離合器壓盤參數化與編碼系統設計

徐 蕾

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070)

目前，世界上成組分類編碼系統已經有70多種。一般常見的成組編碼系統有德國的OPITZ系統、前蘇聯的BIITN系統、日本的KK-3系統及我國的JLBM-1系統等［1］。這些分類編碼系統都是面向某一類零件(如箱體類零件、回轉體類零件等)的專用系統，很難處理形狀復雜的零件。目前，還沒有專門針對壓盤的成組編碼系統，筆者根據離合器壓盤企業的實際需求，利用其在設計原理、制造工藝等方面的相似性和規律性，開發了適應壓盤生產的工藝編碼系統，并與參數化設計結合起來，使結構與工藝設計更加標準化，減少設計人員重復性勞動，在一定程度上加快了產品的開發周期。

1 壓盤參數化設計

1.1 壓盤結構

壓盤設計主要涉及到發動機、車型、傳動系統和材料4大類設計要素，發動機要素包括發動機最大轉矩和發動機角速度;車型要素包括汽車總質量和系數A;傳動系統要素包括主減速器傳動比和變速器傳動比;材料要素包括壓盤溫升、滑磨功所占百分比和壓盤的比熱容的確定，壓盤參數化設計流程如圖1所示，通過基本參數的輸入，實現主要幾何尺寸的自動計算與三維模型驅動。

圖1 壓盤參數化設計流程

圖2 壓盤的三維結構

壓盤是一個金屬圓盤，是汽車離合器的主動部分。圖2所示為壓盤的三維結構圖，它的主體結構由圓盤、壓盤孔、支承筋、壓盤耳和壓盤耳孔5個部分組成。正常的狀態是同離合器片緊密結合，成為一個整體，隨發動機一起旋轉，并把動力傳遞給變速箱。當踏下離合器踏板時，壓盤同離合器片分離，切斷發動機的動力輸出，就可以實現換擋。抬起離合器踏板，壓盤再次同離合器片結合，傳遞動力。

1.2 壓盤幾何尺寸的設計

1.2.1 壓盤內外徑尺寸的確定

由于壓盤和摩擦片是相互咬合的，因此摩擦片尺寸確定后，與其摩擦相接觸的壓盤的內、外徑也就基本確定。摩擦片的外徑是離合器的基本尺寸，它關系到離合器的結構重量和使用壽命［2］。離合器摩擦片外徑D的公式為:

式中，Temax為汽車起步時發動機最大轉矩;系數A反映了不同結構和使用條件對D的影響，與汽車類型直接相關。

在外徑D一定的情況下，選用較小的內徑d雖可增大摩擦面積，提高傳遞轉矩的能力，但會使摩擦面上的壓力分布不均勻，使內外緣圓周的相對滑磨速度差別太大而造成摩擦面磨損不均勻，且不利于散熱和扭轉減振器的安裝。摩擦片的內外徑比f應在0.53～0.70范圍內，如表1所示。

表1 壓盤內外徑尺寸對應表 mm

1.2.2 壓盤厚度的確定

滑磨功L和摩擦功Ja的公式分別為:

式中，ma為汽車總質量;rk為車輪滾動半徑;i0為主減速器傳動比;ik為變速器傳動比;ω0為發動機角速度。

由式(2)和式(3)得到L的值。壓盤溫升校核公式為:

式中，c為壓盤的比熱容;τ為溫升，不應超過8～10℃;k為分配到壓盤上的滑磨功所占的百分比，單片離合器壓盤k=0.50，雙片離合器壓盤k=0.25，雙片離合器中間壓盤k=0.50。

由式(4)可得壓盤總質量m壓，由經驗值可知，圓盤質量m盤占壓盤總質量m壓的91%，壓盤質量公式為:

式中，ρ為密度;R為壓盤外徑。

經計算即可得到壓盤厚度h［3］。

1.3 壓盤三維模型的驅動

確定了壓盤的幾何尺寸后，對壓盤的三維模型進行參數驅動，即可完成壓盤的結構尺寸設計。

SolidWorks是一個開放的CAD系統，它提供了API接口，可以對其二次開發［4］。模型驅動流程如圖3所示。首先利用C++語言，通過Solid-Works的最高層接口ISldWorks打開壓盤Solid-Works文件，然后通過SolidWorks的模型文檔接口IModelDoc提取零件的幾何特征信息，通過尺寸驅動三維模型［5］，則設計者面對的是尺寸列表，直接修改特定尺寸就可以完成模型的驅動，準確性和設計的效率得到大大提高。

圖3 模型驅動流程

其具體幾何信息的提取過程如圖4所示，在得到Feature對象后，就可進入幾何信息的提取過程環節。在SolidWorks中，幾何信息存儲在DisplayDimension對象下面的 Dimension中［6］。首先要從Feature中提取DisplayDimension信息，然后從DisplayDimension中獲取Dimension對象，最后再從Dimension中抽取幾何信息，根據所提取的幾何信息的類型調用SolidWorks中不同的API函數就可以直接實現［7］。

2 壓盤工藝編碼系統

通過對國內汽車市場上多種壓盤的結構分析，可以歸納出影響其工藝的因素如下［8］:

(1)汽車和離合器的類別。離合器直接影響壓盤的結構。

(2)壓盤的驅動方式。凸塊窗孔式、傳力片式、銷釘式和鍵塊式等多種。

(3)壓盤的材料。由式(4)可知，c是壓盤比熱容，它與壓盤的材料直接相關。

圖4 幾何信息的提取過程

(4)壓盤圓盤的外徑、內徑、厚度。這是壓盤結構設計中關鍵的幾何尺寸。

(5)壓盤支承筋的直徑、寬度、高度和棱邊角度。支承筋的合理設計可以保證在受熱的情況下，將壓緊力在摩擦面上的壓力分布均勻，使壓盤不會因產生翹曲變形而影響離合器的徹底分離和摩擦片的均勻壓緊。

(6)壓盤耳厚度、外直徑、孔徑和中心直徑。這關系著壓盤與摩擦片以及離合器蓋的合理連接，如果傳力處之間間隙超過0.2 mm，在傳力開始的一瞬間將產生沖擊和噪聲，隨著接觸部分磨損的增加而加大沖擊，有可能使壓盤耳根部出現裂紋而造成零件的早期損壞。

(7)壓盤圓盤、孔、支承筋、壓盤耳、耳孔的精度、粗糙度和形位公差。這些都是關系到壓盤零件加工質量的重要數據。

通過分析設計出專門針對壓盤的分類編碼系統PJLBM，它由17位碼組成，各位碼按特征類別采用直接的描述方式。每一位碼由從0～5的6個數字型特征代碼組成，特征不足6位特征代碼的預留出6位碼，以便能結合世界先進的工藝技術水平，以及新工藝、新技術的發展現狀和趨勢做增補，使分類編碼系統在一定時間內保持穩定，避免頻繁修改［9］。詳細分類如表2所示。

表2 壓盤工藝編碼系統PJLBM

3 實例演示

筆者以離合器型號為180的壓盤為例，實際演示該系統。登錄系統后，選擇參數化設計界面，選擇離合器型號為180，可以方便地從典型壓盤模型庫中的文件庫中搜索出壓盤的SolidWorks文件，參數化設計系統界面圖如圖5所示，輸入基本設計參數，可以實現其主要幾何尺寸的自動計算，直接得到壓盤的導出參數，如壓盤的外徑、內徑和厚度，即用盡可能少的設計參數得到關于零件設計的關鍵性尺寸的導出參數。同時利用API接口調出參數化設計尺寸列表，尺寸驅動得到三維模型。

圖5 參數化設計系統界面圖

然后選擇分類編碼系統，其系統界面圖如圖6所示，系統采用程序邏輯與數據獨立的結構，按其各種特征進行分類編碼，輸入工藝信息能夠得到編碼，并能夠依賴自定義的搜索算法從數據文件中找到該產品對應的工序［10］。

圖6 分類編碼系統界面圖

4 結論

根據參數化設計和成組編碼的思想，對壓盤零件的重復性設計模式進行革新，提出了汽車離合器壓盤參數化與編碼系統，用該方法可解決設計人員反復設計和設計的不穩定性等諸多問題，達到優化生產周期和規范設計方式的效果。但由于壓盤結構復雜、種類繁多，結構和工藝數據的收集是一個非常復雜的過程，應考慮不同的壓盤生產企業，以及目前市面上層出不窮的關于新型壓盤設計的發明，如何考慮這些不確定因素對壓盤設計系統的影響是進一步研究的重點。

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