浅谈汽车离合器的设计及优化

摘 要:离合器安装在发动机和变速箱之间的飞轮壳内,它的离合器总成固定在飞轮的后平面上,变速器的输入轴就是离合器的输出轴。驾驶员可以通过离合器控制变速箱和发动机的分离与结合状况。为了保证汽车起步平稳,并能有效的降低传动系统的振动和噪音,我们必须对离合器进行优化和设计。现在我们就来谈谈汽车离合器的设计及优化。

关键词:汽车离合器设计优化

中图分类号:U463文献标识码:Ａ文章编号:1674-098X(2011)06(c)-0041-01

1 汽车离合器的设计

离合器是组成汽车传动系统的重要部件,它对汽车的动力性、安全性、驾驶舒适性和经济性有很大影响。但是长期以来,传统的离合器设计主要是通过手工计算,并且在设计过程中遇到的很多重要设计参数都是从通过经验基础估算的数据或者是在简化假设条件下近似计算的数据中选取的。然后通过试验找出缺陷,反复修正,直到满足设计任务。这样既费时又费力,还不一定能得到最优结果。下面我们分析一些离合器的设计方法。

1.1 离合器的软件设计分析

软件设计已经成了产品设计的一种重要手段。

首先,我们可以参考前人的工作经验,利用他们的试验数据,通过Pro/E或UG等三维软件设计出离合器的模型;然后利用Ansys等仿真软件,对设计出来的模型进行仿真,分析它是否满足设计要求;最后可以利用有限元分析软件,有限元分析可以检查出零部件在已知约束条件下对载荷的响应情况。通过合理确定其载荷条件和边界条件,运用力学的相关理论进行分析,确定产品的可靠性。

1.2 不同结构形式的执行机构离合器设计分析

离合器的执行者是离合器执行机构,它在控制器的控制下对离合器的结合规律进行跟踪。离合器执行机构的性能直接影响到离合器结合规律的跟踪控制效果,另外它的稳定性和工作可靠性关系到自动离合器控制系统的稳定性和可靠性及驾驶员的驾驶安全,由此可见离合器执行机构的重要性。

2 电控气动式执行机构

电控气动式执行机构以气缸为驱动元件,通过利用汽车本身的气压制动系统的气源能简化驱动机构,可是执行原件的体积仍然很大,给机构布置带来很大困难。除此以外,气动控制的位置控制精度低,满足不了离合器自动控制的要求。

2.1 电控液动式执行机构

电控液动式执行机构在实际中已经得到成功应用,但是它结构复杂,维修制造困难,加之对温度变化反应强烈,性价比低,在竞争中逐渐处于不利地位。

2.2 电机驱动式执行机构

由于机构简单,性价比高,容易控制和对环境的适应性强等优点,电机驱动研究应用很广泛。离合器驱动机构的作用是将电机的旋转运动转换成直线运动,因此可以利用螺杆螺母传动和涡轮蜗杆传动。对于这两种传动形式,螺杆螺母式得安装直线式位置传感器,安装困难。相比之下,涡轮蜗杆传动设计简单,使用方便,应用广泛,并且采用辅助助力机构可以提高控制性能及减小电机驱动功率。面对种类繁多的电机应该如何选择呢？如果从控制简单,性能出色等方面出发,可以选择永磁直流电机,但其寿命稍低;如果从可靠性方面考虑,可以选择支流无刷电机,但是其控制系统复杂,力矩波动;如果对控制精度要求高,可选择步进电机,但是它的价格较贵,控制复杂。你可以根据自己的需求及承受限度选择适合自己的电机。

2.3 离合器电子控制设计

电子控制技术在现代汽车中被广泛应用,在很大程度上改善了驾车安全性,操作方便性以及舒适性等。电子控制技术在汽车中的应用主要有:无级变速器、自动挡、电控发动机技术和ABS汽车防抱死系统等。虽然电子控制技术极大的改善了汽车性能,但是它却提高了油耗,给驾驶者带来经济困扰。利用电子控制技术和液压技术,对传统离合器操作系统进行改造,可以使采用传统变速器系统汽车的操作方法接近自动变速器汽车的操作方法。这样在满足驾车安全性、操作方便性以及舒适性的同时又降低了油耗,是一种值得推广的技术。

汽车的行驶状况、离合器的状态和电子控制信号如表1所示。

取消离合器踏板,对离合器进行电子控制,必须掌握汽车操作与离合器动作间的关系,也就是要通过其他操作来间接控制离合器。除了了解离合器踏板的动作外,还必须掌握制动踏板、油门踏板和档位彼此之间以及它们与汽车行驶的关系。通过上表的分析,把形式信号输入芯片,通过芯片计算处理,建立彼此之间的逻辑关系并传输出去。

制动踏板、油门踏板和档位杆的信号通过相应的传感器获得。制动踏板传感器用来获得(除了点刹)汽车是否处于制动状态;安装在油门位置开始端的油门踏板传感器用来获取油门动作;安装在空挡位置处的按钮式传感器用来判断变速器是否处于空挡位置;最后把转速传感器安装在变速器输出轴上即可。

3 离合器的优化设计

我们可以采用群体智能优化算法中的微粒群算法对离合器的关键零件的机构参数进行优化设计。1995年,Kenndey和Eberhart开发了微粒群算法,它是一种演化计算技术。对鸟群简化社会模型的研究及行为模拟是微粒群算法的思想来源。属于群体的个体对群体信息享有共享权,从整个群体的运动在问题解空间中产生从无序到有序的演化过程,从而取得最优解。

以下是基于微粒群算法的进化方程:

其中:和分别表示微粒i的第j维在t和t+1代间的速度;和分别为在0-2间取值的加速度常数,和分别表示在0-1内取值的相互独立的两个随机变量;表示微粒i的第j维在第t代经历的最好位置;表示微粒g的第j维在第t代经历的最好位置;和分别表示微粒i的第j维在第t代和第t+1代的位置;i表示第i个微粒,j表示微粒的第j维,t表示第t代。

离合器的结构参数可以通过微粒群算法求解,但是由于设计要求不同,离合器的设计可能有多个不同的目标函数,我们可以通过权重系数法,把这些不同的目标函数统一成一个目标函数。由于设计中需要考虑很多由不等式约束的约束条件,可以通过内点混合惩罚函数处理这些约束,也就是将约束条件和不同的目标函数重新构造成一个目标函数,分析解决离合器零部件的非线性优化设计问题。

4 结语

通过本文的分析,我们可以了解到通过对汽车离合器的设计及优化,可以保证驾驶汽车的安全性、舒适性、操作简单性及经济性,有很大的现实意义。

参考文献

[1]陈福贞.汽车离合器电子控制研究[J].拖拉机与农用运输车,2009,36(6),116-118.