特性 . 12 3.3 膜片弹簧的结构特点 . 14 3.4 膜片弹簧基本参数的选择 . 14 3.4.1 比值 /Hh 和 h 的选择 . 14 3.4.2 /Rr比值和 R 、 r 的选择 . 14 3.4.3 膜片弹簧起始圆锥底 角 . 15 3.4.4 分离指数目 n 、切槽宽 1 、窗孔槽宽 2 、及半径 er . 15 3
13、.4.5 膜片弹簧小段内半径 0r 及分离轴承作用半径 fr 的确定 . 15 3.4.6 压盘加载点半 径 1 R 和支承环加载点半径 1r 的确定 . 15 3.5 膜片弹簧的优化设计 . 15 3.6 弹簧材料及制造工艺 . 16 4 基于 UG 对膜片弹簧的建模 . 18 4.1 UG 软件介绍 . 18 4.2 UG 模型绘制 . 19 结论 . 21 致谢 . 22 参考文献 . 23 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 1 1 绪论 1.1 研究背景 汽车是重要的交通运输工具，是科学技术发展水平的标志，随着现代生活的节奏越来越快，人们对交通工具
14、的要求也越来越高。汽车作为最普通的交通工具，在日常的生活和工作中起了重要的作用。因此，汽车工业的规模及产品的质量就成为衡量一个国家技术的重要标志之一。 膜片弹簧离合器是近年来在轿车和 轻型汽车上广泛采用的一种离合器，它的转矩容量大而且较稳定，操作轻便，平衡性好，也能大量生产，对于它的研究已经变得越来越重要。随着汽车发动机转速、功率不断提高和汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求越来越高 1。从提高离合器工作性能的角度出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式膜片弹簧离合器结构发展，传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和延长其使用寿命，适应发动机的高转速，增加
15、离合器传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。 随着社会节奏的加快以及人们生活水平的 提高，对汽车来说，人们要求它有自重轻、行使速度 高、加速性能好、可以在各种路面上甚至无路地区行驶及机动灵活等特点。为了满 足各种行驶的需求，在汽车上要需要有一套复杂的传动系统。现代汽车上最常用的是机械式传动系统，它是由发动机以及离合器、变速器、万向节传动轴、主减速器、差速器和驱动车轮的传动装置（如半轴）等部件组成。其中离合器是作为一个独立的部件而存在的。它在传动系统中起着传递扭矩、分离传动、减振和过载保护多重功用，其品质直接影响汽车性能，对于使用工况复杂、超载严重的中国汽车更是如此 2。 为了满足汽
16、车配套的 需要，上世纪 80 年代，几个厂家先后从国外引进了膜片弹簧设计与制造技术。这些企业引进工作有力地促进国内汽车离合器行业的发展，为今后工作打下了一定的基础，但由于技术与资金的有限，缺乏长期高额投资的能力，形式不容乐观，与国外先进产家相比仍有相当大的差距 3。 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 2 1.2 课题的研究内容和目的 根据自选车型及整车技术参数，选择合适膜片弹簧的结构参数，设计计算其参数尺寸；目前汽车膜片弹簧离合器的应用越来越广泛。在国外 ,不但轿车上用 ,在中吨位货车上也得到了广泛的应用 ,甚至在重型货车上也有应用的趋势。国产的汽车上虽然
17、还 没有大量采用 ,但是我国同国外合资的汽车生产线所引进的样车都采用了膜片弹簧离合器。所以 ,各汽车生产厂家在这方面都做了许多工作 ,以便进一步提高合资生产汽车国产化的比重和改善国产汽车的性能。 离合器是传动系中切断和传递动力的部件，是汽车传动系中的重要组成部分。而离合器中膜片弹簧特性对于离合器工作状况的影响非常大，改进离合器膜片弹簧就显得尤为重要。但由于膜片弹簧设计中需考虑的因素多、计算公式繁琐 ,膜片弹簧的设计过去一直采用试凑法 ,即按一定步骤计算得出结果。如果不合适 ,则修改参数 ,重新计算 ,直到满意为止 4。这样的 设计方法慢而烦 ,工作量又大 ,很难得到最优结果。采用优化设计可将以
18、前作为简化的参数都考虑进去 ,通过优化程序计算可以很快地得到满意的结果。所以 ,进行膜片弹簧优化设计是一项具有实际意义的工作 5。 1.3 汽车膜片弹簧 的研究和发展现状 1.3.1 汽车离合器的发展 在 100 多年的汽车发展史中，几乎所有的零部件在技术方面都经历过巨大的发展变化：可靠性、生产成本、维护便利性、节能减排性等，都已经且将一直成为汽车行业的追求目标，这些发展目标要求汽车工程师们不断地开发出更新更好的解决方案 6。 离合器通过脚踏板 来工作。踩下离合器踏板，通过分离拨叉拉回锥形座圈，释放弹簧，从而使离合器分离。在 1889 年，戴姆勒的钢轮汽车已使用这种设计原理的基本形式：配备了一
19、个锥形 /斜面摩擦离合器。这个可以自由移动的锥形盘位于变速器轴上，与曲轴上带锥形凹槽的飞轮可以牢牢地接合。螺旋弹簧将锥形盘压入到飞轮锥形凹槽里，离合器接合；可踩下脚踏板，通过分离套筒、弹簧将此锥形盘拉回，从而分离离合器，中断动力传输。最初使用驼毛做为锥形盘摩擦面的材料，但很快被皮革取代。后者在蓖麻油中浸泡过，可以防潮湿，防油 /脂。其优点是：可以自动调节，变速器输入轴 上不受应力，但也有缺点，就是太XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 3 重。一方面，摩擦片磨损太快，更换太复杂，后在皮革摩擦片中设计了压紧弹簧销或传动片以做改进。另一方面，飞轮和离合器锥盘体积太
20、大，因而其惯性力矩较大导致换档时离合器比其要求的分离过程要慢很多。若干年后，单盘离合器就淘汰了锥形盘离合器。 De Dion 和 Bouton 是第一个认识到单盘离合器是离合器未来发展方向的人 7。随着 Ferodo 石棉摩擦片的出现，离合器技术取得了一大进步。石棉摩擦片大概从 1920 年代起一直使用到当代，直到其被非石棉摩擦片取代。单盘干式离合器的优点是很明显的：较低 的从动盘质量使其分离后可更快地停止转动，从而使换档更容易 彻底告别了变速器制动结构 8。 单盘干式的最初构造相对较复杂。离合器外罩用法兰固定在飞轮上，离合器盖用螺栓固定在离合器外罩里。带弹簧向内侧压缩的分离杠杆的离合器盖从中
21、间盘经由摩擦盘传递压力，将来自飞轮的转矩传到变速器。摩擦盘通过驾驶员将其连接到连接处或变速器输入轴。离合器通过一个可让锥形盘前后移动的滑动环片来实现分离和接合。锥盘的各侧相应地作用于分离杠杆，分离杠杆由螺旋弹簧起作用，受到压紧或分开，即中间盘接合 /分离。由于锥盘是转动的，而滑动环片是静止的，故需要定期地润滑 9。 然而随着发动机转速的不断增加，离合器变得越来越重。除此以外，用来作用于分离杠杆的分离轴承一直处在受压状态下，使其和离合器外罩很容易发生磨损，尤其是在发动机高转速时换档，会很快地磨损。 为了解决上述这些系统性的不足，人们便开发出了膜片弹簧离合器，膜片弹簧离合器诞生于 1936 年通用
22、汽车的研究实验室里，并在 1930 年代后期在美国大批量生产 10。在欧洲，是在第二次世界大战之后，人们通过美国通用公司的军用卡车才开始熟悉膜片弹簧离合器，并在 1950 年代中期应用在一些单一的欧洲车型上。保时捷 356， Goggomobil，宝马 700 和 DKW Munga 是第一批配备了膜片弹簧离合器的德国制造的汽车。膜片弹簧离合器大批量生产始于 1965 年的欧宝 Rekord 车型 11。 由于膜片弹簧离合器能够均衡、对称地转动，因而不受发动机转速的影响。膜片弹簧离合器在 1960 年代获得了成功，那时凸轮轴顶置式高转速发动机 (Glas，宝马，阿尔法罗密欧 )大范围地取代了凸
23、轮轴下置式发动机 12。 1960 年代末至今，几乎所有的汽车制造商都采用膜片弹簧离合器。 XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 4 当前，我国汽车离合器技术也正处于发生深刻变化的 时期。随着多种变速箱技术的发展和齐头并进，我国离合器技术也逐渐由单一的、传统的摩擦式离合器向多种传动技术并存的方向发展 13。 2000 年以前，我国基本上还是摩擦式离合器一枝独秀， 2000 年以后，随着汽车逐渐向舒适性和环保节能的要求转变，加上国外先进传动技术的相继研发和引进，我国摩擦式离合器作为传动部件的垄断地位逐渐被打破 14。最近几年，我国自动档车型产量上升很快， 200
24、7年，我国乘用车自动档的比重已经突破 30%。自动变速器目前已经在用的技术有 AT、 AMT、 CVT 和 DCT 等，它们对应的传动部件都不完全 相同。 AT、 CVT 主要对应的是液力变矩器（ TC），同时也附带有一个锁止离合器。 AMT 主要还是传统的摩擦式离合器，但需要改进成自适应（自动补偿）离合器。 DCT 主要对应是干式或者湿式双离合器、双质量飞轮 15。目前，国内主要的离合器技术还是适应手动变速器（ MT），也就是传统的摩擦弹簧离合器。摩擦弹簧离合器主要有螺旋弹簧离合器、膜片弹簧离合器、单片离合器、多片离合器、拉式离合器、湿式离合器和干式离合器等不同分类。 目前，我国离合器技术发
25、展也由传统摩擦弹簧离合器向多种传动技术方式的发展。螺旋弹簧离合器基本上即将 退出市场，目前只是在维修市场因价格便宜还有一些车主使用。膜片弹簧已经成为我国目前离合器的主流技术。在自动档领域，液力变矩器我国已经在上海萨克斯实现了产业化，国内还有数家企业的液力变矩器也已经实现小批量生产。目前，国内技术开发最困难的是双离合器。目前，国内的杭维柯、上汽变速器等都已经推出了双离合器变速器样品，但核心技术主要还是来自国外。 与跨国企业相比较，我国汽车离合器的技术差距，可以表现为两个方面：一方面是在商用车尤其在载货车领域，跨国企业的离合器产品与国内产品存在差距，也即国内企业的产品有一定的竞争优势。 另一方面，
26、在乘用车领域，我国离合器产品与跨国企业的产品有很大的差距，跨国企业产品有很大的竞争优势。中外汽车离合器技术差距产生的因素，主要有市场、技术发展趋势、工业基础、车主消费习惯、政策环境等因素 16。 我国商用车离合器与国外相比是有竞争优势的，很多外资企业都无法进入我国载货汽车的配套体系。为什么呢，难道国外公司没有开发出不适合载货汽车用XXXXXX 大学本科毕业设计 基于 UG 的汽车膜片弹簧的建模与设计 5 的离合器？不是的，最主要的差别还是中国的国情造成的。在中国，载货汽车超载已经成为一个普遍的现象，即“大吨小标”现象非常突出，而且屡禁不止，有时候还不算违法。比如，很多超 载的汽车只要不上路，不
27、违法；单位内部用的车辆，无论怎么超载也不违法，而且还受到单位的鼓励，说要提高效率。对国外企业来讲，他们就不明白一辆额定载重为 10 吨的汽车离合器为什么要用到适合在30、 40 吨汽车上用的离合器。而一旦按额定载重匹配上离合器，车主很快就会发现，即使是国外品牌的离合器，都不经用、不好使。国内的载货车车主不会认为是自己超载惹的“祸”，而是自然地认为是国外品牌的产品品质不好。所以，即使是国外品牌再好的离合器，一进入中国载货汽车领域，马上就会出现“水土不服”，而国内离合器生产企业恰恰对国内的情况非常 熟悉和了解，能够运作自如。所以，我们可以发现，在商用车离合器领域，市场基本上是国内企业在做，外资企业
28、基本上是没有涉及这个领域 17。去年底萨克斯高调宣布进军商用车离合器领域，不知道是客车还是载货汽车，如果是载货汽车，它是否会同样面临中国式的“水土不服”的问题。对这种情况，国内一个离合器企业的领导说，这叫“应用技术”，国内企业在商用车离合器的“应用技术”水平高于国外，国内企业要提高的是离合器产品的应用技术水平，更好地适应中国客户的要求 18。 在乘用车领域，国内技术与国外技术差距明显。主要的原因是中国 轿车工业基础一直比较薄弱，原来国内人民的生活水平也比较低下，轿车对普通大众来讲还是一种身份、地位和奢侈的象征，通过合资引进轿车，虽然国内的轿车各方面的技术有了很大的进步，老百姓对轿车的要求也逐渐
29、提高，但基本上还是属于“供给创造需求”的被动接受的状态。在国外，汽车早就向舒适、环保节能方向发展。一位 LuK 公司的人士称，今后离合器行业发展的一个方向就是如何提高换档的舒适性。为了提高换档舒适性，国外各种自动变速器技术和减震、降噪的离合器技术应用而生 19。比如， LuK 公司在 1985 年就研发出能降低减震和噪声效果的 双质量飞轮。国内现在也在开发双质量飞轮，但除了碰到技术原因之外，由于国内工业基础比较薄弱，很多一些双质量飞轮的零部件如变形弹簧、轴承等都很难在国内采购到。又如，为了既有舒适性又节约油耗，博格华纳和 LuK 公司相继研发出了双离合器（ DCT），双离合器不仅对传统离合器企业提出了很高的要求，而且还对传统的变速箱企业也提出了一个很高的要求。据杭齿的人士讲，
