离合器碟形弹簧优化设计的研究

第一章绪论

1.1 研究背景

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对任何一位设计者来说，总愿意自出最优设计方案，使所设计的产品或工程设施具有最好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以便获得最佳的经济效益和社会效益。

“最优化设计”是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。是根据最优化远离和方法综合各方面因素，以人机配合方式或“自动套索”方式，在计算机上进行的半自动或者自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。其设计原则是最优化设计；设计手段是电子计算机及计算程序；设计方法是采用最优化数学方法。

实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降低工程造价的一种有效的设计方法。同时也可以使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使之有更多精力从事创造性的设计，并大大提高了设计效率。

五十年代以前，用于解决最优化设计问题的数学方法仅限于古典的微分法和变分法。五十年代末数学规划方法被首次用于结构最优化，并成为优化设计中求优方法的理论基础。数学规划方法是在第二次世界大战期间发展起来的一个新的数学分支，线性规划与非线性规划时其主要内容。此外，还有动态规划，几何规划和随机规划等。在数学规划方法基础上发展起来的最优化设计，是六十年代初电子计算机引入结构设计领域后逐步形成的一种有效的设计饭方法。利用着这种设计方法，不仅使设计周期大大缩短，计算激动显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优化设计问题。计算机的出现，使最优化设计方法及其理论蓬勃发展，成为应用数学中一个重要分支，并在许多科学技术得到应用。近些年，最优化设计设计方法已陆续建筑结构，化工，冶金，汽车等工程设计领域，并取得了显著效果，其中在设计方面的应用虽尚处于早期阶段，但也已经取得了丰硕的成果。一般来说，对于工程设计问题，所涉及的因素愈多，问题愈复杂，最优化设计结果所取得得成果索取的效益就愈大。

最优化设计反映出人们对于设计规律这一客观世界认识的深化。设计上的

“最优值”是指在一定条件（各种设计因素）影响下所能得到最佳设计师。最优化是一个相对的概恋。他不同于数学上的极值，但在很多情况下可以用最大值或最小式来来表示

碟形弹簧轴向尺寸小、承载能力大、具有变刚度的非线性特性，因而在引进设备中获得广泛应用，特别是近年来在引进车辆的主离合器中，越来越多地采用了碟形弹簧，以实现动力传递的分离与结合，因此，碟形弹簧设计的优劣，直接影响到车辆的使用性能。为此，本文就离合器碟形弹簧工作特性、优化设计进行讨论，这对于碟形弹簧一体化设计及实现引进设备离合器的国产化都具有重要意义。

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.2.1 基于传统方法设计的局限性

碟形弹簧轴向尺寸小、承载能力大、具有变刚度的非线性特性，在引进设备中获得广泛应用的原因，现在各国都在对碟形弹簧进行着各种研究。

目前我国碟形弹簧品种不全，多为结构简单、易于成形、用量大的一些低技术含量产品，性能方面与国外同类碟形弹簧也有一定差距，如弹簧的负荷精度、垂直度精度等方面都有不少的差距，集中反应在性能不稳定，有些重要质量指标离散性大，使用寿命不稳定。特别是当主机要求弹簧在高速、高应力工况下工作时，矛盾更为突出。用传统的设计方法解决这类问题是相当复杂的。

1.2.2 离合器碟形弹簧优化设计研究现状与发展

碟形弹簧的生产和制造在欧洲由来已久，但在北美洲，碟形弹簧制造工业正在蓬勃兴起并逐渐被接受。碟形弹簧最早是100多年前法国J. Belleville发明的。20世纪30年代早期，工程师(G.M.)Almen and Laszio发展了理论、制订了生产、质量标准DIN 2092和DIN 2093。这些标准作为碟形弹簧的第一次工业标准被世界各地接受，并传遍了欧洲，目前已经被许多跨国公司广泛采用。日本制订了他们自己的相应标准，但美国还没有就碟形弹簧制定自己的工业标准。许多美国生产商以DIN标准作为碟形弹簧质量标准。1980年我国也参照DIN规定制定了相应标准，1992年作了修订，标准号为GB/T1972-1992，它规定了碟形弹簧的尺寸系列、技术要求、试验方法、检验规则和设计计算。

1.3 本文主要内容

本设计简单介绍了离合器，碟形弹簧和MATLAB基本知识，着重分析了内点惩罚函数法，并对离合器碟形弹簧进行了传统设计和优化设计，对这两种设计进行了比较，对离合器碟形弹簧优化设计进行了MATLAB编程。

第二章离合器

2.1 离合器的功用和类型

2.1.1 离合器的功用

在汽车拖拉机的传动系统中，离合器是与发动机直接关联的重要部件，其功用如下：

（1）保证汽车平稳起步

起步前汽车处于静止状态，如果发动机与变速箱是刚性连接的，一旦挂上档，汽车将由于突然接上动力突然前冲，不但会造成机件的损伤，而且驱动力也不足以克服汽车前冲产生的巨大惯性力，使发动机转速急剧下降而熄火。如果在起步时利用离合器暂时将发动机和变速箱分离，然后离合器逐渐接合，由于离合器的主动部分与从动部分之间存在着滑磨的现象，可以使离合器传出的扭矩由零逐渐增大，而汽车的驱动力也逐渐增大，从而让汽车平稳地起步。

图2-1 离合器结构

（2）便于换档

汽车行驶过程中，经常换用不同的变速箱档位，以适应不断变化的行驶条件。如果没有离合器将发动机与变速箱暂时分离，那么变速箱中啮合的传力齿轮会因载荷没有卸除，其啮合齿面间的压力很大而难于分开。另一对待啮合齿轮会因二者圆周速度不等而难于啮合。即使强行进入啮合也会产生很大的齿端冲击，容易损坏机件。利用离合器使发动机和变速箱暂时分离后进行换档，则原来啮合的一对齿轮因载荷卸除，啮合面间的压力大大减小，就容易分开。而待啮合的另一对齿轮，由于主动齿轮与发动机分开后转动惯量很小，采用合适的换档动作就能使待啮合的齿轮圆周速度相等或接近相等，从而避免或减轻齿轮间的冲击。

（3）防止传动系过载

汽车紧急制动时，车轮突然急剧降速，而与发动机相连的传动系由于旋转的惯性，仍保持原有转速，这往往会在传动系统中产生远大于发动机转矩的惯性矩，使传动系的零件容易损坏。由于离合器是靠磨擦力来传递转矩的，所以当传动系内载荷超过磨擦力所能传递的转矩时，离合器的主、从动部分就会自动打滑，因而起到了防止传动系过载的作用。

2.1.2 离合器的类型

目前，用于车辆上的离合器主要有摩擦式离合器；液力偶合器；电磁离合器等三类。本节主要介绍摩擦式离合器，液力偶合器将在第四节中介绍。

汽车和拖拉机至今广泛采用的摩擦式离合器，按其结构及工作特点又可分类如下：

（1）按摩擦片（从动片）数目，分为单片式、双片式和多片式。

单片式离合器分离彻底，从动部分转动惯量小；双片式和多片式接合平顺，但分离不易彻底，从动部分转动惯量较大，且不易散热。

（2）按压紧装置的结构，分为弹簧压紧式、杠杆压紧式、液力压紧式和电磁力压紧式。

虽然目前汽车拖拉机上离合器普遍采用弹簧压紧式，但液力压紧式正在愈来愈多地被采用，它具有操纵轻便和不需要调整等优点。杠杆压紧式又有带补偿弹簧和不带补偿弹簧两种。

（3）按摩擦表面工作条件，分为干式和湿式。