基于matlab/simulink的离合器仿真与优化
基于matlab/simulink的离合器仿真与优化
一、离合器概述
对于以内燃机为动力的汽车，离合器在机械传动系中是作为一个独立的总成而存在的，它是汽车传动系中直接与发动机相连的总成。目前，各种汽车广泛采用的摩擦离合器是一种依靠主从动部分之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。它主要包括主动部分、从动部分、压紧机构、和操纵机构等四部分。
离合器的功用主要的功用是切断和实现发动机对传动系的动力传递，保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合，确保汽车平稳起步；在换档时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮之间的冲击；在工作中受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，以防止传动系各零件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪声。
二、离合器基本参数
图2 膜片弹簧结构主要参数
R－自由状态下碟簧部分大端半径（mm）
H－自由状态下碟簧部分的内锥截高度（mm）
R1、r1－分别为压盘加载点和支撑环加载点半径（mm）
图1 膜片弹簧示意图
分离指
碟簧
通过前期对离合器的设计，有如下基本参数：(单位：mm)
表1 离合器的基本参数
H
h
R
r
R1
r1
rf
ro
D
d
5.9
2.99
146.1
117.1
143.8
116.4
40.3
39
300
175
三、膜片弹簧的弹性特性
（1-1）
（1-2）
（1-3）
四、膜片弹簧的弹性特性仿真
本文通过MATLAB/SIMULINK软件，建立模型，对膜片弹簧的特性进行仿真，模型结构如下图：
图3 膜片弹簧弹性特性的SIMULINK仿真结构
通过分别对R、H、h的值进行改变，得出其的变化对膜片弹簧的特性影响
（1）
，步长为1时所得的弹性特性曲线如下图：
图4 对于不同的R膜片弹簧的弹性特性曲线
（2）
，步长为0.1时所得的弹性特性曲线如下图：
图5 对于不同的H膜片弹簧的弹性特性曲线
（3）
，步长为0.1时所得的弹性特性曲线如下图：
图6 对于不同的h膜片弹簧的弹性特性曲线
五、膜片弹簧的优化设计
膜片弹簧的优化设计就是要确定一组弹簧的基本参数，使其弹性特性满足离合器的使用性能
要求
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，而且弹簧的强度也满足设计要求，以达到最佳的综合效果。
六、设计变量
膜片弹簧主要结构尺寸参数共有六个，即H、h、R、r、R1、r1。另外从膜片弹簧弹性曲线图可以看出，新摩擦片的工作点a变形量
的大小对于整个弹性曲线横向位置影响也较大，所以也应该作为设计变量。综合考虑后，确定膜片弹簧优化设计变量为：
约束方程组：
s.t.
通过编程计算，可以得出不同加权因子优化结果：
表2 膜片弹簧不同加权因子优化结果对照
优化状态
加权因子
H
h
R
r
R1
r1
λa
优化前
初值
5.900
2.990
146.100
117.100
143.800
116.400
4.800
优化1
fac=0.3
6.129
2.885
144.264
115.000
143.264
118.779
4.000
优化2
fac=0.5
5.683
2.843
142.135
115.000
141.135
116.266
4.163
优化3
fac=0.8
5.647
2.839
141.964
115.000
140.964
115.972
4.189
七、优化后膜片弹簧特性曲线的
分析
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运行主函数可以得到优化前后膜片弹簧弹性特性曲线。接下来分别对目标函数加权因子fac=0.3,0.5,0.8进行分析。（蓝线为优化前，点线为优化后）
图7 优化前后膜片弹簧弹性特性曲线（目标函数加权因子fac=0.3）
由图7可以看书，再磨损极限内，尽管优化后弹性特性曲线压紧力有小幅度的增加，但压紧力较优化前有波动加大的趋势，一定程度上降低了压紧力的稳定性；其次，虽然分离行程也有一定程度的减小，但最终的分离力却有所增加。因此，当目标函数加权因子fac=0.3时，膜片弹簧的优化结果不够理想。
图8 优化前后膜片弹簧弹性特性曲线（目标函数加权因子fac=0.5）
由图8可以看出，优化前后膜片弹簧弹性特性曲线总体形态基本一致，都具有良好的负刚度特性，但在细节上，优化后弹性特性曲线虽然在磨损极限内压紧力有小幅度的减小，但压紧力在磨损极限内却较优化前增加了平坦的趋势，一定程度上提高了压紧力的稳定性；其次分离行程也有一定程度的减小，但最终的分离力没有太大的变化。因此，目标函数加权因子fac=0.5时，优化结果比较理想。
图9 优化前后膜片弹簧弹性特性曲线（目标函数加权因子fac=0.8）
由图9对比与图8，优化前后膜片弹簧弹性特性曲线总体形态图7的较图6更为理想，都具有良好的负刚度特性，细节上，优化后弹性特性曲线虽然在磨损极限内压紧力较图6的幅度的减小的更多，但压紧力在磨损极限内却较优化前增加了平坦的趋势，一定程度上提高了压紧力的稳定性；其次分离行程也有一定程度的减小，但最终的分离力没有太大的变化。因此，目标函数加权因子fac=0.8时，优化结果更为理想些。
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