膜片弹簧离合器的参数化设计与关键部件的性能分析.pdf

永，t 一晕i 套jd：翟?i 嚣?硕士学位论文T H E S I SF O RM A S T E R。SD E G R E E论文题目膜片弹簧离合器的参数化设计与关键吾_；件的性能分析作者学院专业指导教师备注张希敏机械工程与自动化学院机械设计与理论陈艮玉教授年-月日东北大学硕士学位论文摘要膜片弹簧离合器的参数化设计及关键部件的性能分析摘要离合器是汽车与拖拉机传动系中与发动机直接联系的部件，其主要功用有传递(离合器接合)和切断(离合器分离)发动机动力、防止过载和降低传动系中的振动和噪声等。膜片弹簧离合器是将压紧弹簧由传统的螺旋弹簧变为膜片弹簧，从而使离合器具有转矩容量较大且较稳定和踏板操纵较轻便等优点。膜片弹簧离合器按分离轴承运动方式的不同可分为推式和拉式两种。推式离合器是当分离轴承向前推向飞轮时，离合器才分离；拉式离合器一般则是分离轴承向后拉离飞轮时，离合器才分离，两者各有其优缺点。本课题所研究的是推式膜片弹簧离合器。本文通过对膜片弹簧离合器的工作原理和离合器所要传递的发动机动力的分析，来确定离合器中摩擦片和膜片弹簧两个主要零件的结构尺寸，根据膜片弹簧离合器设计方法，编写了参数化设计计算系统。该系统采用了模块化的设计方法具有设计计算模块和参数化模块。设计模块通过选取设计参数计算出摩擦片和膜片弹簧的结构尺寸，并将计算结果传递给参数化模块。参数化模块是在P r o E 中实现离合器实体模型和零件模型。在实体建模中使用P r o E 的二次开发工具P r o T O O L K I T 程序设计语言。本文利用了有限元分析软件A N S Y S 对离合器中的膜片弹簧、压盘、盖三个关键部件进行了性能分析。对膜片弹簧利用几何非线性分析得到了膜片弹簧的非线性刚度线；对压盘做瞬态传热和结构变形计算得到了压盘热膨胀量的修形量；对盖的结构变形分析得到了盖的变形量以及弹簧安装的调整量。这些数据，为离合器零部件的生产制造提供了理论依据。关键词离合器；参数化设计；有限元分析；二次开发东北大学硕士擘位论文 B s T R A C TP a r a m e t e r i z e dD e s i g no fD i a p h r a g mS p r i n gC l u t c ha n dC h a r a c t e r i s t i cA n a l y s i so ft h eK e yC l u t c h SP a r t sA b s 仃a c tC l u t c hi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ea u t o m o b i l ea n dt r a c t o r Sd r i v es y s t e m w h i c hd i r e c t l yc o n n e c t e dw i t ht h ee n g i n e I t Sm a i nf u n c t i o ni n c l u d e sI r a n s f e r r i n g(w h e nc l u t c hi sj o i n t e d)a n dc u t t i n go f f(w h e nc l u t c hi ss e p a r a t e d)t h ep o w e ro ft h ee n g i n e，p r e v e n t i n gO V f f fl o a d i n g,r e d u c i n gv i b r a t i o na n dn o i s ei nt h ed r i v es y s t e m T h es p r i n gi nd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hi sd i a p h r a g ms p r i n gw h i c hr e p l a c e st h es c r e ws p r i n g s ot h ec l u t c hh a sb i gt o r q u ea n di se a s yt om a n i p u l a t e A c c o r d i n gt ot h em o v e m e n to f b e a r i n g，d i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hi sd i v i d e di n t op u s h i n gd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c ha n dd r a w i n gd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h I nt h ep u s h i n gc l u t c h,t h ec l u t c hi ss e p a r a t e dw h e nt h eb e a r i n gp u s h st h ef l y w h e e l；b u ti nt h ed r a w i n gc l u t c h，t h ec l u t c hi ss e p a r a t e dw h e nt h eb e a r i n gd r a w st h ef l y w h e e l T h e yb o t hh a v et h e i ro w n e r sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s T h ec l u t c hi nt h i st h e s i si sp u s h i n gd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h I nt h i st h e s i s，Ia n a l y z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c ha n dp o w e ro ft h ee n g i n ew h i c hc l u t c hw i l lt r a n s f e r,S Ot h a tw ec a nd e c i d es t r u c t u r a ld i m e n s i o no ft h em a i np a r t sa n di t sc a l c u l a t i o nm o d e l s，a n df m a l l y,It i d i e dt h ed e s i g na n dp r o g r a m m e di t T h es y s t e mo f p a r a m e t e r i z e dd e s i g no f d i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hi sd e v e l o p e db ym e a n so f m o d u l a r i z a t i o n T h es y s t e mi sc o m p o s e do ft w om o d u l e s：c a l c u l a t i o nm o d u l ea n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g nm o d u l e W eC a l lc a l c u l a t et h ef a c i n ga n dd i a p h r a g ms p r i n g Ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sb a s e dO nc a l c u l a t i o nm o d u l e,a n dt r a n s f e rt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r st ot h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g nm o d u l e P a r a m e t e r i z e dd e s i g nm o d u l ei sr e a l i z e di nt h eP r o Es y s t e m,a n di t Sm a i nf u n c t i o ni st oc r e a t et h ee n t i t ym o d e la c c o r d i n gt oi m p o r t i n gr e l m i v ep a r a m e t e r s T h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g no f t h ed i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hi sm a i n l yb a s e do nt h eP r o g F O O L K I Tp r o g r a m m ed e s i g n，I nt h i st h e s i s，w eu s eF E AA n a l y s i ss o f t w a r e-A N S Y Ss o f t w a r ea n da n a l y s ec l u t c h S东北大学硕士学位论文A B S T R A C Tt h r e ep a r t s(d i a p h r a g ms p r i n g,d i s c c l u t c h,c O V e l )w eo b t a i nd i a p h r a g ms p r i n g Sc u r v e t so f t h en o n l i n e a r；A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f d i s c c l u t c h Sh e a t i n ga n ds t r u c t u r ed i s t o r t i o n，w eo b t a i nd i s c c l u t c h Sv a l u eo f d i s t o r t i o n；A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h ec o v e r ss t mc t l l _ r e，w eo b t a i nc o v e r sv a l u eo ft h ed i s t o r t i o na n dd i a p h r a g mf i x i n g Sv a l u e T h e s ed a t ap r o v i dt h et h e o r yv a l u ef o rt h ep a r t s Sm a n u f a c t u r i n g K e y w o r d sc l u t c h；p a r a m e t e r i z e dd e s i g n；P r o E n g i n n e r；s e c o n dd e v e l o p m e n t-独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：劢澎晦日期：硐爷3 j 7 习学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。)学位论文作者签名：认乖铋签字日期：0 7 一够7 0 7导师签名：签字日期：廊参雪0 7 一o；一o，7J东北大学硕士学位论文第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题背景离合器是汽车与拖拉机传动系中与发动机直接联系的部件，其功用是：1 传递(离合器接合)和切断(离合器分离)发动机传给传动系的动力，以保证汽车与拖拉机的平稳起步和停车以及变速器的顺利摘挡和挂挡。2 当传给离合器的转矩超过它能传递的最大摩擦转矩时(如汽车与拖拉机紧急制动而未分离离合器时，发动机旋转部分因突然减速而引起巨大惯性力矩)，由于离合器主、从动部分之间产生滑磨，就可保护传动系中的各零件以防止其因过载而损伤。3 通过离合器的使用，可有效地降低传动系中的振动和噪声。4 在双作用离合器中尚具有能传递和切断发动机传给动力输出轴动力的功用。离合器的工作原理：当离合器与发动机飞轮用螺栓紧固在一起时，膜片弹簧被预加压紧，离合器处于接合位置，由于膜片弹簧的大端对压盘的压紧力在压盘与从动盘摩擦片之间产生摩擦力。于是当离合器盖总成随飞轮转动时(构成离合器的主动部分)就随从动盘摩擦片上的摩擦转矩带动从动盘总成和变速器第一轴一起转动以传递发动机动力。要分离离合器时，将离合器踏板踏下，通过操纵机构，使分离叉摆动将分离轴承总成前移推动膜片弹簧分离指，使膜片弹簧呈反锥形变形其大端离开压盘，压盘在传动片的弹力作用下离开摩擦片，使从动盘总成处于分离位置，切断了发动机动力的传递。由此可以看出离合器是汽车与拖拉机传动系的重要组成部件之一，离合器的性能直接关系到汽车与拖拉机的整车质量。目前离合器的设计过程大多数是采用手工设计，这不仅浪费时间还使设计效率低下并且容易导致错误。所以本课题研究离合器的参数化设计系统以弥补上述的缺憾。并对离合器的关键部件(膜片弹簧、压盘和盖)进行性能分析，为其生产制造提供可靠的数据保证。该系统的应用会有以下效果：1 增强企业的产品设计开发能力；2 提高产品的设计质量，缩短产品的研制周期；3 有利于实现产品的标准化，系列化和通用化；4 A N S Y S 性能分析部分为产品的生产制造提供了理论依据。1 2 相关领域的发展1 2 1 离合器技术的发展状况及趋势1 8 8 6 年世界上第一辆汽车的发动机与传动系之间采用皮带传动，利用张紧轮使皮带松弛或张紧来将动力的传递中断或接通，这就是最早的汽车离合器。1 8 9 0 年采用圆锥式摩擦离合器，但它的从动锥部分惯性较大，使变速器换档困难。1 9 0 0 年采用多片式摩擦离合器，但它的从动部分惯性仍较大，而且由于油的粘性(湿式)或片的热变形(干式)东北大学硕士学住论文第1 章绪论使分离不彻底，从而也使换档困难。1 9 1 0 年后由于摩擦材料的改进才开始采用干式单片与双片摩擦离合器，又经过不断改进逐步发展成为现代汽车离合器。根据压紧弹簧型式的不同先后出现了三代产品(螺旋弹簧离合器、推式膜片弹簧离合器、拉式膜片弹簧离合器)，使离合器的可靠性和舒适性不断提高，而它的重量与价格却不断降低。汽车离合器结构的演变1 第一代产品螺旋弹簧离合器最早的干式单片离合器中即采用螺旋弹簧作为压紧元件，1 9 2 5 年开始采用石棉基摩擦衬片，至1 9 3 0 年结构已较完善，因此1 9 3 0 年以来已普遍采用。2 第二代产品推式膜片弹簧离合器美国通用汽车公司于1 9 3 8 年在雪佛兰轿车上己开始采用，2 0 世纪6 0 年代末国外轿车、轻型、中型货车几乎已全部采用，7 0 年代后期开始扩展应用到重型货车。3 第三代产品拉式膜片弹簧离合器2 0 世纪6 0 年代末在原西德F s 公司首先研制出，1 9 8 0 年以来国外大中小型汽车都已开始采用。拖拉机离合器结构的演变1 第一代产品螺旋弹簧离合器1 9 3 0 年以来在轮式与履带拖拉机上也已普遍采用。2，第二代产品碟形弹簧离合器1 9 4 7 年拖拉机开始采用独立式动力输出，需要有结构紧凑的双作用离合器，于是碟形弹簧(2 0 世纪5 0 年代)与开槽碟形弹簧(2 0 世纪7 0 年代)离合器在国内外拖拉机上逐渐推广采用。3 第三代产品膜片弹簧离合器1 9 8 0 年以来国外大型与某些小型轮式拖拉机已开始采用，目前均采用推式。膜片弹簧离合器目前己在各种型式汽车中广泛使用。2 0 世纪8 0 年代以来，随着汽车结构的发展与性能的不断提高，对于膜片弹簧离合器也不断提出更高的要求。欧美重型汽车发动机从1 9 7 0 1 9 9 0 年，其功率增大3 0，转矩增大1 0 0，而转速却下降3 0。因此要求离合器在不过分增大尺寸的条件下提高转矩容量。从而促进了摩擦材料性能的提高及拉式膜片弹簧离合器的发展。V a l e o 公司己开发出转矩容量为1 9 0 0 N m 的D T 4 3 0型单片拉式与转矩容量为2 5 0 0 N m 的D T 4 0 5 x 2 型双片拉式膜片弹簧离合器以满足重型汽车发动机的需要。为了降低燃油消耗量除货车和客车外，在轿车上也开始采用柴油机、三缸发动机，并降低发动机转速。柴油机效率高，但转矩波动大，噪声高怠速时其车外噪声比汽油车约大1 0 d V(A)左右1，因此要求提高从动盘减振器的减振性能(尤其是在低频振动时)，并推动了新型双飞轮减振器的发展。8 0 年代以来在轿车上已广泛应用发动机前置、前轮驱动型汽车，与目前常用的发动机前置、后轮驱动汽车相比，结构己发生很大的变化，因此国内外各大公司对于膜片弹簧离合器的设计与制造都进行了大量的研究工作。总的看来，膜片弹簧离合器结构的发展动向是：结构简化、便于通用，增大转矩容量，提高使用性能并便于拆卸与调整等。2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论1 2 2 C A D C A E 技术发展及趋势C A D，即计算机辅助设计(C o m p u t e rA i d e dD e s i g n)技术是计算机应用技术中推广最为深入和广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力更为突出。随着传统C A D系统在工业界的应用普及以及现代设计问题的复杂化、智能化，人们不再仅仅满足于用计算机取代人进行手工绘图。随着信息时代的来临，计算机图形学、人工智能、计算机网络等基础技术的发展和计算机集成制造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的出现，使得C A D 系统也由单纯的二维绘图向三维智能设计、参数化设计方向发展。C A D C A M C A E c A P P 伊D M 厄I 冲的集成性得到了巨大的发展，C A D 技术及应用也正在经历一场前所未有的革新。这一技术已成为工业发达国家制造业、建筑业保持竞争优势，开拓市场的主要技术手段。C A D 指的是运用计算机系统辅助项设计的建立、修改、分析或优化过程。C A D 系统由硬件和软件组成，其软件又由系统软件(如操作系统、高级语言等)、支撑软件(如绘图、造型、工程数据库等)和专业应用软件组成。1 C A D 发展历程C A D 技术起源于5 0 年代，C A D 的发展经历了从二维到三维，从三维最初的线框造型到今天的特征造型，从仅为某些大企业的专用工具到在整个设计领域的全面普及这样一个不平凡的发展道路，目前已推出三代C A D 软件产品。第一代C A D 软件产品开发于6 0 年代，其主要特点是二维设计和绘图。在C A D 发展的早期，二维C A D 系统主要完成二维工程图的绘制。产品以A u t o d e s k 公司的A u t o C A D系统为代表。大多数企业设计部门使用二维工程图纸表达产品设计意图，制造部门将设计部门提供的设计图纸重现立体模型，整个过程重复性工作很多，浪费了大量的人力和时间。第二代C A D 软件产品开发于7 0 年代，主要有三维造型、二维制图、有限元分析和数控加工编程。它是多个数据库的软件系统，从设计到加工的全过程仍是按传统的顺序方式进行。第三代C A D 软件产品开发于8 0 年代末，它对原来的C A D 系统进行了彻底的改进，以三维设计为基础，把所有的功能集成在一个数据库结构下工作，实现了C A D 系统的真正集成，使从设计到制造的全过程中的所有工作能同时(或并行)完成，从而彻底改变了传统的顺序工作方式。与此同时，相关的计算机辅助制造(C A M)、计算机辅助工程(C A E)、计算机辅助工艺规划(C A P P)等技术也得到了迅猛的发展。C A D 技术的发展趋势是在开放式、分布式网络化基础上向C A D c A E C A P P C A M 集成化、智能化方向发展，向实现集成制造系统(C D 以S)和并行工程方向发展。C A D 技术的发展总是跟随现代工业发展的需求，航空和汽车行业的蓬勃发展对曲面造型的要求促使C A D 在单纯的二维制图的基础上开发出了以表面模型为特点的自由3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统(C A T I A)。它的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯的模仿工程制图的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完全描述产品零件的主要信息，同时也使C A D 的发展有了现实的基础。曲面造型系统(C A T I A)给人类带来了第一次C A D 技术革命，改变了已往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后工作方式。有了表面模型，C A M 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特征，如质量、重心、惯性矩等，对C A E 十分不利，它最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对C A D C A M 一体化技术的探索，S D R C 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型C A D C A E 软件，给设计带来了惊人的发展和方便性，它代表未来C A D 技术的发展方向。可以说实体造型技术的普及应用标志着C A D 发展的第二次技术革命。正当实体造型技术逐渐普及之时，C A D 技术的研究又有了重大的发展。如果说在此之前的造型技术都属于无约束自由造型的话，又有人提出了比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。它主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化的成功应用，使它在9 0 年代前后几乎成为C A D 行业的标准。纵观C A D 技术的发展史，不难看出，C A D 技术基础理论的每次重大进展都带动了C A D C A E C A M 整体技术的提高以及制造手段的更新。技术的发展永无止境，C A D 技术一直处于不断的发展和探索之中。也正是这种互动交替造就了今天C A D 技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。2 机械C A D 发展的背景计算机辅助设计技术的发展，从根本上改变了机械设计自动化的研究方向，大大提高了机械设计的质量和效率，缩短了产品更新换代的周期，在机械设计领域正在引起深刻的变革。f 1)现代机械工业所处的严峻环境现代机械工业面临着极其严酷的外部环境的挑战。这些严酷的挑战可归结为：科学技术高速发展，传统资源渐渐枯竭，买方市场日益强化。(2)现代机械工业的基本任务机械工业必须把加快产品的更新和开发放在第一位，以便在充分利用现代科学技术最新成就的基础上，按照高效、优质、低成本的要求，迅速开发出满足买方需求的各种省料节能的新产品。因此，现代机械工业的基本任务可以归纳为：a 大力开发新产品；b 保证产品质量；c 不断提高劳动生产率；4 东北大学硕士学位论文第l 章绪论d 有效降低生产成本。这四个基本任务当中大力开发新产品是关键和核心。(3)现代机械工业的基本特点a 多品种小批量生产占主导地位；b 生产技术和制造系统的柔性化。所谓柔性，即指针对上述特点所必须具有的一种灵活应变的能力或快速响应的能力。生产技术和现代制造系统适应产品变化和产量变化所具有的一种效率。这种效率高，即说明制造柔性好。(4)现代机械工业生产中存在的主要问题由于多品种生产的现代机械工业生产中占有优势比重，因此多品种生产的现状可以看作机械工业生产现状的一面镜子。多品种生产存在的问题，实际上反映了整个机械工业存在的问题。这些问题概述如下：a 开发新产品的生产技术准备体制不合理；b 生产技术和生产组织管理十分落后；c 规模大而效益差的全能型企业模式；d 整个机械工业的结构体制不利于发展零部件专业化和工艺专业化。综上所述，企业要赢得市场，技术创新是至关重要的，而技术创新主要体现在产品设计的创新。减少在设计工作中的简单重复劳动，帮助设计者把头脑中产生的设计形象迅速准确地在计算机中反映出来，使其将注意力集中于富有创造性的设计活动中，从而提高设计的效率和质量，C A D 技术的应用是关键。3 C A D 技术的应用特点C A D 技术是一项技术复杂而动态发展的系统工程，具有下列特点：a C A D 技术复杂，涉及面广，其软件技术涉及很多领域。C A D 技术以计算技术为基础而面向工程应用，是一种提高企业效益的工程技术手段而不是单纯的计算工具。b C A D 技术要求在生产组织结构、管理模式以及工艺方法上进行改革，才能使系统较好运行，取得最大效益。c 发展C A D 技术需要大批兼备计算机知识的专业人才，特别需要既有计算机知识和专业知识、又有组织管理能力和营销能力的高级人才。d C A D 技术正在迅速发展之中，日趋成熟而远未成熟。由于C A D 软件的发展落后于计算机硬件，因此目前C A D 技术的关键是应用软件。4 机械C A D 技术的发展趋势(1)集成化为适应机械设计与制造自动化的要求，特别是近年来出现的计算机集成制造系统5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论C I M S 的要求，进一步提高集成水平是C A D C A M 的重要发展方向之一。当然，提高集成水平还要做以下几方面工作：a 在几何造型方面，必须实现从传统的实体造型到参数化特征造型的转变，以便包括几何信息在内的产品信息模型(包括几何、工艺、)J n T、管理信息等)，创造C A D、C A P P、数控编程集成的必要条件。b C A D C A M 系统必须有自己统一的数据库及其管理系统，数据库的结构要以产品信息模型为基础，使C A D C A M 系统内各模型都可以从统一的数据库进行信息存取。c 解决好不同C A D 系统间产品模型数据转换问题，应逐步向国际标准靠拢。此外还应具备各种外部专用接口，以便与其它系统相联。d 集成系统内部应包括种类更多、功能更为完善的设计与制造及应用软件。例如C A P P 软件、面向对象的各种应用软件、文字处理软件等，使整个系统功能更为完善。(2)智能化现有的C A D 技术在机械设计中只能处理数值性工作，包括计算、分析与绘图。然而在机械设计活动中存在着另一类符号推理工作，如方案的构思和拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能圆满解决。因此，人工智能与现代机械设计结合形成的智能型C A D 专家系统是机械C A D 发展的必然趋势。目前国内的研究工作在如下方面取得了进展：a 零部件设计，先后有三角带、传动轴、减速器、变速箱等智能C A D 系统的开发和研究；b 方案设计和最优化选择；c 专家系统开发工具等。但目前在这方面还有以下两个问题需要解决：一个是并行设计、方案设计、创新设计的智能化。发展新的设计理论和方法，特别是并行工程的设计理论以及概念设计理论，它们均是当前C A D 理论研究的热点。只有在新的理论指导下才有可能建立智能型新一代机械C A D 系统。另一个是继续深入研究机械设计型专家系统的一些基本理论及技术问题。如知识表述、知识获取、推理机制、工具系统的研制等。(3)标准化随着C A D 技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。迄今己制定了不少标准，例如图形设备标准G K S、P H I G S，面向不同C A D 系统的数据交换标准I G E S、S T E P，此外还有窗口标准等。随着技术的进步，新标准还会出现，用户的应用开发常常离不开用于标准的开发软件。更为重要的是，有些标准指明了C A D 技术的进一步发展的道路。例如S T E P，即是标准又是方法学，而由此构成的S T E P 技术，将深刻地影响着产品的建模、数据管理、外部接口等。6 东北大学硕士学位论文第l 章绪论5 C A E 技术简介C A E 即计算机辅助分析(C o m p u t e rA i d e dE n g i n e e r i n g)，也称为计算机辅助工程。这种技术是结合计算机技术和工程分析技术的新兴技术。C A E 软件将采用计算机学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学等学科的传统理论与计算机技术相结合，从而形成一种综合性、知识密集型的信息产品。C A E 的核心技术世有限元理论和数学计算方法。经过几十年的发展，C A E 软件分析的对象已逐渐由线性系统发展到非线性系统，并有单一的物理场发展到多场耦合系统，并在机械、航天、建筑、土木工程等领域中取得了积极且成功的应用。随着计算机、C A D、C A P P、C A M、P D M 和E R P 等技术的发展，C A E 技术逐渐与它们相互融合，朝向多元化信息技术集成的方向发展。C A E 是一个可以用广义和狭义角度来解释的概念。从字面上来看，它可以广泛地包括工程和制造业信息化的所有方面。但是传统的C A E 则是指用计算机对工程和产品做可靠性的分析、对其未来的状态和运行状态进行仿真，以尽早发现设计中的缺陷，并验证产品功能和性能的可用性和可靠性。换句话说，C A E 是指工程设计中的分析计算与分析方针，具体包括：运动动力学仿真、工程数值分析、结构与过程优化设计和结构强度与寿命评估。运动动力学仿真用来对C A D 建模完成的模型进行运动学仿真和动力学仿真；工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行、可靠性如何，以及使用寿命如何。从过程化、实用化技术发展的角度看，C A E 的核心技术为仿真模型运动的运动励力学仿真疾书和有限元分析技术。c A E 的用途表现为下述几个方面：a 采用运动动力学的理论、方法，通过C A D 绘出实体模型并设计出会动的机构。然后，对整机进行运动动力学仿真，分析出诸如位置、速度、加速度、作用力等具有修正机构设计参照价值的物理数据。b 采用工程数值分析中的有限元等技术，来分析、计算出产品结构的应力、变形等物理量，分析出整个物理量在空间与时间上的分布，完成结构的线性、静力计算分析，一直到非线性、动力的计算分析。c 在满足设计要求的条件下，采用过程优化设计方法，对产品的结构、设计参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能达到最佳状态。d 采用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，评估结构的安全性、可靠性和使用寿命。1 3 课题研究的内容和意义课题是以P r o 厄软件和V i s u a l c 抖6 0 高级程序设计语言为工具，结合P r o E 软件的二次开发技术P r o T O O L K I T 程序设计实现了膜片弹簧离合器主要零件的参数化设计。并利用A N S Y S 软件对膜片弹簧、压盘和盖进行性能分析。7 东北大学硕士学位论文第l 章绪论课题主要包括两部分内容：离合器的参数化设计部分和离合器关键部件的性能分析部分。1 参数化设计部分主要内容：a 主要零件的参数设计与校核(摩擦片的内外径计算和强度校核、膜片弹簧的尺寸设计及强度校核，主要失效形式为弹力衰减和疲劳断裂)；b 利用P r o E 软件对离合器的各零件进行参数化建模；c 利用P r o E 的二次开发技术实现基于三维模型的参数化程序设计；d 对各零件进行组装；e 生成零件的工程图。2 性能分析部分主要内容：a 膜片弹簧的载荷一变形特性分析离合器处于接合状态时膜片弹簧被压紧到趋近于压平的预加压缩状态，从而将从动盘摩擦片压紧在飞轮与压盘之间。在离合器的工作过程中膜片弹簧的形状发生了很大的改变，因此需要进行有限元非线性分析，确定膜片弹簧压紧力与大端变形量之间的曲线关系。b 压盘的特性分析摩擦离合器在开始接合时由于主动与从动摩擦元件的转速不相等而产生相对滑磨，通过滑磨使两者转速逐渐趋于相等。这就使得压盘与从动盘摩擦片之间由于滑磨而产生大量的热量，使压盘的温度升高，从而使压盘产生翘曲变形，影响摩擦片的均匀压紧与离合器的彻底分离，为此需要确定起步过程中压盘的热变形量。c 离合器盖的刚度分析离合器盖应保证具有足够的刚度，这是由于盖的变形会直接影响离合器的载荷特性和分离特性。离合器的分离行程是设计时给定的，盖的变形使得有效分离行程变小，造成离合器的压盘行程过小甚至会产生分离不彻底的现象。为此需要计算盖在受膜片弹簧反力作用下的变形与应力，评估其刚度与强度。一8。东北大学硕士学位论文第2 章参数化设计工具简介第2 章参数化设计工具简介参数化设计是指通过修改尺寸而实现对图纸修改的设计方法。在参数化设计的过程中，用户无需进行干预，由C A D 系统对整个图形的约束集进行分析和求解。生产中最常用的系列化标准件就是属于参数化设计。参数化设计一般用于设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动等。2 1P r o E 软件简介P r o E N G I N E E R(简称P r o E)是美国P T C 公司于1 9 8 8 年推出的参数化建模软件，历经十几年的发展和完善，已经有了2 0 多个升级版本，并且功能也延伸到C A M 及C A E领域。P r o E 软件自问世以来，现已成为世界上最普及的三维C A D C A M 系统的标准软件，被广泛应用于航空航天、机械、电子、汽车、家电、玩具等各行各业中。P r o E N G I N E E R功能强大，囊括了零件设计、产品组立、模具开发、N C 加工、钣金件设计，铸造件设计、造型设计、自动测量、机构仿真设计、应力分析、数据库管理、电缆布线以及印刷线路板设计等多种功能。它的出现改变了传统的C A D C A M 作业方式，参数化设计及全关联性数据库使产品的设计变得更加容易，大大缩短了用户开发的时间。P r o E N G I N E E RW i l d f i r e(野火版)是美国P T C 公司于2 0 0 3 年4 月1 1 日正式宣布推出的第四代C A D 产品。这是一个突破性版本，P r o E N G I N E E R 野火版完全建立在实用的基础上，以加强功能、提高效率为目标对软件进行了大幅改进，极大地提高了工作效率，带来了更高的实用性。2 1 1P r o E 的常用功能1 P r o 厄的基本模块功能：包括参数化的实体造型以及曲面和曲线的设计、零件组装、产生工程图和二维图形绘制、生成图纸明细表以及W e b 超文本链接。2 P r o A S S E M B L Y 模块功能：大型组件的装配和管理。3 P r o S U I u A C E 模块功能：复杂零件的曲面设计。4 P r c，M O L D E S I G N 模块功能：整体模具的结构设计。5 P r o H E E T M E T A L 模块功能：钣金件的设计。-9-东北大学硕士学位论文第2 章参数化设计工具简介6 p r 0 M A M f：A C l r L 瓜I N G 模块功能：制造用软件，同时还可以对加工过程进行规划和成本评估。2 1 2P r o E 的使用特性1 参数化设计每一个设计意图都可以用参数来描述，可以为所设计的特征设置参数，并且可以对不满意的参数进行修改，方便设计。2 全相关性P r o E 所有的模块都有相关性，对某一特征进行修改，相关的特征也会由于存在的“父子”关系而随之修改。并且此修改会扩展到整个设计中，自动地更改所有相关图档，包括装配档、工程图纸、加工图档，以保证设计结果的正确性。3 单一数据库P r o E 有一个统一的数据库，设计流程中的所有资料都统一存储在统一的数据库中，确保数据