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摘要汽车是现代生活中不可或缺的交通工具。
近年来汽车设计和制造技术的进步有目共睹。
为了进一步提高产品性能,延长使用寿命,普通机械式离合器技术同样也产生了令人注目的变化。
无论从结构特性、产品工艺性能,还是控制技术方面,机械离合器的技术进步从某种程度上反映了设计观念的发展,以及将来可能的技术走势。
离合器是汽车传动系中的重要部件，它的构造特性与发展和传动系紧密相关，本文主要是对载重2吨轻型汽车的膜片式弹簧离合器进行设计。
离合器设计的内容主要包括压盘总成、从动盘总成、膜片弹簧三个部分。
首先，对离合器各零件的参数、尺寸、材料、及结构进行设计，然后使用Pro/E软件画出推式膜片弹簧的装配及零件的三维图形。
最后进行机构运动仿真。
本次的设计对原有离合器的设计提出优化和修改的建议，对其以后的设计过程起参考作用。
本文还重点研究了膜片弹簧在分离过程中的受力，对受力过程进行数学分析，并对其进行校核，以提高膜片弹簧离合器的使用寿命，使膜片弹簧离合器在工作过程中处于最佳状态。
关键词：离合器；膜片弹簧；摩擦片；参数设计。
ABSTRACTAutomotive is an integral part of modern life transportation.Of late years, the development in design and manufacturing technique of automobile is obvious to all. In order to improve product performance and to extend service life,technique on the general machinery clutch produced attentional changes too.The technique development of the machinery clutch, whether its design feature,processing property or control technique, reflected development of the design concept and its future possible technique trend to a certain extent. The clutch is one important part in the auto power train ,in the internal combustion engine as the power of mechanicaldrive auto ,the clutch took an independent part exists. This paper is the single-car theca spring clutch design.The content of clutch design main contain three parts: driven disc design, diaphragm-spring design and the driving disc design. Fist,The article studied in each clutch accessory’s material, technique in manufacture and machining and choosing project, then uses the Pro/E software to picture the three dimensional image of the Assembly and the Components. Finally the mechanism movement simulation.The design of the original design of the clutch to optimize and modify the proposal, its future role in the design process from the reference.This article emphasize in studying the diaphragm-spring characteristic, analyzing the dynamics and the mathematics in separation process stress, optimizing every date about the diaphragm-spring, for improving use lifetime of diaphragm-spring.Key words: clutch ;diaphragm-spring; friction disk; parameter design.目录1绪论 (4)1.1离合器的发展 (4)1.2离合器的工作原理 (4)1.3离合器的功用及要求 (5)1.4 Pro/ENGINEER的介绍 (6)2 离合器的结构方案设计 (7)2.1 从动盘的选择 (7)2.2 压紧弹簧和布置形式的选择 (7)2.3压盘驱动方式的选择 (8)2.4 离合器的散热通风 (8)2.5 膜片弹簧离合器的优点 (9)2.6 确定离合器的类型 (9)3离合器设计 (10)3.1 离合器的基本参数及尺寸选择 (10)3.2 离合器从动盘总成的设计 (12)3.3 离合器压盘和离合器盖设计 (19)3.4 膜片弹簧的设计 (21)3.5 离合器操纵系统的设计 (27)4离合器的三维建模与动态仿真 (29)4.1离合器的三维建模 (29)4.2 离合器的动态仿真 (38)总结 (41)致谢 (42)参考文献 (43)1绪论1.1离合器的发展近年来各国政府都从资金、技术方面大力发展汽车工业，使汽车工业成为一个国家工业发展水平的标志。
输入项目数据一π-圆周率 3.1415926 n-起步时发动机的转速（rpm）1500m-整车满载质量（kg）16500r-轮胎滚动半径（m）0.51ig-后桥速比 5.571i1-变速箱一档速比 6.9i2-变速箱二档速比 4.13Z-离合器摩擦面数2离合器摩擦片内径（cm）23离合器摩擦片外径（cm）39.5离合器摩擦面积（cm2）809.94W1-一档滑磨功（J）35831.88W2-二档滑磨功（J）100015.57 W3-一档单位面积滑磨功（J/cm2）22.12W4-二档单位面积滑磨功（J/cm2）61.74输入项目数据一γ-传递给压盘的热量比例0.5m-离合器压盘的质量（kg）40.184c-离合器压盘的比热{J/（kg*℃）}544∆t1-一档起步离合器接合时的压盘温升（℃）0.819572695∆t2-二档起步离合器接合时的压盘温升（℃） 2.28762882输入项目数据一T1-离合器从动盘所能传递扭矩（Nm）1440离合器从动盘减震器扭矩容量安全系数 2.00滑磨离合器压离合器从动盘离合器后备系数计算离合器操纵系统计算滑磨功的校核数据二3.14159261200140000.4523.9097.034.0922443999.8129905.6188352.0614.9644.18合器压盘温升的校核数据二0.5465440.5975385171.765346411从动盘减震器扭矩容量校数据二21392.38。
边、图1离合器盖总成简化几何模型图离合器盖总成仿真模型的建立在建立离合器总成数值仿真模型之前，首先要做的就是导入每个零件所对应的材料属性，之后再导入模型并对各个零件相对应的材料属性进行更改，一般对于零件的材料属性定义有弹性模量、泊松比等材料属性。
膜片弹簧一弹性模量定义为2×105MPa，泊松根据离合器盖总成实际工作中接合完成的状态，膜片但是在三维建模软件中只能按照其自由这样会导致压盘装配后与膜片弹簧有相所以需要将膜片弹簧在三维建模软件中直接修正为变形后的角度模型，再进行装配步骤。
考虑到在施加载荷后得出的是结果曲线，所以在设置仿真载荷步时需要关闭自动载荷步设置，一般设置为1秒中的时间内，方便结果曲线的生成。
由于离合图3压盘行程与分离行程关系曲线图4分离力与分离行程关系曲线从图3和图4可以看出，在离合器分离开始时，分离轴承开始向膜片弹簧的分离指施加载荷。
此时，膜片弹簧的大端尚未变形，压盘不会产生轴向运动，但分离力将逐渐变大。
当分离力达到峰值时，膜片弹簧此时将支撑环作为支点使其大端变形，从而驱动分离钩使压盘朝着膜片弹簧轴向移动，即压力板开始抬起，此时，传动板开始回弹。
分离行程越大，压板升程越大。
分离轴承推动膜片弹簧分离指的力呈非线性变化，与Almen-Laszlo公式相同[5]。
4结论本文对离合器盖总成进行几何模型的建立，并通过有限元仿真软件对离合器盖总成的分离特性进行仿真研究。
在建立几何模型的基础上建立成数值仿真模型。
对仿真模型进行了消除零件干涉、定义材料属性、定义接触属性、单元网格划分、设置分析载荷步、施加边界条件以及载荷，最后进行仿真计算，得出压盘行程与分离行程的关系曲线、分离力与分离行程的关系曲线。
将研究结果与参考文献进行对比，最终得出可以采用有限元软件对离合器总成的分离特性进行仿真研究与分析。
参考文献:[1]Haug E puter-aided kinematics and dynamics of mechanical systems[M].Allyn and Bacon,Boston,1989. [2]Shabana A putational dynamics[M].Wiley,New图2离合器盖总成网格划分。
描述离合器接合和分离时的工作过程离合器是汽车传动系统中的一个重要部件，它主要负责将发动机的转速传递给变速器，同时在换挡时起到断开和接合的作用。
离合器的接合和分离过程是一个复杂而精密的机械运动过程，本文将详细介绍离合器接合和分离时的工作过程。
一、离合器结构离合器主要由三部分组成：压盘、摩擦片和飞轮。
其中压盘是由压盘弹簧、压盘螺母等组成，它通过弹簧力将摩擦片与飞轮紧密接触；摩擦片由钢板和摩擦材料组成，它与飞轮表面形成摩擦力；飞轮是发动机输出转矩的部件，它通过曲轴传递动力给变速器。
二、离合器接合过程1. 踩下离合踏板当驾驶员踩下离合踏板时，踏板连接了主缸和从缸之间的管路。
此时主缸内的液体被迫流入从缸中，并推动从缸活塞向前移动。
2. 压盘分离从缸活塞的前端连接了压盘，当从缸活塞向前移动时，压盘也随之向前移动。
此时，压盘弹簧被压缩，压盘螺母与摩擦片分离。
这样，摩擦片与飞轮之间的接触力消失，发动机输出的转矩无法传递给变速器。
3. 摩擦片接触当离合器踏板松开时，主缸内的液体流回主缸中。
此时从缸活塞被弹回原位，压盘也随之向后移动。
当压盘螺母与摩擦片再次接触时，摩擦片开始与飞轮表面形成摩擦力。
这样发动机输出的转矩就可以传递给变速器。
4. 稳定接合在离合器接合过程中，由于发动机和变速器之间的转速不同，因此需要一定时间来使摩擦片稳定地接触到飞轮表面。
只有在稳定接合后才能保证传递正常的功率和扭矩。
三、离合器分离过程1. 踩下离合踏板当驾驶员踩下离合踏板时，主缸和从缸之间的管路连接。
此时主缸内的液体被迫流入从缸中，并推动从缸活塞向前移动。
2. 压盘分离从缸活塞的前端连接了压盘，当从缸活塞向前移动时，压盘也随之向前移动。
此时，压盘弹簧被压缩，压盘螺母与摩擦片分离。
这样摩擦片与飞轮之间的接触力消失，发动机输出的转矩无法传递给变速器。
3. 变速器减速当离合器分离时，变速器内部的齿轮开始减速。
由于发动机输出转矩消失，因此车辆会减速或停止行驶。
Vol 121 No 110公 路 交 通 科 技J OURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESEARCH AND DEVELOPME NT2004年10月文章编号:1002O 0268(2004)10O 0121O 05收稿日期:2003O 08O 11作者简介:王玉海(1977-),男,山东青岛人,博士研究生,研究方向为车辆自动变速理论与控制策略1(wyhai00@mails 1tsinghua 1edu 1cn)离合器动态过程建模与仿真王玉海,宋 健,李兴坤(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)摘要:在分析膜片离合器接合、分离过程动力学的基础上,根据摩擦学原理提出离合器过度动态过程的数学模型,此过程比静态模型更加准确地描述了离合器接合、分离的动态过渡过程,并给出仿真结果,为离合器自动控制提供理论基础。
关键词:离合器;动态过程;动力传动系统;仿真中图分类号:U4631211 文献标识码:AModeling and Simulation of Clutch Dyn am ic ProcessWANG Yu O ha i ,SONG Jian ,LI Xin g O kun(Tsinghua Universi ty State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Beijing 100084,China)Abstract :This paper analyzes the dynamic process of clutch engagement and disengagement,then bri ngs up a new dynamic mathematic model of this transien t process 1This model describes the transient of clutch engagement and disengagement process more exactly than the static model 1The simulation result is provided and it will be applied to the con trol of automated clutch 1Key words :Clu tch;Dynamic transient process;Powertrain;Simulati on离合器是汽车动力传动系统的重要部件,它依靠主从动片之间的摩擦力矩来传递动力,并通过分离与接合来控制车辆动力传动系统的工作状态。
离合器接合过程的参考模型自适应控制
陈俐;习纲;罗来军;单津晖;陈彦雷
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2009()16
【摘要】自动离合器的接合过程存在冲击度大和摩擦片磨损严重的问题。
为了改
善冲击和滑摩,提出参考模型自适应控制(MRAC)思路,基于波波夫超稳定理论求解,
动态控制滑摩扭矩,使得滑摩过程的动力学状态尽快逼近同步模型的动力学状态。
在SimulationX环境中建立仿真模型,仿真结果表明,MRAC控制既减少滑摩功,又
消除同步点冲击,明显提高接合品质,是一种不牺牲滑摩功却能改善平顺性的新方法。
【总页数】5页(P5102-5106)
【作者】陈俐;习纲;罗来军;单津晖;陈彦雷
【作者单位】上海交通大学汽车工程研究院;联合汽车电子有限公司;联创汽车电子
有限公司;申沃客车有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U463.211
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多体动力学离合器模型设计湿式摩擦离合器是机械设备传动机构的重要部件，该类离合器的传统设计方法是按照稳定运行状态计算许用传递扭矩，校核摩擦材料的比压和挤压应力，确定离合器结构。
在离合器接合过程中，具有相对旋转运动的内外摩擦片沿轴向移近压紧，直到全部摩擦片被压紧并同步旋转为止。
主动摩擦片相对于从动摩擦片滑动，摩擦力做功产生热量使摩擦片温度升高，当温升过大，即热负荷过大时会导致摩擦片失效。
Embrayage à friction humide est un élément important du mécanisme d'entraînement de machines et d'équipements, de ce type de proc édéde conception traditionnelle de l'embrayage conformément àun état de fonctionnement stable de calcul admissible de la transmission de couple, de vérification de mat ériau de frottement par rapport à la pression et contrainte de compression, la détermination de La structure d'embrayage.Dans un processus d'enclenchement de l'embrayage, présentant une plaque de frottement interne et externe par rapport à un mouvement de rotation le long de l'axe de compression jusqu'à ce que tout pr ès, la plaque de frottement est pressée et tournent de manière synchrone jusqu'à présent.Plaque de frottement active par rapport àun disque de friction de glissement, travail de friction pour produire de la chaleur pour des plaques de friction à température élevée, lorsque l'augmentation de température excessive, à savoir la charge thermique est plus grande peut provoquer une défaillance de plaque de frottement.在实际使用过程中，绝大部分离合器的损坏不是在稳态运转时，而是在动态接合过程中。
建立离合器接合/分离模型离合器是机械传动中常用的部件，位于发动机和变速箱的飞轮壳内，可将传动系统随时分离或接合，切断和传递发动机输出的动力。
利用matlab Simulink 建立离合器接合/分离模型，可对离合器工作原理进行仿真。
由于系统在动态运行过程中，离合器接合/分离而使拓扑结构发生改变，所以离合器的模型搭建是比较困难的。
两种拓扑结构或者说两种模型之间要小心处理，以保证新模型的初始状态和切换前模型的结束状态一致。
1 模型搭建原理介绍离合器系统一般由两个盘组成，可以将转矩在发动机和变速器之间传递。
分成两种状态：一是滑动态（slipping），两个盘具有不同的角速度；二是接合态（lock-up），两个盘可一起旋转。
实现两种状态的转换是建立模型时的难点。
随着离合器系统锁紧而失去自由度，传递的转矩被切断；转矩的大小由摩擦力提供的最大值下降到某个值，该值可以使系统的两个部分以相同的转速旋转。
图1 参数表示离合器系统以下是分析和建模过程中的变量介绍：T 输入转矩（发动机转矩）inn F = 两个摩擦盘之间的轴向力,e v I I =发动机惯性力矩；变速器（传动装置）惯性力矩 ,e v b b = 发动机阻尼率；传动装置（汽车一侧的离合器）阻尼率,k s μμ=运动摩擦系数；静止摩擦系数 ,e v ωω=发动机角速度；输入轴角速度12,r r =离合器片（从动盘）摩擦表面内，外半径R =等效半径cl T =通过离合器传递的转矩f T =用来维持锁紧的离合器所需要的摩擦转矩方程组1：耦合系统状态方程推导得：e e in e e cl I T b T ωω=--（1-1）v v cl v v I T b ωω=-（1-2）方程组2：离合器的最大转矩可以表示成其内外半径，摩擦特性和轴向力的函数，如下所示：2122220212()max ()3r fn f n Ar r F F T da r drd RF Ar r πμθμπ⨯===-⎰⎰⎰⎰ 33212212r r R r r -=-（对于非金属材料的当量半径） 方程组3：当离合器处于滑动态时，摩擦系数取动摩擦系数，最大动摩擦转矩方向和滑动方向相反。
方程式可表示成：max 2 3f s n sT RFμ=v f max kTcl sgn()Tεωω=-方程组4：当离合器处于接合状态时，发动机的角速度和输入轴的角速度相等。
即e vωωω==并将该式代入方程组1中，得到：()()e v inI I T be bvωω+=-+方程组5：解方程组1和4，当离合器处于锁紧状态时，通过离合器传递的转矩可表达成：()v in v e e vc fv eI T I b I bT TI Iω--==+方程组6：若fT的值超过最大静摩擦力maxf sT，离合器会从滑动态转换到接合状态。
锁紧状态最大静摩擦力为：max23f s n sT RFμ=下图表示了离合器整个运行状态：图2 状态转移图两个模型之间的切换要小心处理，以保证新模型的初始状态与切换前模型的结束状态一致。
1.当处于滑移状态时，如果主从盘转速相等，且保持离合器接合所需要的摩擦扭矩小于最大静摩擦扭矩，则切换到接合态；2.当处于接合态时，如果保持离合器接合所需要的摩擦扭矩大于最大静摩擦扭矩（即最大静摩擦扭矩也不足以传递如此大的扭矩），则切换到滑摩态；3.切换动作除了决定于上述两条件，还决定于系统的当前状态（滑摩或接合），即决定于FSM（有限状态机）。
4.当滑摩时，离合器所传递的扭矩是最大动摩擦扭矩。
此时使用动摩擦系数。
（分离态属于滑摩态的特例，此时Fn=0，Tfmaxk=0）5.当接合时，离合器所传递的扭矩是离合器保持接合的摩擦扭矩即Tf。
6.最大静摩擦扭矩Tfmaxs使用静摩擦系数计算，仅用在判断状态切换的条件中。
7.离合器保持接合的摩擦扭矩（即Tf ）对滑摩态和接合态而言，其计算公式完全相同。
接合/分离的有限状态机（FSM）：2 建模分离状态建模（slipping ）根据方程式推导，分离状态时方程可写成：T bTin e e cl e Ie ωω--= （2-1） T bclv v v Ivωω-= (2-2) sgn()max T Tcl e v f kωω=- (2-3) 公式（2-1）-(2-3)可按下面图形进行模型搭建图3 分离状态simulink 模型图在对分离状态(即slipping)进行建模中，出现From/Goto 基本模块，模块用于信号的跳转，表示信号来源和去向。
在上述goto 部分，应将tag visibility 定义成global ，即全局变量。
否则运行结果有误。
该模型用Enable System 即使能子系统搭建，其模型的特点为当使能端口的控制信号为正时，子系统则可执行；否则，子系统不执行。
图4 分离状态使能子系统模型图接合状态建模（Locked ）根据方程式推导，接合状态方程可写成：()in e v e vT b b I I ωω-+=+ （2-4）公式（2-4）可按下列图形构建模型：该模型中的goto 模块也应将tag visibility 定义成全局变量，即global 。
图5 接合状态simulink 模型图该模型也同样按照Enabled system 即使能子系统搭建，子系统图形如下所示：图6 接合状态使能子系统模型图状态逻辑模型建模根据适当的静摩擦系数和动摩擦系数，计算求解出动摩擦力和静摩擦力。
根据下列公式进行搭建模型：2()max 3f n T RF μ=（2-5） 根据上述有限状态机（FSM ）的表格，利用组合逻辑模块combinatorial logic （如图7所示）和记忆模块memory 创建分离/接合有限状态机模块，即如下图所示：图7 接合有限状态机模块当处于接合态（locked ）时，如果保持离合器接合所需要的摩擦扭矩大于最大静摩擦扭矩（即最大静摩擦扭矩也不足以传递如此大的扭矩），则切换到滑摩态（slipping ）。
根据此条件搭建模型图如下所示：max f f s T T ≥ （2-6）图8 接合态到分离态条件模型图当处于滑摩态（slipping ）时，如果主从盘转速相等，且保持离合器接合所需要的摩擦扭矩小于最大静摩擦扭矩，则切换到接合态（locked ）。
即：max f f s T T ≤ （2-7）e v ωω= （2-8）该模型搭建中运用到逻辑运算模块（logical operator ），选择其运算形式为And ，即两个或者多个要求同时满足时，输出为1。
该模型搭建中还运用到Hit Crossing 即过零监测非线性特征模块，检测输入从指定方向上到达或者通过指定点。
图9 分离态到接合态条件模型图将上述三组子系统组合起来即可得到状态逻辑模型图，即如下所示：图10 状态逻辑模型图动静摩擦力模型构建静摩擦力和动摩擦力公式如下所示：max 23f s n s T RF μ= （2-9） max 23f kn k T RF μ= （2-10）图11 动静摩擦力模型图将以上四个部分的模型图组合起来即可得到整个离合器系统接合/分离的模型图：图12 整个离合器系统接合/分离模型图图形中横线上的蓝色部分是在输出的线上点击右键出现signal properities ，在对话框中输入signal name ，并勾选log signal data 和test point 两个选项所得。
3 输入相关参数并运行结果编写程序输入相关参数根据已知Fn和Tin图像，还有相应的已知量即221.,5.,2//sec,1//sec,1, 1.5,1e v e v k s I kg m I kg m b Nm rad b Nm rad R μμ=======输入下述程序：t1 = (0::10)'; %time 0~10 s,时间间隔为 d1 = [0,,,,,,,,,,,,,,0,0,0,0,0,0,0];d2 = [2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0];Fn=[t1,d1'];Tin=[t1,d2'];%Friction Model parameterR=1;%Friction Model Logic parameterIe=1;Iv=5;be=2;bv=1;muk=1;mus=;%输入已知的相关参数set(0,'ShowHiddenHandles','On')set(gcf,'menubar','figure') %输入这两条语句，使得scope输出图像，可输入横坐标，纵坐标名称根据上述程序写入commend window即命令窗口后，即得到了workspace的输入量。
将simulink模型部分与From workspace接合起来，再运行该模型。
图像显示结果根据上述模型运行结果，得到几组图形。
图13 Fn、Tin输入图形图14 Tfmaxk、Tfmaxs输出图形图15 we、wv、w输出图象图16 Locked,Lockup,Unlock输出图像。
