经济型轿车离合器设计课程设计报告.doc

28燕山大学课程设计报告燕山大学 课程设计报告 题目： 经济型轿车离合器设计 摘要 轿车是现代生活生产中不可替代的动力机械，汽车离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上。在汽车行驶过程中，驾驶员可以根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离或者逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。 根据传递动力的方式，离合器分为摩擦式和液力式两种,目前摩擦式应用比较广泛。摩擦式离合器，根据从动盘的数目，可分为单片式、双片式和多片式3种；根据其作用原理，还有单作用式和双作用式之分。 单片离合器和双片离合器的优缺点对比：单片摩擦离合器具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点；而双片和多片式离合器接合虽较平顺，但分离不彻底、从动部分转动惯量大、中间压盘散热不良，结构复杂、成本高。故双片离合器一般只应用在径向尺寸受限或采用单片时摩擦转矩不够的场合。 膜片弹簧离合器是近年来在轿车上广泛采用的一种离合器，它的转矩容量大而且比较稳定，操纵轻便，平衡性好，也能大量生产，对于它的研究已经变得越来越重要。此设计说明书详细的说明了轻型汽车膜片弹簧离合器的结构形式，参数选择以及计算过程。 本文主要是对轿车的膜片弹簧离合器进行设计。根据车辆使用条件和车辆参数，按照离合器系统的设计步骤和要求，主要进行了一下工作：选择相关设计参数主要为：摩擦片外径的确定，离合器后备系数的确定，单位压力的确定。并进行了总成设计，主要为：分离装置的设计，以及从动盘设计（从动盘毂的设计）和圆柱螺旋弹簧的设计等。关键词：离合器，膜片弹簧，从动盘，压盘，摩擦 目录1、离合器设计的目的和离合器的概述51.1离合器设计的基本要求51.2技术参数及论文要求 61.4膜片弹簧离合器的优点71.5膜片弹簧离合器的工作原理 82、离合器摩擦片参数的确定 92.1 摩擦片参数的选择92.2 离合器基本参数的校核113、膜片弹簧的设计133.1膜片弹簧基本参数的选择133.2膜片弹簧的优化144、扭转减振器的设计 174.1扭转减振器的主要参数174.2减震弹簧的计算 195、离合器其他主要部件结构设计225.1从动盘毂的设计225.2从动片的设计 235.3离合器盖的结构设计要求245.4压盘的设计246、设计小结267、参考文献271、离合器设计的目的和离合器的概述 了解轿车离合器的构造，掌握轿车离合器的工作原理。了解从动盘总成的结构，掌握从动盘总成的设计方法，了解压盘和膜片弹簧的结构，掌握压盘和膜片弹簧的设计方法，通过对以上几方面的了解，从而熟悉轿车离合器的工作原理。学会如何查找文献资料、相关书籍，培养学生动手设计项目、自学的能力，掌握单独设计课题和项目的方法，设计出满足整车要求并符合相关标准、具有良好的制造工艺性且结构简单、便于维护的轿车离合器，为以后从事汽车方面的工作或工作中设计其它项目奠定良好的基础。通过这次课程设计，使学生充分地认识到设计一个工程项目所需经历的步骤，以及身为一个工程技术人员所需具备的素质和所应当完成的工作，为即将进入社会提供了一个良好的学习机会，对于由学生向工程技术人员转变有着重大的实际意义。离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动部分与发动机飞轮相连，从动部分与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器，实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机与传动系平顺的接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮间的冲击；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，以防止传动系个零部件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪音。1.1离合器设计的基本要求 （1）在任何行驶条件下，既能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备，又能防止过载。 （2）接合时要完全、平顺、柔和，保证起初起步时没有抖动和冲击。 （3）分离时要迅速、彻底。 （4）从动部分转动惯量要小，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换档和减小同步器的磨损。 （5）应有足够的吸热能力和良好的通风效果，以保证工作温度不致过高，延长寿命。 （6）操纵方便、准确，以减少驾驶员的疲劳。 （7）具有足够的强度和良好的动平衡，一保证其工作可靠、使用寿命长。1.2技术参数及论文要求捷达（参数）数值整车质量（）g最大扭矩转速（n.m/rpm）132/5500主减速比3.941一档速比3.455滚半径（mm）300本次课程设计的基本内容有：根据所给的车型及整车技术参数,选择合适离合器的结构类型,设计计算确定其相关参数与尺寸;1、绘制离合器总成工程图纸一份（a1）;3、绘制典型零件工程图纸三份(a3）；1.3膜片弹簧离合器结构（1）膜片弹簧离合总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等部分组成。（2）离合器盖 离合器盖一般为120或90旋转对称的板壳冲压结构，通过螺栓与飞轮联结在一起。离合器盖是离合器中结构形状比较复杂的承载构件，压紧弹簧的压紧力最终都要由它来承受。（3）膜片弹簧 膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周表面上开有许多均布的长径向槽，在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔，可以穿过支承铆钉，这部分称之为分离指；从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其截面为截圆锥形，称之为碟簧部分。（4）压盘 压盘的结构一般是环形盘状铸件，离合器通过压盘与发动机紧密相连。压盘靠近外圆周处有断续的环状支承凸台，最外缘均布有三个或四个传力凸耳。（5）传动片 离合器接合时，飞轮驱动离合器盖带动压盘一起转动，并通过压盘与从动盘摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动；在离合器分离时，压盘相对于离合器盖作自由轴向移动，使从动盘松开。这些动作均由传动片完成。传动片的两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联接，一般采用周向布置。在离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转；在离合器分离时，可利用它的弹性恢复力来牵动压盘轴向分离并使操纵力减小。（6）分离轴承总成 分离轴承总成由分离轴承、分离套筒等组成。分离轴承在工作时主要承受轴向分离力，同时还承受在高速旋转时离心力作用下的径向力。1.4膜片弹簧离合器的优点 膜片弹簧离合器与其他形式离合器相比，具有一系列优点：（1）膜片弹簧离合器具有较理想的非线性弹性特性；（2）膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，结构简单、紧凑，轴向尺寸小，零件数目少，质量小；（3）高速旋转时，弹簧压紧力降低很少，性能较稳定；（4）膜片弹簧以整个圆周与压盘接触，使压力分布均匀，摩擦片接触良好，磨损均匀； ( 5)易于实现良好的通风散热，使用寿命长； ( 6)膜片弹簧中心与离合器中心线重合，平衡性好1.5膜片弹簧离合器的工作原理 由图可知，离合器盖与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧被预加压紧，离合器处于接合位置时，由于膜片弹簧大端对压盘的压紧力，使得压盘与从动摩擦片之间产生摩擦力。当离合器盖总成随飞轮转动时(构成离合器主动部分)，就通过摩擦片上的摩擦转矩带动从动盘总成和变速器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。 离合器总成爆炸图2、离合器摩擦片参数的确定2.1 摩擦片参数的选择2.1.1 初选摩擦片的外径d、内径d、厚度b 摩擦片外径是离合器基本尺寸，它关系到离合器的结构重量和寿命，它和离合器所需传递转矩大小有一定关系。 (2-1)式中，为发动机最大转矩，由选车型取tmax=132 nm 表3-1 直径系数的取值范围车 型直径系数乘用车14.6最大总质量为1.814.0t的商用车16.018.5(单片离合器)13.515.0(双片离合器)最大总质量大于14.0t的商用车22.524.0查表取kd=14.6，得d=167.74mm. 根据摩擦片标准系列尺寸，取外径d=225mm 内径d=150mm 厚度h=3.5mm 内径与外径比值c=0.667 1- c3=0.7032.1.2 后备系数 后备系数保证了离合器能可靠地传递发动机扭矩，同时它有助于减少汽车起步时的滑磨，提高了离合器的使用寿命。但为了离合器的尺寸不致过大，减少传递系的过载，使操纵轻便等，后备系数又不宜过大。由于所设计的离合器为膜片弹簧离合器，在使用过程中其摩擦片的磨损工作压力几乎不会变小（开始时还有些增加），再加上小轿车的后备功率比较大，使用条件较好，宜取较小值，故初取=1.3。2.1.3 离合器传递的最大静摩擦力矩tc根据后备系数和最大扭矩可得171.6 n.m (2-2)2.1.4 单位压力p0摩擦面上的单位压力p的值和离合器本身的工作条件,摩擦片的直径大小,后备系数,摩擦片材料及质量等有关。 离合器使用频繁,工作条件比较恶劣单位压力p较小为好。当摩擦片的外径较大时也要适当降低摩擦片摩擦面上的单位压力p。因为在其它条件不变的情况下，由于摩擦片外径的增加，摩擦片外缘的线速度大，滑磨时发热厉害，再加上因整个零件较大，零件的温度梯度也大，零件受热不均匀，为了避免这些不利因素，单位压力p应随摩擦片外径的增加而降低。选取时应考虑离合器的工作条件、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。 (2-3)式中，为摩擦因数取0.3；为单位压力（）；为摩擦面数取2；为摩擦片外径取225mm；为摩擦片内径取150mm；摩擦片材料选择石棉基材料，为单位压力0.15，为摩擦因数取0.3。 摩擦片的工作条件比较恶劣，为了保证它能长期稳定的工作，根据汽车的的使用条件，摩擦片的性能应满足以下几个方面的要求：应具有较稳定的摩擦系数，温度，单位压力和滑磨速度的变化对摩擦系数的影响小。要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好热稳定性要好，要求在高温时分离出的粘合剂较少，无味，不易烧焦磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面油水对摩擦性能的影响应最小结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象由以上的要求,目前车用离合器上广泛采用石棉塑料摩擦片，是由耐热和化学稳定性能比较好的石棉和粘合剂及其它辅助材料混合热压而成，其摩擦系数大约在0.3左右,在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦片。2.2 离合器基本参数的校核2.2.1 最大圆周速度式中， 为摩擦片最大圆周速度（m/s）；为发动机最高转速取5500；d为摩擦片外径径取225；故符合条件。2.2.2 单位摩擦面积传递的转矩=(n/) (2-4)式中，为离合器传递的最大静摩擦力矩140.4；当摩擦片外径d230mm时，=0.28 n/0.0039 n/，故符合要求2.2.3 单位压力为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，选取单位压力的最大范围为0.100.15mpa，由于已确定单位压力0.15mpa，在规定范围内，故满足要求2.2.4单位摩擦面积滑磨功为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨，防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤，离合器每一次结合的单位摩擦面积滑磨功w应小于其许用值w。汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(j)为：w = () = () = 11931(j) （2-5）式中，w为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(j)m 为汽车总质量取1120kg；rr 为轮胎滚动半径0.3m；i为汽车起步时所用变速器档位的传动比3.454；i为主减速器传动比3.941；n为发动机转速(r/min),乘用车n取2000 r/min;w = = = 0.27 （2-6）式中，w为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功取11931j满足w =2,则=r-2=94-10=84mm故取60mm.3.1.6 压盘加载点半径r1和支承环加载点半径r1的确定r1和r1需满足下列条件：故选择r1108mm， r194mm.3.2膜片弹簧的优化（1）为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的与初始锥角应在一定范围内，即（2）弹簧各部分有关尺寸的比值应符合一定的范围，即（3）为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，推式膜片弹簧的压盘加载点半径（或拉式膜片弹簧的压盘加载点半径）应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即拉式： （4）根据弹簧结构布置要求，与，与之差应在一定范围内选取，即（5）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，因此杠杆比应在一定范围内选取，即拉式： 由（4）和（5）得mm，mm。 3.2.1膜片弹簧材料制造膜片弹簧用的材料，应具有高的弹性极限和屈服极限，高的静力强度及疲劳强度，高的冲击强度，同时应具有足够大的塑性变形性能。按上述要求，国内常用的膜片弹簧材料为硅锰钢60si2mna或50crva。3.2.2 膜片弹簧的弹性特性曲线假设膜片弹簧在承载过程中，其子午线刚性地绕上地某中性点转动。设通过支承环和压盘加载膜片弹簧上地载荷p1(n)集中在支承点处，加载点间的相对轴向变形为x1(mm),则膜片弹簧的弹性特性如下式表示： （3-1）式中，e弹性模量，钢材料取e=2.06mpa； b泊松比，钢材料取b=0.3； r自由状态下碟簧部分大端半径，mm； r自由状态下碟簧部分小端半径，mm； r1压盘加载点半径，mm； r1支承环加载点半径，mm； h自由状态下碟簧部分内截锥高度，mm； h膜片弹簧钢板厚度，mm。图形如下： 图4.1弹性特性曲线 膜片弹簧的相关参数如表3表3截锥高度h板厚h分离指数n圆底锥角4mm2.5mm1812四、扭转减振器的设计4.1 扭转减振器主要参数带扭转减振器的的从动盘结构简图如下图4.1所示弹簧摩擦式:图4.2带扭转减振器的从动盘总成结构示意图1从动盘；2减振弹簧；3碟形弹簧垫圈；4紧固螺钉；5从动盘毂；6减振摩擦片7减振盘；8限位销由于现今离合器的扭转减振器的设计大多采用以往经验和实验方法通过不断筛选获得,且越来越趋向采用单级的减振器。极限转矩受限于减振弹簧的许用应力等因素，与发动机最大转矩有关，一般可取，tj=(1.52.0) 对于乘用车，系数取2.0。则tj=2.02.0132264（nm）4.1.1 扭转刚度k由经验公式初选k tj即ktj132643432（nm/rad）4.1.2 阻尼摩擦转矩t可按公式初选tt（0.060.17）取t=0.1 =0.1132=13.2 (nm)4.1.3 预紧转矩tn减振弹簧在安装时都有一定的预紧。tn满足以下关系：tn（0.050.15）且tnt13.2 nm而tn（0.050.15）6.619.8 nm则初选tn10nm4.1.4减振弹簧的位置半径r0r0的尺寸应尽可能大些，一般取r0=(0.600.75)d/2则取r0=0.70d/2=0.70150/2=53(mm),可取为53mm.4.1.5 减振弹簧个数zj当摩擦片外径d250mm时，zj=46故取zj=64.1.6 减振弹簧总压力f当减振弹簧传递的转矩达到最大值tj时，减振弹簧受到的压力f为ftj/r0264/(53)4.9811(kn)4.2 减振弹簧的计算在初步选定减振器的主要参数以后，即可根据布置上的可能来确定和减振器设计相关的尺寸。4.2.1 减振弹簧的分布半径r1r1的尺寸应尽可能大些，一般取r1=(0.600.75)d/2式中，d为离合器摩擦片内径故r1=0.70d/2=0.70150/2=52.5(mm)，即为减振器基本参数中的r04.2.2单个减振器的工作压力pp= f/z=4981.1/6830.2(n)4.2.3 减振弹簧尺寸1）弹簧中径dc其一般由布置结构来决定，通常dc=1115mm故取dc=12mm2）弹簧钢丝直径dd=3.52mm式中，扭转许用应力可取550600mpa,故取为580mpad取3.5 mm3）减振弹簧刚度k应根据已选定的减振器扭转刚度值k及其布置尺寸r1确定，即k=4）减振弹簧有效圈数5）减振弹簧总圈数n其一般在6圈左右，与有效圈数之间的关系为n=+(1.52)=6减振弹簧最小高度=23.1mm弹簧总变形量减振弹簧总变形量=23.1+4.00=27.10mm减振弹簧预变形量=0.200mm减振弹簧安装工作高度=27.10-0.200=26.90mm6）从动片相对从动盘毂的最大转角最大转角和减振弹簧的工作变形量有关，其值为=4.10627）限位销与从动盘毂缺口侧边的间隙式中，为限位销的安装尺寸。值一般为2.54mm。所以可取为4mm, 为56mm.8）限位销直径按结构布置选定，一般9.512mm。可取为10mm极限转矩tj阻尼摩擦转矩t预紧转矩tn减振弹簧的位置半径r0减振弹簧个数zj264 nm13.2 nm10 nm53mm6 扭转减振器相关参数表45、离合器其它主要部件的结构设计5.1从动盘毂的设计从动盘毂是离合器中承受载荷最大的零件，它几乎承受由发动机传来的全部转矩。它一般采用齿侧对中的矩形花键安装在变速器的第一轴上，花键的迟钝可根据摩擦片的外径d与发动机的最大t 表 离合器从动盘毂花键尺寸系列摩擦片外径d/mm发动机的最大转矩temax/nm花键尺寸挤压应力c/mpa齿数n外径d/mm内径d/mm齿厚b/mm有效齿长l/mm160491023183209.81806910262132011.620010810292342511.122514710322643011.325019610352843510.228027510352844012.530030410403254010.532537310403254511.435047110403255013.0 根据摩擦片的外径d=225mm与发动机的最大转矩temax=132 nm，由表4-1查得n=10，d=32mm，d=26mm，b=4mm，l=30mm，=11.3mpa，则由公式校核得：=11.3mpaj=12.5mpa。所以，所选花键尺寸能满足使用要求。5.2从动片的设计从动盘对离合器工作性能影响很大，设计时应满足如下要求：1)从动盘的转动惯量应尽可能小，以减小变速器换挡时轮齿间的冲击。2) 从动盘应具有轴向弹性，使离合器结合平顺，便于起步，而且使摩擦面压力均匀，以减小磨损。3)应安装扭转减振器，以避免传动系共振，并缓和冲击。本次设计初选从动片厚度为2mm5.3离合器盖结构设计的要求： 1)应具有足够的刚度，否则影响离合器的工作特性，增大操纵时的分离行程，减小压盘升程，严重时使摩擦面不能彻底分离。2)应与飞轮保持良好的对中，以免影响总成的平衡和正常的工作。3)盖的膜片弹簧支承处应具有高的尺寸精度。4)为了便于通风散热，防止摩擦表面温度过高，可在离合器盖上开较大的通风窗孔，或在盖上加设通风扇片等。乘用车离合器盖一般用08、10钢等低碳钢板。本次设计初选08钢板厚度为3mm5.4压盘的设计对压盘结构设计的要求:1)压盘应具有较大的质量,以增大热容量，减小温，防止其产生裂纹和破碎，有时可设置各种形状的散热筋或鼓风筋，以帮助散热通风。中间压盘可铸出通风槽，也可以采用传热系数较大的铝合金压盘。2)压盘应具有较大刚度，使压紧力在摩擦面上的压力分布均匀并减小受热后的翘曲变形，以免影响摩擦片的均匀压紧及与离合器的彻底分离，厚度约为1525 mm 。3)与飞轮应保持良好的对中，并要进行静平衡，压盘单件的平衡精度应不低于1520 gcm 。4)压盘高度(从承压点到摩擦面的距离)公差要小。压盘形状较复杂，要求传热性好，具有较高的摩擦因数，通常采用灰铸铁，一般采用ht200、ht250、ht300，硬度为170227hbs。5)压盘的结构设计与选择t = (5-1)m