汽车离合器基本参数的优化分析文档格式.docx
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第二章离合器的介绍6
2.1离合器结构组成与工作过程6
2.2摩擦离合器的介绍8
2.2.1摩擦离合器的分类8
2.2.2摩擦离合器的结构形式8
2.2.3摩擦离合器的摩擦面材料9
2.2.4摩擦离合器压盘的传力方式9
2.2.5离合器的操作机构10
第三章离合器基本参数的分析13
3.1离合器主体部分基本参数13
3.1.1后备系数14
3.1.2单位面积压力14
3.1.3摩擦片外径、内径和厚度15
3.2离合器扭转减震器基本参数16
3.2.1扭转减震器刚度16
3.2.2扭转减振器最大摩擦力矩16
3.3.3扭转减振器的预紧力矩16
3.3离合器操纵机构的基本参数17
3.3.1踏板力17
3.3.2踏板行程18
第四章优化分析19
4.1优化设计概论19
4.1.1基本概念19
4.1.2优化过程19
4.1.3优化设计建模20
4.2离合器基本参数优化建模21
4.2.1基于离合器尺寸形状的优化21
4.2.2基于离合器扭转振动特性的优化24
4.2.3基于离合器操作舒适性的优化27
第五章总结与展望30
5.1总结30
5.2展望30
参考文献34
致谢35
第一章绪论
1.1研究背景
1953年我国成立了第一汽车制造厂，最初汽车作为一种交通工具产生。
但现在汽车业己经成为一种全球范围内的综合工业。
汽车改变了当今世界的面貌，比如说，极大的扩大了人们日常生活的范围，扩大了地域间、国际间的交往交流。
节约了时间，提高了人们生活和工作效率，加速了人们的活动节奏，促进了世界经济和人类社会快速的发展，开启了“汽车社会”这样一个崭新的时代。
随着社会的进步和人们生活水平的提高，对于汽车的要求也越来越高，要求汽车行驶速度快，加速性能好，在各种路面甚至是无路地区行驶上能够做到机动灵活，为了满足汽车的行驶要求，在汽车上有一套复杂的传动系统。
把从发动机中产生的动力输出传递到车轮上去。
现代汽车上最常用的机械式传动系统是由发动机以及离合器、变速器、万向传动轴、主减速器、差速器及驱动车轮的传动装置等等部分组成。
离合器是其中独立存在的零部件。
它在传动系中起着传力、传扭、分离传动、减振和过载保护等多重功用，其品质关乎汽车的性能，对于使用工况复杂、超载严重的中国汽车更是如此。
随着汽车发动机转速和功率的不断提高、汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求也越来越高。
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正逐步地向拉式结构发展，传统的操作形式正向自动操作形式发展。
因此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和舒适化操作，已经成为离合器的主要发展趋势。
离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的部件，它依靠主从动片之间的摩擦力矩来传递动力，并通过分离、接合来控制车辆动力传动系统的工作状态。
其主动部分和从动部分可以暂时分离，又可以逐渐接合，并且在传动过程中还是可以相对转动的。
在中国大力发展汽车工业的当代，我国在汽车零部件方面的落后直接制约着中国汽车前进的步伐，要想中国汽车能够取得更快更完善的发展，我国在零部件方面需要做出更大的努力。
在国外，由于技术水平高，实验条件先进，国外积累的经验数据比我国更加的丰富。
本文就是对汽车零部件中的一个重要部分离合器做出的试探性的优化研究。
在汽车中，离合器是其中独立存在的部件。
它在传动系统中起着传力、传扭、分离传动、减振和过载保护多重功用，其品质关系着汽车的性能。
文采用的优化手段，研究方法对于以后更深入的研究是有一定借鉴意义。
1.2研究意义
汽车传动系可看成一个由很多个集中质量和弹性轴所组成的扭转振动系统，在汽车的起步、换档、制动等非稳定工况下，传动系因非周期的冲击性干扰力而受激振动，在汽车正常行驶中，由于发动机周期性点火，扭矩周期性脉动，也构成了一种激振力矩。
如果传动系统的某一固有振动频率与激振力矩某谐量的频率相重合时，就会产生扭转共振，引起传动系统显著的振动和噪声，使传动系统零件所受应力大大增加。
从而降低了操纵舒适性，使驾驶者易疲劳增加了不安全性，也使汽车零部件因振动而减少寿命，甚至使汽车的燃油经济性发生变化。
由于汽车传动系统的振动难以避免，故通常在离合器的从动盘上装扭转减震器，其弹性元件可以降低传动系的扭转刚度，从而降低固有频率，使共振转移出发动机常用转速范围。
提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和舒适操作，是汽车传动系统的重要的研究课题之一，也是离合器进一步优化发展的助推器。
对汽车离合器的优化分析和研究主要具有如下几个方面的意义：
1）为改善汽车传动系的扭转振动状况提供依据
尝试对离合器扭转振动状况的优化分析，有利于对汽车传动系进行改进和优化，以减少起步阶段的共振发生概率和扭转振动响应的幅度，对提高汽车的乘坐舒适性和传动系的零部件使用寿命具有一定的意义。
2）为传动系统的改进设计提供参考
随着汽车技术的不断发展，人们对汽车的舒适性、可靠性、经济性等指标提出了新的要求，对汽车传动系的扭转振动进行研究和分析，找到影响汽车扭转振动性能的结构参数，可以为改善汽车传动系的整体性能，实现传动系的优化和改进设计提供参考。
3）对国产汽车离合器的改进设计做出一些新的探索
目前国产的离合器设计水平较低，多数还停留在仿制的阶段，各项性能指标分布较不合理，多以满足安全性为主要目标甚至是唯一的目标。
未来汽车的发展方向对舒适性和经济性及环保性能提出更高的要求，离合器较好的减振性能将在提高整车舒适性和节省能源发挥更大作用，如果国内离合器企业不能在这些方面及时取得突破，未来的生存空间将非常有限。
1.3国内外现状
1.3.1离合器的总类与发展
离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳中，用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上，离合器的输出轴就是变速箱输入轴。
在汽车的行驶过程中，驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱的暂时分离与逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。
离合器基本上分有电磁离合器、摩擦式离合器、磁粉离合器、液力偶合器。
摩擦片式离合器按其从动片数目又可分为：
单片离合器、双片离合器以及多片湿式离合器。
在离合器的发展初期普遍采用的是锥形摩擦离合器，其传递扭矩的能力较与之相同直径的但不同结构形式的摩擦式离合器都要强，但其缺点也非常明显，操作较复杂，需要驾驶员具有一定的驾驶经验技巧。
因为锥形摩擦离合器传动部分转动惯量比较大，换挡困难，结合时若不够柔和，易卡住。
因而随后锥形摩擦离合器被湿式多片离合器取代，但多片湿式离合器也有缺陷，其离合器中的片与片之间容易被油粘住，造成离合器的分离不彻底以致换挡困难。
所以它慢慢被干式多片离合器所代替，干式多片离合器接触面多，结合柔和，可以保证汽车的平稳起步。
但是由于片数较多，导致从动部分的转动惯量较大，因而换挡过程感觉不是很方便。
中间压盘的散热通风效果不良也容易引发过热，加速离合器中摩擦片的磨损，甚至是烧伤、碎裂，影响离合器的寿命。
而且如果调整不好的还可能导致离合器分离不彻底。
因此人们总结实际经验，逐渐趋向于采用单片干式摩擦离合器，与干式多片离合器相比它的从动部分转动惯量要小很多，散热性能也好，结果简单，尺寸紧凑，调整也方便，分离彻底。
初期使用时候虽然会有接合不够平顺的缺点，但是只要在结构上采用一点方法，就可以使其接合平顺。
因此，它的应用非常广泛。
如今，单片干式摩擦离合器在结构设计方面已经很完善了。
比如，采用具有轴向弹性的从动盘，这样就提高了离合器的接合平顺性；
在离合器中装扭转减振器，可以防止传动系统的共振，减少了噪音；
以及采用摩擦较小的分离杆机构等。
另外，由于采用了膜片弹簧作为压簧，可以同时起到分离杠杆的作用，使离合器结构大为简化，并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。
膜片弹簧和压盘的环行接触，可以保证压盘上的压力分布均匀。
由于膜片弹簧本身的特性，当摩擦片磨损时，弹簧的压力几乎不会改变，且可减轻分离离合器时所需的踏板力。
1983年通用公司推出了液力自动变速器，采用液力偶合器代替普通的离合器装置，它的优点是自适性强，使汽车起步平稳、迅速、加速均匀、乘坐舒适度提高。
但它的缺点就是效率低。
1988年别克汽车成功地使用了液力变矩器，变矩器与液力偶合器相比不仅可以传递发动机的扭矩，还可以将其提高1倍。
80年代以来除了传统装用液力变矩器的自动变速器外，又出现了新的、纯机械式自动变速器，它是由干式离合器和传统的手动机械式变速器加上微机控制系统实现自动操纵。
通常比同条件下的液力自动变速器节油10%~30%。
采用自动离合器时可以省去离合器踏板，实现了汽车的“双踏板”操纵。
与其他自动传动系统相比，它具有的优点明显，比如说，结构简单、成本低和传动效率高等。
随着汽车工业的发展，离合器需要在现有基础上不断改进和提高，才能适应新的不断发展与变化的使用条件。
从国外的发展动向来看，近些年来汽车的性能在向高速发展，发动机的功率和转速不断提高，载重汽车趋向大型化，国内也有类似的情况。
因此，对离合器的使用要求也变得越来越高。
所以，增加离合器的传扭能力，提高其使用寿命，舒适操作，已经成为目前离合器的发展趋势。
1.3.2离合器的研究现状
随着电子技术在汽车上越来越广泛的运用，离合器上产生了很多新的技术。
譬如：
一种自动离合器系统进入了汽车领域。
这种离合器采用控制单元ECU控制，省了人力操作离合器的动作，使离合器的断开和接合能够自动实时的完成，这样就使换挡动作方便了，便于更好的操控汽车，简化了驾驶员的操作动作。
另外由于制造加工工艺水平的提高，离合器中摩擦片材料也得到了改进和提高。
目前使用的一般是石棉材料摩擦片，但石棉材料对人体健康不利，因此这种材料正在逐渐被淘汰出去。
采用金属陶瓷和陶瓷摩擦片就是在现在离合器上进行的新尝试。
这类摩擦片具有很高的摩擦系数，在传递相同大小扭矩的情况下，这就允许了减小离合器压盘的压紧力，从而可减小作用与离合器踏板上的作用力或减小离合器的结构尺寸。
与石棉材料相比较，这类材料对人体的健康就没有什么影响。
还有就是离合器的控制方法也在不断的改进。
传统控制方法是单参数控制法、最优控制法。
近年来人们在离合器控制中引入智能控制技术，由于离合器的控制受多种复杂多变的因素影响。
外界工作环境、驾驶员的主观意图等等。
而且离合器的控制系统本身就存在有非线性、非模型化、干扰、时滞、变参数的问题。
因而，对于离合器的优化分析就具有非常重要的意义。
1.3.3主要研究内容
1）通过分析离合器基本参数确定目标函数，约束条件及优化方法。
2）基于离合器结构紧凑，使用寿命对离合器主要参数进行优化。
3）根据理论分析，以某离合器厂的生产能力为约束条件，以离合器参数为设计变量，以系统振动最小化为目标函数，建立动力传动系统的优化设计模型，并求最优解。
4）基于离合器操作舒适性，对离合器操纵机构进行优化分析。
第二章离合器的介绍
2.1离合器结构组成与工作过程
首先：
在汽车上离合器是必不可少的，它安装在发动机和变速箱之间，功能是用来切断或者传递前后两者之间的动力传递。
目前汽车上运用较为广泛的是采用弹簧压紧的摩擦离合器。
离合器的功能1：
使发动机与传动系统逐渐接合，以保证汽车平稳起步。
2：
在发动机起动和变速器换挡时候，暂时切断发动机与传动系之间的连续。
3:
限制传动系所传递的扭矩，以防止传动系过载。
对离合器的性能要求有如下1：
具有合适的储备能力。
接合过程平顺柔和，而且分离过程迅速彻底。
3：
散热性能好。
4：
操作过程简单便捷。
5：
离合器从动部分转动惯量尽量小，以减小选换挡过程中的换挡冲击。
摩擦片式离合器的基本组成：
包括有从动部分、主动部分、压紧机构以及必要的操作机构这四部分。
1）主动部分：
这部分是与发动机曲轴相连在一起的。
离合器盖与飞轮用螺栓相连接，压盘与离合器盖间靠3一4个传动片传递转矩。
2）从动部分：
这部分是将主动部分通过摩擦片传递过来的动力传递给变速箱的输入轴。
3）压紧机构：
这部分与主动部分一起旋转，它以离合器盖为依托，将压盘压向飞轮，从而压紧了位处于飞轮与压盘之间的从动盘。
4）操作机构：
是为驾驶员控制离合器分离和接合程度的一整套专门设计的机构。
离合器的组成示意图如下：
图1离合器的组成示意图
离合器工作过程：
（l）当离合器安装在发动机上，压紧弹簧进一步被压缩，此时离合器踏板处于最高的位置，飞轮、从动盘、压盘三者之间处于压紧的状态。
而分离轴及分离杠杆之间应该有个合适的间隙，以保证离合器处于接合状态。
（2）分离过程：
当踏下离合器踏板，分离叉顶着压分离轴承向前移动，压向分离杠杆内端，这样分离杠杆内端向前外端向后运动拉动压盘克服压紧弹簧弹力向后移动，这样就解除了飞轮、从动盘、压盘三者之间的压紧状态，从而中断了动力的传递。
（3）接合过程：
当抬起离合器踏板，分离叉离开分离轴承，分离轴承在回位弹簧作用下回位，在压紧弹簧作用下压盘前移，这带动分离杠杆内端向后外端向前运动，这样此时飞轮、从动盘、压盘三者之间就处于压紧状态，从而保证了动力的传递。
离合器传递扭矩路线：
飞轮→摩擦片→从动盘本体→从动盘本体→扭转减振器→从动盘轮毅→一轴；
飞轮→离合器盖→传动片→正压力→压盘→摩擦片→从动盘本体→从动盘本体→扭转减振器→从动盘轮毅→一轴；
操纵机构：
[踏板→踏板臂→拉杆→分离拉杆→分离叉臂→分离叉→分离套筒静止部分]→[分离轴承→分离杠杆运动部分]→压盘
2.2摩擦离合器的介绍
2.2.1摩擦离合器的分类
摩擦离合器按摩擦面的数目（从动盘的数目）分：
单盘式、双盘式（多盘式）；
按压紧弹簧安装位置可分：
周布弹簧离合器、中央弹簧离合器；
按压紧弹簧的形式分：
螺旋弹簧离合器、膜片弹簧离合器；
按操纵机构形式不同：
人力式、气压助力式；
单盘离合器：
即只有一片从动盘，其前后两面都装有摩擦片，从而具有的是两个摩擦面。
双盘离合器：
即增加了一个从动盘，有两个从动盘。
周布弹簧离合器：
采用若干个螺旋弹簧作为压紧弹簧，并沿摩擦盘圆周分布。
中央弹簧离合器：
仅具有一个或两个较强力的螺旋弹簧并安置在中央位置。
膜片弹簧离合器：
是以膜片弹簧作为压紧弹簧的。
扭簧摩擦离合器：
通过操纵系统使扭簧扭转，引起扭簧直径减小或增大。
2.2.2摩擦离合器的结构形式
摩擦离合器结构形式有下面两种：
l）圆盘摩擦离合器：
摩擦件为圆盘，分为单盘和多盘这两种，并有干式和湿式的区分。
单盘式结构简单，只有一对摩擦面，从动部分惯量较小，散热性好，调整很方便，分离也彻底，但是缺点是所能传递的扭矩小，一般不超过1000牛/米。
而多盘式有多对摩擦面，传递的扭矩却可以高达8x106牛/米。
如果需要要求传递大扭矩，还可以增加摩擦面对数，而不必增大离合器的径向尺寸和轴向压紧力，这样就有利于降低离合器的转动惯量。
多盘式不仅结构紧凑，还可采用不同材料的摩擦面，这样就便于制造、安装和调整，允许在变速下接合，因此应用广泛；
但摩擦面对数过多会影响离合灵活性，甚至卸去压紧力后，主、从摩擦件仍不能彻底脱开，造成摩擦面的过量磨损。
因此在一般情况下干式摩擦面应少于15对，湿式则应少于30对。
湿式摩擦离合器的摩擦件是浸在油中工作的，经常是多盘式，它比干式磨损小，散热更好，温升低，寿命长，所能传递的扭矩大。
2）圆锥摩擦离合器：
摩擦件为圆锥体，有单锥和双锥两种区分。
这种离合器结构简单，接合平稳，分离彻底;
能产生较大的摩擦力，摩擦面磨损后一般不需要人工去调整，但是由于单锥式只有一对圆锥摩擦面，双锥式也只有两对摩擦面，所以如果需要传递大扭矩时候，则必须增大锥体的径向尺寸。
减小锥角可以增加摩擦力，但是又会导致内外锥面不易分离。
通常，摩擦面材料为金属-金属时，锥顶半角应不小于7°
；
为皮革-金属时，应不小于12°
。
2.2.3摩擦离合器的摩擦面材料
离合器在汽车上一个重要作用就是传递转矩。
而摩擦离合器能够传递的最大转矩取决于摩擦面间的最大静摩擦力矩。
而摩擦面间的最大静摩擦力矩的大小取决于摩擦面间的最大压紧力合摩擦面的尺寸和性质。
因此对于结构一定的离合器，摩擦面所采用何种的材料生产制造对静摩擦力矩影响较大。
摩擦件是摩擦离合器的主要组成元件，它的工作表面材料的物理性质以及机械性能是直接影响离合器的工作性能的。
因此我们对材料的主要要求有：
摩擦系数大而且要稳定，动摩擦系数应尽量与静摩擦系数相近；
强度高，能承受冲击，高速时不易破裂和剥落；
耐磨、耐高温、耐腐蚀和导热性能好，热变形小；
长期静置时应不相连。
此外，还要求材料的使用寿命长，有容易加工和价廉等优点。
常用的摩擦面材料一般有这样三种粉末冶金材料、石棉基材料和纸基材料
l）粉末冶金材料特点是：
表面许用温度、许用压力、高温下摩擦系数和寿命都较高。
2）铜基粉末冶金材料：
主要用于湿式摩擦面，铁基粉末冶金材料摩擦系数和许用压力都较铜基为高，但耐磨性较低，多用于干式摩擦面。
3）石棉基材料：
用石棉加薪结剂和填料模压而成，固结在钢或铁底板上，许用工作温度较低。
纸基材料：
用石棉、植物纤维或两者的混合物相互交织，再加填料后由树脂等勃结而成。
这种材料具有多孔性，摩擦性能好，动、静摩擦系数相近，而且成本较低。
2.2.4摩擦离合器压盘的传力方式
离合器压盘是离合器总成中最为主要的部件之一，是离合器中的主动部分。
在传递发动机转矩时候，它和飞轮一起带动从动盘旋转，从而传递转矩，因为压盘要传递转矩到从动盘上，所以它和飞轮必须是连接在一起的，但这种连接需要使离合器分离过程中压盘能够自由的在轴向方向上运动。
单盘离合器压盘的传力方式一般是采用传动片式，即压盘与离合器盖之间靠若干数目的传动片传递转矩。
在双盘离合器中，采用的方法通常是综合式的连接方法，该方法是中间压盘通过键，压盘通过凸台。
还有的双盘离合器是用销子传力的。
通过传力销将飞轮与中间压盘、压盘连接在一起。
2.2.5离合器的操作机构
离合器的操作机构是驾驶员在车辆起步、正常行驶过程中经常会用到了一套机构，这套机构应该行之有效地使离合器完全彻底的分离，而且又可以使离合器柔和的结合。
它的起始作用点是驾驶员控制的离合器踏板，终止点是飞轮壳内分离轴承。
离合器操作机构的组成包括有离合器踏板到离合器壳内的分离轴承以及中
间所有的传动部件。
离合器操作机构的基本要求有以下几点：
1）操作机构结构要尽可能的简单，操作要轻便，踏板力要小。
这样的原因是为了减轻驾驶员的劳动强度。
对于轿车而言，踏板力应该在80N一12ON范围之间。
2）操作机构的结构要紧凑，效率要高，踏板行程也需要在合适的长度，一般情况下，是在80mm一150mm的范围之间。
3）在操作机构中应该有能够调整自由行程的设备装置。
4）离合器踏板的行程必须装备有限位装置，控制离合器踏板行程在一定的范围内。
5）离合器踏板在回位时要快捷，这样为了防止离合器在接合时候回位滞后。
按照操作离合器的能量的不同，离合器操作机构可以分为两类人力式和气压式这两种。
人力式离合器操作机构的操作能源来自于驾驶员的肌体。
气压式离合器操作机构操作能源来自于以发动机驱动的空气压缩机，人体仅仅作为辅助和后备的操作能源。
人力式操作机构按照所采用的传动装置的形式可以区分为，机械式和液压式这样两种。
机械式操作机构在中、轻型以下各类轿车上应用得比较广泛，有些轿车上也采用这种机构。
机械式操作机构又可区分成两类，一是杆系传动装置，二是绳索传动装置。
这两类传动装置各有优缺点。
杆系传动装置的关节比较多，因而摩擦损失比较大，另外杆系传动装置的工作情况会受到车身或者车架变形的影响。
而绳索传动装置不仅避免了杆系传动系统的那些缺点，它的布置还非常的方便，并且有可能采取利于驾驶员操作的吊挂式踏板，然后它也有自己的不足，比如说绳索寿命较短，拉伸刚度较小，因此该装置最合适用于轻型和微型汽车上，同样也适用在发动机后置的汽车上。
总体来说，机械式操作机构不仅结构简单，制造成本低，而且故障也少。
缺点就是机械效率低，并且拉伸变形会致使离合器踏板的行程损失过大。
液压式操作机构主要组成部分有：
主缸、工作缸以及管路系统。
液压式操作机构在汽车上的运用非常广泛，它的优点非常显著，有摩擦阻力小、质量小、布置也方便、接合柔和等等。
而且完全不受车身或者车架的变形情况的影响。
在北京BJ2023、奥迪、红旗以及桑塔纳2000等汽车的离合器上均采用液压式操作机构。
2.3摩擦离合器的常见故障及原因
离合器安装在汽车中的发动机与变速箱之
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