Programa de diseño de optimización del embrague basado en Matlab

Optimización del rendimiento del resorte de disco accionado por embrague de automóvil y desarrollo de sistemas CAD

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Fuente: Sociedad China de Ingeniería Automotriz Autores: Shao Ningping, Huang Xina, Shao Ningping, Huang Xina, Wu Yongli, Long Fengming Palabras clave: embrague CAD

Los resortes de disco tienen; Tamaño axial pequeño, gran capacidad de carga y rigidez variable. Debido a sus características no lineales, se usa ampliamente en equipos importados, especialmente en los últimos años, al introducir embragues principales de vehículos, los resortes de disco se utilizan cada vez más para lograr la separación y combinación de potencia. Por lo tanto, los pros y los contras del diseño del resorte de disco afectan directamente el rendimiento general del vehículo.

Con este fin, este artículo explora las características operativas, el diseño óptimo y los métodos CAD de los resortes de disco. Al mismo tiempo, se desarrolló un software práctico de optimización de resortes de disco y se realizó un diseño CAD basado en los resultados de la optimización. Se dibujaron curvas características de carga y deformación, curvas de tensión y deformación de varios resortes de disco, así como diagramas esquemáticos de funcionamiento. piezas de resorte de disco. Para comodidad de los usuarios, el software utiliza una combinación de idiomas chino y occidental y diseña un menú de interfaz de color de dos niveles, formando así un sistema de software CAD y optimización del resorte del disco. Esto es de gran importancia para el diseño integrado de resortes de disco y la introducción de embragues localizados en automóviles.

Características de deformación de los resortes de disco

La figura 1 es la curva característica de deformación de los resortes de disco. El punto b es el punto de trabajo donde el disco de fricción del embrague se acopla sin desgaste. Este punto debe garantizar que el resorte del disco tenga suficiente fuerza de compresión y un coeficiente de reserva adecuado. El punto p es el punto de trabajo donde se aplana el resorte de disco, por lo que se debe seleccionar el punto b entre los SP de la curva. Cuando la placa de fricción se desgasta Δλ, el punto de trabajo del resorte del disco se mueve de b a a. En este momento, la fuerza de presión Pa debe estar cerca de Pb para garantizar que el coeficiente de reserva del embrague permanezca básicamente sin cambios. d es el punto de trabajo del resorte del disco después de que el embrague se separa por completo. Para garantizar que la fuerza del pedal sea pequeña durante la operación, el punto de separación d debe estar cerca del punto de carga mínima c.

Fórmulas de cálculo relevantes para las características de los resortes de disco

La relación entre la carga P y la deformación λ y las fórmulas simultáneas de las características de los resortes de disco se muestran en la siguiente tabla. La relación entre la carga P y la deformación λ y la tensión máxima que aparece en el borde superior de la circunferencia interior del resorte de disco es

(1)

(2)

Fig. 1

Entre ellos

E--el módulo de elasticidad del material;

μ--la relación de Poisson del material <; /p>

H- -La altura interior del cono truncado de la parte del resorte del disco;

h--el espesor del resorte del disco;

Re--el radio exterior del resorte de disco;

Ri--el radio interior de la parte del resorte de disco;

Re1--el radio de contacto entre el resorte de disco y la placa de presión;

Ri1: el radio promedio del anillo de soporte;

Rf: el radio de acción del cojinete de liberación;

β2: el coeficiente de ancho de la raíz del soltar la garra.

El resorte de disco debe garantizar que el par máximo del motor pueda transmitirse de manera confiable cuando el embrague está acoplado, entonces su carga de trabajo es

Pb = βMemax/(fRcZc) (3 )

Fórmula. β - coeficiente de reserva del embrague;

Memax - par máximo de salida del motor;

f - coeficiente de fricción;

Rc - radio medio de la placa de fricción;

Zc: el número total de superficies de trabajo de la placa de fricción.

Figura 2

Modelo matemático y método de optimización del resorte de disco

3.1 Variables de diseño y función objetivo

Estructura interna del resorte de disco La altura del cono H y el espesor h, así como el radio interior Ri de la parte del resorte de disco, tienen un impacto significativo en su rendimiento de trabajo. Además, las deformaciones λD y λb del punto de separación y el punto de compresión también son los principales factores que afectan el rendimiento. Por lo tanto, teniendo en cuenta los parámetros estructurales y los parámetros operativos, las variables de diseño se determinan como H, h, Ri, λb y. λf, es decir, X = [x1, x2, x3, x4, x5] = [H, h, Ri, λb y λf].

En el caso de los embragues de vehículos, el acoplamiento y desacoplamiento frecuentes provocarán el desgaste de la placa de fricción, lo que provocará una caída de presión y un par de transmisión inestable. Para garantizar el coeficiente de reserva del embrague y su confiabilidad operativa, se utiliza como función objetivo el cambio en la carga de trabajo del resorte del disco (|Pa-Pb|) antes y después del desgaste de la placa de fricción. Otra característica importante del embrague es que es fácil de operar, por lo que la fuerza del pedal durante la separación no debe ser demasiado grande. La fuerza de separación del resorte del disco también se utiliza como función objetivo

Fórmula:

Δs: el valor de cada placa de fricción Cantidad máxima de desgaste permitida;

λD=λb+λf

δ1, δ2: coeficiente de ponderación.

3.2 Restricciones

(1) La alta relación de espesor H/h del resorte de disco tiene el mayor impacto en sus características. La rigidez negativa solo se producirá si se controla dentro de un cierto. rango. Por lo tanto

Por lo tanto

(2) La presión requerida para la vida útil de la placa de fricción no puede ser demasiado alta y debe ser menor que la tensión permitida [q]

(3) Bajo carga La deformación del resorte de disco bajo la acción de Pb debe cumplir con λs<λb<λp, λp=H, y λs es la deformación del resorte de disco bajo la carga máxima. De la fórmula (1), podemos ver que

(4) Cuando el embrague está completamente desacoplado, el punto de funcionamiento d del resorte del disco debe estar cerca del punto c, es decir, λd-λc

(5) Requisitos para la resistencia de los resortes de disco

Aquí la condición de resistencia se trata como un problema difuso, se introduce el coeficiente de expansión β (β=1,05-1,30) y el problema difuso La condición de resistencia se calcula como: σmax (λD) < β[σ]-80(λD)-80(λD)< λb< λp=H β[σ]-80λ*, λ* es la línea divisoria horizontal óptima.

g7(X)=β[σ]-80λ?σmax(λD)>0

(6) Estructura del resorte de disco y requisitos de proceso

1.2

0.15

g8(X)=Re/x3-1.2>0

g9(X)=1.8-Re/x3>0 ;

g10(X)=x1/(Re-x3)-0.15>0

g11(X)=0.28-x1/(Re-x3)>0

( 7) Límite de deformación del resorte de disco

1.8<λb<13 1.0<λf<11

g12(X)=x4-1.8>0

g13( X)=13-x4>0

g14(X)=x5-1.0>0

g15(X)=11-x5>0

( 8) Requisitos de condición de frontera

tgα=H/(Re-Ri);5° <α<11° 5

g16(X)~g23(X)

(9) La carga de trabajo del resorte del disco cumple con los requisitos del embrague

P(λb)=Pb

h1(X)=Pb-P(x4)= 0

3.3 Método de optimización

En resumen, el modelo matemático de optimización no lineal de 5 dimensiones que consta de 23 restricciones de desigualdad, 1 restricción de ecuación y 2 funciones objetivo es

(5)

Aquí, el método de función de penalización híbrida se utiliza para la optimización y su expresión es:

Complete el software de optimización mediante el método anterior y se podrán obtener los resultados. después del cálculo.

Resorte de disco CAD

A través de la optimización anterior, se pueden obtener H, h, Ri, λb y λf del resorte de disco, de modo que todos los parámetros estructurales y de rendimiento puedan ser calculado, y al cambiar la relación de sus diámetros interior y exterior, se pueden obtener resortes de disco de diferentes especificaciones, formando una solución de diseño integral. Sobre esta base, se pueden dibujar la curva característica de funcionamiento, la curva de deformación por tensión y el diagrama de funcionamiento parcial del resorte de disco, y los resultados de la optimización se pueden generar en forma de dibujos y datos. Además, el software CAD también diseña un menú de interfaz de usuario secundario con visualización de caracteres tridimensionales para la selección del usuario.

El software del programa CAD mencionado anteriormente está escrito en lenguaje Turbo C y se ejecuta en el entorno de desarrollo integrado Turbo C 2.0, completando así el proceso desde el programa fuente, modificando los datos originales, ejecutando el programa de optimización, verificando los resultados, hasta dibujar curvas características y piezas. dibujos. Todo el proceso forma un sistema de optimización y software CAD.

Ejemplo de análisis y discusión

Los parámetros del embrague y el resorte de disco de un determinado automóvil son: N=14,7kW; n=2000r/min β=1,7; = 2; Δs = 1,0 mm; e = 0,2, µ = 0,3; [q] = 7 MPa; Los resultados obtenidos mediante optimización y análisis CAD se muestran en la Tabla 1 y las Figuras 3 a 5.

Figura 3 Diagrama carga-deformación del resorte de disco

Se puede observar que cuando el embrague transmite el mismo par, las dimensiones estructurales optimizadas del resorte de disco son básicamente las mismas, y no no varía con m=Re/Ri cambia con el cambio de m, pero la presión, la deformación, la tensión y el diámetro exterior del resorte de disco cambian con m. Cuando m aumenta, las presiones Pb y Pa también aumentan, mientras que los diámetros exteriores De = 2Re y Ri del resorte de disco se vuelven más pequeños. Esto se debe a la disminución del diámetro exterior. Sólo cuando Ri disminuye puede haber suficiente área de fricción. Para cumplir con los requisitos de la misma transmisión de par, por supuesto, la presión también debe aumentar. Es decir, cuando el valor del tamaño estructural es grande, es apropiado elegir un m pequeño. Es mejor elegir un m grande, de modo que el cambio de presión ΔP del resorte de disco sea pequeño, la fuerza de separación también sea pequeña, como se muestra en la Tabla 1 para los dos resultados de optimización de m = 1,2 y 1,4. Cuando m=1,7, el cambio de presión del resorte de disco alcanza el 23,92%, lo cual no es ideal, por lo que se recomienda que el valor de m esté entre 1,2 y 1,6. Por lo tanto, el principio de selección de resortes de disco es el siguiente: para embragues de automóviles de alta potencia con dimensiones estructurales más grandes, se deben seleccionar resortes de disco con valores m más pequeños para embragues de baja potencia con dimensiones estructurales más pequeñas, resortes de disco con m más grandes; Se deben seleccionar valores con forma de resorte.

Fig. 4 Diagrama de deformación por tensión del resorte del disco

Fig. 5 Esquema de funcionamiento de las piezas del resorte del disco.