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2019年4月5日2时50分,第三章,离合器设计,2019年4月5日2时50分,第三章 离合器设计,本章主要学习： （1）离合器设计的基本要求； （2）各种形式离合器的特点及应用； （3）离合器基本参数的选择； （4）蝶形弹簧主要参数的选择； （5）离合器的操纵。,2019年4月5日2时50分,第三章 离合器设计,第一节 概述 第二节 离合器接合过程 第三节 离合器的结构选择 第四节 离合器主要参数的选择 第五节 离合器压缩弹簧的设计 第六节 离合器的操纵机构,2019年4月5日2时50分,第一节 概述,离合器的主要功能是切断和实现对传动系的动力传递。主要作用： (1)车辆起步时将发动机与传动系平顺地接合，确保车辆平稳起步； (2)在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换挡齿轮之间的冲击； (3)限制传动系所承受的最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏； (4)有效地降低传动系中的振动和噪声。,2019年4月5日2时50分,摩擦离合器主要组成,摩擦离合器主要由主动部分（发动机飞轮、离合器盖和压盘等）、从动部分（从动盘）、压紧机构（压紧弹簧）和操纵机构（分离叉、分离轴承、离合器踏板及传动部件等）四部分组成。 主、从动部分和压紧机构是保证离合器处于接合状态并能传递动力的基本结构。操纵机构是使离合器主、从动部分分离的装置。,2019年4月5日2时50分,2、从动部分,从动盘本体,从动盘毂,减振器盘,压盘,飞轮,摩擦片,从动部分是由单片、双片或多片从动盘所组成，它将主动部分通过摩擦传来的动力传给变速器的输入轴。,从动盘由从动盘本体，摩擦片和从动盘毂三个基本部分组成。为了避免转动方向的共振，缓和传动系受到的冲 击载荷，大多数汽 车都在离合器的从 动盘上附装有扭转减震器。,2019年4月5日2时50分,2019年4月5日2时50分,离合器设计的基本要求,1）在任何行驶条件下，能可靠地传递发动机的最大转矩，且具有一定的能力储备 。 2）接合时平顺柔和，保证车辆起步时没有抖动和冲击。 3）分离时要迅速、彻底。 4）从动部分转动惯量小，减轻换挡时变速器齿轮间的冲击。 5）有良好的吸热能力和通风散热效果，保证离合器的使用寿命。 6）避免传动系产生扭转共振，具有吸收振动、缓和冲击的能力。 7）操纵轻便、准确。 8）作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，保证有稳定的工作性能。 9）应有足够的强度和良好的动平衡。 10）结构应简单、紧凑，制造工艺性好，维修、调整方便等。,2019年4月5日2时50分,第二节 离合器的接合过程,一、工作原理 摩擦式 正压力差速摩擦力tc从动 主从件具有相对转速，压紧力作用下，主从件之间产生摩擦力，对回转中心产生的力矩使主从件转速发生变化，转速高的转速下降，转速低的转速上升，当主从件转速相同时，接合完毕。,离合器摩擦力,2019年4月5日2时50分,二、接合过程,主离合器接合过程的力学模型,假设：在滑磨接合过程中，离合器摩擦转矩始终都等于最大值 ；,发动机发出的转矩,和外界阻力矩,均保持常数为,。,2019年4月5日2时50分,换算到离合器主动盘上的发动机转动惯量（,）；,换算到离合器从动盘上的机械转动惯量（,）；,主动盘的角减速度（,）；,从动盘的角加速度（,）。,2019年4月5日2时50分,计算je时可按下式计算： je=1.2jf 式中 jf 发动机飞轮的转动惯量（kgm2）。 计算jn时，仅把jn看成是机械平移质量换算到离合器从动轴上的转动惯量。根据动能相等的原理进行换算， 而 可得： 式中 整机质量（kg）； 车轮动力半径或驱动链轮节圆半径（m）； 传动系总传动比。,2019年4月5日2时50分,离合器在机械起步时的接合过程,mn：由滚阻和上坡阻力引起,m：可变，随的增大而增大， ：0 max， 则m：0 tcmax 第一阶段：0t1， m：0t mmn，车不动，n0 相对转速 hene,第二阶段：t1t2，mmn，e ，n ， 相对转速：hen 第三阶段：t2： en， 相对转速：h0，接合后，变为静摩擦。,2019年4月5日2时50分,第三节 离合器的结构选择,汽车离合器多采用盘形摩擦离合器。,按其从动 盘的数目,单片 双片 多片,根据压紧弹簧 布置形式,圆周布置 中央布置 斜向布置等,根据使用的 压紧弹簧形式,圆柱螺旋弹簧 圆锥螺旋弹簧 蝶形弹簧离合器,根据分离时所受 作用力的方向,拉式 推式,2019年4月5日2时50分,1从动盘数的选择,单片离合器结构简单，尺寸紧凑，散热良好，维修调整方便，从动部分转动惯量小，在使用时能保证分离彻底、接合平顺。,双片离合器传递转矩的能力较大，径向尺寸较小，踏板力较小，接合较为平顺。但中间压盘通风散热不良，分离也不够彻底。,单片离合器,双片离合器,多片离合器主要用于行星齿轮变速器换挡机构中。它具有接合平顺柔和、摩擦表面温度较低、磨损较小，使用寿命长等优点，主要应用于重型牵引车和自卸车上。,2019年4月5日2时50分,2、摩擦片工作条件的选择 湿式离合器：离合器的工作可靠性和使用寿命高，使用寿命可达干式离合器的56倍。所以湿式离合器适用于恶劣的工况(频繁的结合，重负荷下的起步等)下使用。湿式摩擦表面的摩擦系数较小，但可大大提高许用比压，可通过增加压紧力使摩擦片尺寸减小，故在铲土运输机械上应用较多。结构复杂。 干式离合器：其结构简单，摩擦表面的摩擦系数较湿式高34倍，则传递相同的转矩时，干式压紧力小，操纵省力。故在工程机械上广泛被采用。散热差，磨损大。,2019年4月5日2时50分,3、压紧机构型式的选择 杠杆压紧机构常开式离合器，常用于履带式工程机械，特别是对于经常停车，起步，倒车的推土机尤为适宜。 弹簧压紧机构常闭式离合器。 4、操纵机构的选择 机械式、液压式、气压式,2019年4月5日2时50分,5压紧弹簧和布置形式的选择,周置弹簧离合器的压紧弹簧采用圆柱螺旋弹簧，其特点是结构简单、制造容易，因此应用较为广泛。当发动机最大转速很高时，周置弹簧由于受离心力作用而向外弯曲，使离合器传递转矩能力随之降低。,中央弹簧离合器的压紧弹簧，布置在离合器的中心。可选较大的杠杆比，有利于减小踏板力。通过调整垫片或螺纹容易实现对压紧力的调整，多用于重型汽车上。,斜置弹簧离合器的显著优点是摩擦片磨损或分离离合器时，压盘所受的压紧力几乎保持不变。具有工作性能稳定、踏板力较小的突出优点。此结构在重型汽车上已有采用。,2019年4月5日2时50分,蝶形弹簧离合器的优点：,蝶形弹簧离合器,1）蝶形弹簧具有较理想的非线性特性； 2）结构简单，轴向尺寸小，零件数目少，质量小； 3）高速旋转时，压紧力降低很少，性能较稳定； 4）压力分布均匀，摩擦片磨损均匀； 5）易于实现良好的通风散热，使用寿命长； 6）平衡性好； 7）有利于大批量生产，降低制造成本。,蝶形弹簧的制造工艺较复杂，对材质和尺寸精度要求高。近年来，蝶形弹簧离合器不仅在轿车上被大量采用，而且在轻、中、重型货车以及客车上也被广泛采用。,2019年4月5日2时50分,第四节 离合器主要参数的确定 片式摩擦离合器的主要参数有摩擦转矩，储备系数，摩擦副数量和摩擦衬片的内外径等。前两个参数主要表征离合器的工作能力，可称为性能参数，后两个参数则说明离合器结构的一些特点，可称为结构参数。这两个参数之间具有内在联系并相互影响。 一、 离合器的摩擦转矩 离合器的摩擦转矩mm由摩擦表面上的压紧力p所产生的，摩擦转矩mm与离合器所具有的摩擦副数量，摩擦工作面的材料特性和结构尺寸以及压紧力的大小有关，其关系式为,2019年4月5日2时50分,离合器的最大摩擦转矩（nm）； 摩擦系数，可参考表3-3-1选取； 压在摩擦表面上的压紧力（n）； 摩擦力作用等效半径（m）； 摩擦副数量，z=m+n-1，其中m为主动片的数量，n从动件的数量； 压紧力损失系数，考虑压紧力在逐片顺次传递过程中要克服花键等联接中的滑动摩擦力而渐次减小所造成的损失系数。参见表5-2。 ， 花键轴导向面与摩擦片 内齿的摩擦系数，对干式 0.130.30，湿式 0.060.08。 与摩擦副数量和摩擦片工作条件有关。,2019年4月5日2时50分,假定压紧力p是均匀分布在摩擦表面上，所以： 式中 q摩擦表面的单位压力（比压）（mpa）； a摩擦副的面积（m2）。 当摩擦面为环状时，每个摩擦副的面积a： 式中 d2、d1 摩擦衬片的外径和内径（m）。 对湿式离合器而言，摩擦副的面积为扣除油槽面积 a后的有效摩擦工作面面积a1。对径向油槽 a为(0.10.2)a；对螺旋油槽a=(0.350.4)a；对螺旋径向油槽 a为(0.450.6)a，故 a1 =a-a,2019年4月5日2时50分,当摩擦面为环状时，摩擦力作用等效半径rd可足够精确地取为摩擦衬片外径d2和内径d1的平均值：,均压： ,施加在摩擦面上的单位压力，,离合器的mc值，只有在结构设计完毕后才确定。,2019年4月5日2时50分,二、离合器基本参数的选择,基本参数主要有性能参数和q，尺寸参数d2和d1及摩擦片厚度b。 1储备系数 储备系数是离合器一个重要设计参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。在选择时，应保证离合器应能可靠地传递发动机最大转矩、要防止离合器滑磨过大、要能防止传动系过载。,2019年4月5日2时50分,因此，在选择时应考虑以下几点： 1）为可靠传递发动机最大转矩，不宜选取太小； 2）为减少传动系过载，保证操纵轻便，又不宜选取太大； 3）当发动机后备功率较大、使用条件较好时，可选取小些； 4）当使用条件恶劣，为提高起步能力、减少离合器滑磨，应选取大些； 5）车辆总质量越大，也应选得越大； 6）柴油机工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的值应比汽油机大些； 7）发动机缸数越多，转矩波动越小，可选取小些； 8）蝶形弹簧离合器选取的值可比螺旋弹簧离合器小些； 9）双片离合器的值应大于单片离合器。,2019年4月5日2时50分,2摩擦片外径d2、内径d1和厚度 摩擦衬片的外径受飞轮尺寸和摩擦片最大圆周速度的限制，一般可取飞轮直径的0.750.8倍，也可根据发动机最大转矩按汽车用干式离合器的经验公式计算： (cm) 式中 发动机最大转矩（nm）； a 经验系数 (轿车：0.47；载重车：单片a=0.30.4，双片a=0.450.55，轻型车取上限，重型车取下限；自卸车、特殊用途车：0.19)。 摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三种。,2019年4月5日2时50分,要求： 标准化 （jb1457-74）。 检查该尺寸是否在发动机飞轮允许尺寸范围内。 大圆周线速度v不超过6570m/s，以免发生飞离的危险。 摩擦衬片的内径可参考现有结构的c值来确定，c=d1/d2。对c值选择是否恰当，关系到摩擦有效的利用以及摩擦片是否能正常可靠地工作。在摩擦表面单位压力允许的条件下采用较大的c值，即增加内径，可使摩擦表面的磨损均匀和防止滑磨时由于内、外圆的圆周速度相差太大，温升不一致而产生的翘曲。通常干式离合器，c值一般在0.550.68之间；湿式离合器，c值一般在0.750.87之间。,2019年4月5日2时50分,3单位压力q 单位压力q对离合器工作性能和使用寿命有很大影响，选取时应考虑离合器的工作条件，发动机后备功率大小，摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。 离合器使用频繁，发动机后备系数较小时， q应取小些，使离合器尺寸加大，可减少磨损，提高使用寿命 ；当摩擦片外径较大时，为了降低摩擦片外缘处的热负荷， q应取小些；后备系数较大时，可适当增大q 。 工程机械在工作时经常需要频繁地使用离合器，而且它们的作业条件差，属于重载荷类型，因此应选用较小的q值。,要求 ，式中 为摩擦材料的许用比压。否则， 应对初选参数进行调整，直到满意为止。,2019年4月5日2时50分,第五节 压紧弹簧设计,压紧弹簧从结构上有圆柱螺旋弹簧和碟形弹簧两种。 一、圆柱螺旋弹簧 周置式采用圆柱螺旋弹簧，初选弹簧数目n一般为6, 9, 12, 15等； 中央式可采用圆柱螺旋弹簧亦可采用碟形弹簧。,2019年4月5日2时50分,圆柱螺旋压紧弹簧计算用简图参考图5-6。必须指出：弹簧设计基本方法理论在机械设计课程已作详细讲授 ，适合作主离合器压紧弹簧的弹簧刚度一般在20 45 n/mm，可按下式计算： 每个弹簧在接合时的载荷,=p / n,与工作高度,之差，即,离合器接合时弹簧的变形量，它为弹簧自由高度 与工作高度 之差，即,=,-,图5-6 圆柱螺旋压紧弹簧计算用简图,2019年4月5日2时50分,离合器分离时因弹簧附加变形保证分离间隙所引起的附加载荷，一般,离合器分离时弹簧附加变形量， ， z是摩擦副数量， 是主动盘与从动盘的分离 间隙（一般单盘式为0.75 1.25 mm，双盘式 为0.5 0.9 mm，多盘式为0.2 0.4 mm)；,=82 gpa,材料的扭转弹性模量,弹簧的中径和钢丝的直径,i弹簧的工作圈数,弹簧的自由高度,离合器分离时弹簧的间隙，通常 0.51.5mm。,2019年4月5日2时50分,总之，设计的圆柱螺旋弹簧除了要满足强度要求外，针对主离合器的特点，还需满足： （1）弹簧刚度 是否在适用范围？ 一般为 2045n/mm （2）弹簧工作高度 是否满足用来安置弹簧压紧机构的空间尺寸？ （3）压紧弹簧工作压力变化是否在规定范围内，即要求： 。 若不能满足，则需要调整初选的参数数值，直至所有的条件满足为止。,：,（5-25） 式中,= 0.5 1.5 mm。,2019年4月5日2时50分,二、碟形弹簧,碟形弹簧是一种用薄弹簧钢板冲制的截锥形弹簧。它具有变刚度特性及弹簧变形压平后有翻转的功能，因此离合器应具有足够空间让其翻转。,碟形弹簧的结构参数,蝶形弹簧自由状态下碟簧部分的 内截锥高度h； 蝶形弹簧钢板厚度h ； 自由状态下碟簧部分大端半径r； 自由状态下碟簧部分小端半径r ； 自由状态时碟簧部分的圆锥底角；,2019年4月5日2时50分,碟形弹簧的载荷-变形特性曲线,2019年4月5日2时50分,1、载荷-变形特性曲线（与 h/h0有关）,可承受大载荷，适用行程限位器。,（1） ，开口向上的抛物线，p f kt,（2） ，中间有一段水平线，在水平段，f pconst， kt0。,（3） ，这种碟形弹簧轴向尺寸小，压紧力分布均 匀，由于变刚度特性只要选定合适的工作点，可使压紧力,不致因摩擦衬面的磨损而迅速减小，并可不增加分离时所需 的操纵力。适用离合器的压紧弹簧。,（4） ，有较大的负刚度，且p0。,2019年4月5日2时50分,2. 碟形弹簧工作点位置的选择,，特性曲线如图。, 在曲线上有三个特殊点s，p，t,2019年4月5日2时50分,点s为曲线上的凸点，此点的压紧力fs达到压紧力的最大值，对应的变形量为： （5-28） 点p为曲线上的拐点，即弹簧被压平点，此点对应的变形量为： fp h （5-29） 点t为曲线上的凹点，此点的压紧力是压紧力的最小值，对应的变形量为： （5-30）,2019年4月5日2时50分, 工作点的确定 以表示摩擦衬面未磨损时弹簧在离合器接合时的变形量，正确设计时应使fbfs且fbfp ，即在点与点之间。一般初选 fb=（0.65 0.8）h，不但要求对应的压紧力pb=p，同时还需满足： 式中:z 磨擦副的数量； f 磨擦副的容许磨损量，摩擦衬面与钢片铆接时 f=0.81 mm，胶接时f=2 mm。 fa摩擦衬面磨损到最大允许量时弹簧在离合器接合时的变形量。,2019年4月5日2时50分, papb，保证在使用期间，离合器可靠工作。 pa为摩擦衬面磨损到最大允许量时弹簧压紧力。 fc摩擦衬面未磨损时弹簧在离合器彻底分离时的变形量。 是主动盘与从动盘的分离间隙 c点应尽可能接近t点，尽量减小离合器处于分离位置时的操纵力（pc pmin）。 习题：第4题,2019年4月5日2时50分,第六节 离合器的操纵机构,1对操纵机构的要求 1）踏板力要小，轿车：80150n，货车：150200n，手操纵杆上的操纵力不大于150 n 。 2）踏板行程在一定的范围内，轿车：80150mm，货车：180mm。 3）摩擦片磨损后，踏板行程应能调整复原。 4）有对踏板行程进行限位的装置，防止操纵机构因受力过大而损坏。 5）应具有足够的刚度。 6）传动效率要高。 7）发动机振动及车架和驾驶室的变形不会影响其正常工作。,2019年4月5日2