（载运工具运用工程专业论文）汽车膜片弹簧离合器扭矩传递特性建模与计算方法研究.pdf

o 学位论文版权使用授权书 l i l l iml ! l l l l 1i iiil y 17 8 0 3 5 4 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杏莓1 友) j 签字日期：少口年7 月乡日 导师签名：岁侈移彳卜vy 签字日期：年月日 一 1 一 口 o 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 汽车膜片弹簧离合器扭矩传递特性 建模与计算方法研究 s t u d y o ns i m u l a t i o na n dc o m p u t a t i o n a l m e t h o do ft h et o r q u eo ft h ev e h i c l ed i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h 作者姓名：李喜娟 导师姓名：张欣 学位类别：工学 学科专业：载运工具运用工程 学号：0 8 1 2 1 9 6 6 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：载运工具安全与 检测控制技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 一 ， 电 0 j - 致谢 本论文的工作是在我的导师张欣老师和陈宏伟老师的悉心指导下完成的，两 位老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，对我的科研工作和论文都提出了许多的宝 贵意见，在此衷心感谢两年来陈老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，田毅师兄、赵立金同学和靳彪同学对我论文 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 求学多年，也感谢家人对我的理解和支持，使我能够在学校专心完成我的学 业。 最后也非常感谢各位评阅老师在在百忙之中给我的论文予以评审和指导。 中文摘要 中文摘要 摘要：随着中国市场对装有机械式自动变速器( a u t o m a t e dm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ，a m t ) 的汽车的需求日益迫切，本文以奇瑞q q 轿车膜片弹簧离合器 为研究对象，对膜片弹簧离合器的分离、接合载荷特性进行深入的研究，为离合 器传递扭矩的精确控制提供理论基础。 本文综合考虑了从动盘轴向弹性、分离指弯曲变形、离合器盖变形和传动片 弹性等因素，针对膜片弹簧离合器的分离过程建立其静力学模型，将离合器零部 件的变形等有效地等效到分离轴承行程中去，运用m a t l a b 软件编制程序，计算出 膜片弹簧离合器的工作特性、分离轴承分离载荷特性和压盘压紧力特性曲线，并 分析了传动片、离合器盖的各个零部件的变形对离合器工作特性的影响。在考虑 加载卸载过程中膜片弹簧大端与压盘、分离指与分离轴承端面的滑动摩擦，建立 了以分离轴承行程为输入，以分离轴承力和压盘压紧力为输出的计算模型。 利用x p - - 5 型销一盘式摩擦试验机，研究摩擦系数与温度、滑摩速度之间的 关系，通过正交多项式回归设计，建立了面片摩擦系数的计算模型，并对其显著 性进行了检验，证实得到的回归方程可靠，能较准确地反映摩擦系数与温度、滑 摩速度之间的关系。 综合考虑压盘压紧力特性模型和离合器面片摩擦系数回归模型，建立以离合 器行程为输入、以传递的摩擦扭矩为输出的离合器扭矩传递特性的综合计算模型。 在离合器性能试验台上进行了分离、接合过程的扭矩特性测试试验，分析对比模 型计算结果和离合器台架试验结果。基于扭矩综合计算模型，利用a m e s i m 软件对 汽车起步过程进行了计算和仿真，预测了汽车起步过程中离合器接合行程、转速 差、表面温升和滑磨转矩随离合器起步时间的变化关系。 关键词：膜片弹簧；离合器；分离载荷特性；扭矩传递特性 分类号： a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：a sc h i n e s em a r k e ta s k sf o rm o r ed o m e s t i cc a r se q u i p p e d 、航ma u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n , t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nr e l e a s el o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c sd e e p l y r e g a r d i n gc h e r r yq qd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c ha ss t u d yo b j e c t sa n ds u p p l yt h e o r yb a s e f o rc o n t r o l l i n gt h et o r q u ep r e c i s e l y w h i l ec o n s i d e r i n ga x i a le l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v e np l a t e ，b e n d i n g d e f o r m a t i o no ft h es e p a r a t e df i n g e r , d e f o r m a t i o no ft h ec l u t c hc o v e ra n de l a s t i c d e f o r m a t i o no ft h es t r a pd r i v ea n do t h e rf a c t o r s ，t h ep a p e ra n a l y s e sa n de s t a b l i s h e ss t a t i c m o d e lo ft h ed i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hw h e na n yp a r t sd e f o r m a t i o nb e i n ge q u i v a l e n tt o r e l e a s ed i s t a n c eo fr e l e a s eb e a r i n g ，f i n a l l yo b t a i n st h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo f t h e d i a p h r a g ms p r i n g ，r e l e a s el o a d i n g c h a r a c t e r i s t i c sc u r v ea n d p r e s s f o r c e c h a r a c t e r i s t i c so fp r e s sp l a t eu s i n gm a t l a bs o f t w a r ea n dd i s c u s s e sa n yp a r te f f e c t i n g o nt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h c o n s i d e r i n gs l i d i n g f r i c t i o nb e t w e e nb i ge n do fd i a p h r a g ms p r i n ga n dp r e s sp l a t e ，s e p a r a t e df i n g e ra n d s e c t i o no ft h er e l e a s eb e a r i n gd u r i n gl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，t h ep a p e rs e t su p c a l c u l a t i o nm o d e lw i t hr e l e a s ed i s t a n c ea si n p u ta n dr e l e a s ef o r c ea n dp r e s sf o r c ea s o u t p u t t h ep a p e rs e t su pt h ee x p e r i m e n tm e t h o dw i t ht e m p e r a t u r ea n dr o t a t i n gs p e e da s e x p e r i m e n t a lf a c t o r sa n df i i c t i o nc o e f f i c i e n ta se x p e r i m e n t a lt a r g e tu s i n gx p 一5p i n - p l a t e f r i c t i o nt e s t e ra n ds t u d i e st h er e l a t i o nb e t w e e nf r i c t i o nt o e 伍c i e n ta n dr o t a t i n gs p e e d ， t e m p e r a t u r e t h e nt h r o u g ho r t h o g o n a lp o l y n o m i a lr e g r e s s i o nd e s i g n , t h ep a p e rs e t su p c o m p u t a t i o n a lm o d e lo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t , a f t e ri t sc o n s p i c u o u s n e s st e s t i n g ， r e g r e s s i o ne q u a t i o nc a nd i s p l a yt h er e l a t i o nb e t w e e nf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dr o t a t i n g s p e e d ，t e m p e r a t u r ep r e c i s e l y c o n s i d e r i n gp r e s sf o r c ec h a r a c t e r i s t i cm o d e la n dt h el i n e a rr e t u r nm o d e lo f t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n t , s y n t h e t i cc a l c u l a t i o nm o d e lf o rt o r q u et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c 、析t l ld i s t a n c eo ft h ec l u t c ha si n p u ta n df r i c t i o nt o r q u ea so u t p u t t h e nt h et o r q u e c h a r a c t e r i s t i ct e s te x p e r i m e n ti so p e r a t e do nt h ec l u t c hp e r f o r m a n c et e s t b e d ，t h r o u g h c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t 、杭mr e s u l tf r o mc l u t c hp l a t f o r me x p e r i m e n to ra m t s a m p l et e s t i n g ，i ts h o w st h ec a l c u l a t i o nm o d e lc a nr e f l e c tt h et r a n s m i s s i o nt o r q u em o l e e x a c t l y b a s e do nt h ei n t e g r a t e dc o m p u t a t i o n a lm o d e l ，t h ev e h i c l es t a r t i n gp r o c e s si s s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e du s i n ga m e s i ms o f t w a r e ，t h ec h a n g i n gr e l a t i o n s h i po ft h e 分 北京交通大学硕士学位论文 c l u t c hs t a r t i n gd i s t a n c e 、t h es p e e dd i f f e r e n c e 、t h es u r f a c et e m p e r a t u r er a i s i n ga n dt h e f r i c t i o nt o r q u e 诵t l lt h es t a r t i n gt i m ed u r i n gt h ev e h i c l es t a t i n gp r o c e s si sp r e d i c t e d k e y w o r d s ：d i a p h r a g ms p r i n g ；c l u t c h ；r e l e a s el o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；t o r q u e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i e s c l a s s n o ： 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 1 绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 研究目的3 1 3 研究方法和主要内容3 2 膜片弹簧离合器结构与工作特性5 2 1 汽车膜片弹簧离合器简介5 2 2 膜片弹簧离合器结构和工作原理7 2 2 1 膜片弹簧离合器结构7 2 2 2 膜片弹簧离合器的工作原理9 2 3 奇瑞q q 轿车膜片弹簧离合器参数。1 0 2 4 膜片弹簧大端载荷变形特性1 2 2 5 本章小结。1 3 3 考虑从动盘总成特性的离合器载荷特性研究1 5 3 1 从动盘轴向弹性特性。1 5 3 1 1 从动盘总成结构1 5 3 1 2 从动盘轴向弹性特性的测试方法。1 6 3 2 考虑从动盘轴向弹性时离合器静力学模型1 7 3 3 离合器工作特性计算与分析1 9 3 4 从动盘轴向弹性对离合器载荷特性的影响2 1 3 5 面片磨损对离合器载荷特性的影响2 3 3 6 本章小结2 5 4 考虑盖总成特性的离合器载荷特性研究2 7 4 1 离合器盖总成特性。2 7 4 1 1 离合器盖总成结构2 7 4 1 2 离合器盖总成特性的测试方法2 7 4 2 考虑离合器盖弹性时的静力学建模与分析3 0 4 3 离合器盖弹性对离合器总成特性的影响3 1 4 4 传动片弹性对离合器载荷特性的影响3 5 4 4 1 传动片的弹性变形特性3 5 北京交通大学硕士学位论文 4 4 2 考虑传动片弹性的离合器静力学分析3 6 4 4 - 3 传动片弹性对离合器载荷特性的影响分析3 7 4 5 膜片弹簧端面摩擦对离合器载荷特性的影响。3 8 4 5 1 考虑端面摩擦特性的静力学分析3 8 4 5 2 离合器摩擦滞环特性的工况分析3 9 4 6 本章小结。4 1 5 离合器摩擦特性的试验研究与回归分析4 3 5 1 离合器面片摩擦特性的实验方法4 3 5 1 1 试验因素的确定。4 3 5 1 2 面片摩擦性能的测试台架4 4 5 2 温度对摩擦系数的影响。4 6 5 2 1 常温摩擦系数的性能实验分析4 6 5 2 2 高温摩擦系数的性能实验分析4 6 5 3 滑磨速度对摩擦系数的影响。4 7 5 4 摩擦系数的正交回归分析4 8 5 4 1 确定试验因素的水平并进行编码4 8 5 4 2 确定试验方案并计算回归系数4 9 5 4 3 回归方程的检验与转化5 1 5 5 本章小结5 2 6 扭矩传递特性的综合模型及试验分析5 5 6 1 扭矩传递特性综合计算模型。5 5 6 2 扭矩传递特性试验台架。5 6 6 2 1 试验台架机械系统5 6 6 2 2 试验台架数据采集系统5 7 6 3 扭矩传递特性台架试验与计算分析5 8 6 3 1 离合器分离载荷特性试验与计算分析5 8 6 3 2 离合器扭矩传递特性的试验与计算分析5 9 6 4 基于扭矩传递模型的汽车起步过程预测与分析6 2 6 4 1 汽车起步过程动力学模型6 2 6 4 2 基于扭矩传递模型的汽车起步过程仿真分析6 5 6 5 本章小结。6 8 7 全文总结和展望6 9 7 1 全文总结6 9 7 2 工作展望7 0 目录 参考文献。7 1 作者简历7 5 独创性声明7 7 学位论文数据集7 9 苫 绪论 1 1 研究背景和意义 l 绪论 科学技术的发展和人们观念的改变使节能与环保成为汽车技术进步的主要推 动力之一，而经过几十年的发展，汽车发动机的节能潜力，已经得到了充分的开 发利用，而变速传动系统的节能技术，还有待进一步的提升和挖掘。随着中国大 量非职业司机的出现以及交通的日渐拥挤，市场对装有机械式自动变速器 a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) 国产汽车的呼声一浪高过一浪。这是 因为a m t 是一种高效率的自动变速系统，可减轻驾驶员的劳动强度，增加汽车的 安全性。试验表明：装有a m t 系统的自动档车型，比装有液力自动变速器( a t ) 的自 动档车型节油将近2 0 ，比手动档车型也要省油9 h 朝，故a m t 成为当今世界汽车 发展的主要方向和趋势。 a m t 变速器由于效率高、成本低、易于制造等优点得到了越来越广泛的应用， 但是其难点在于起步和换挡过程中对离合器的控制要求平稳，同时又能延长离合 器的寿命，减小发动机转速的波动。所以对a m t 离合器的控制不但要提高换挡过程 中离合器接合的平稳性，减少离合器滑摩，延长离合器使用寿命，而且要保证发 动机稳定运转，减小发动机转速的波动。如果离合器接合过猛，将大大增加传动 系统的动载荷，造成换挡冲击，引起发动机转速较大的波动。反之，为了改善换 挡品质而过分降低离合器的接合速度，滑摩功将大大增加，从而降低了其使用寿 命h 3 。而采用控制离合器的接合行程和接合速度的方法控制离合器传递扭矩的大小 及扭矩的增长速度无法实现动力传动系统的扭矩控制，必然给a m t 的批量化生产 带来困难；并且a m t 变速器在运行过程中，离合器会出现磨损，膜片弹簧也会产生 疲劳变形，这些因素也将导致离合器接合特性偏移，使a m t 变速器的控制性能变差 嘲。这种情况下，离合器工作特性的研究就对离合器传递扭矩的精确控制显得至关 重要。 近年来，随着世界汽车工业和我国轿车工业的发展，以及中轻型汽车的更新 换代和扩大规模，我国相继引进了欧美几家膜片弹簧离合器厂商的制造技术，如 以一汽、上海大众、南汽为依托的长春东光离合器厂、上海离合器厂以及南京v a l e o 股份有限公司等，均引进了国外先进的膜片弹簧离合器系列生产技术。为了节能 和提高市场竞争能力，传动扭矩大、质量轻、性能优的膜片弹簧离合器越来越受 到人们的青睐。 北京交通大学硕士学位论文 汽车膜片弹簧离合器较典型的非线性曲线如载荷一变形特性曲线，仍然采用 国内外最普遍的阿尔曼一拉斯路法，简称a _ _ l 法( 美国j 0 a l m e n 、a l a s z l o 提出的近似计算法) 。目前，世界上的一些膜片弹簧制造公司，所采用的膜片弹簧 计算方法也都是建立在a - l 法的基础之上，再根据材料、制造工艺等适当加以修 正得到的比较接近实际的j 法。东南大学的林世裕教授比较系统地总结了碟形弹 簧和膜片弹簧的机构、工作原理：展望了其各自的发展趋势；在一定的假设条件 下，得到了膜片弹簧的载荷一变形特性和应力一变形特性；并提出了较新的计算 理念和相关的分析计算方法，为膜片弹簧离合器以后的发展和研究有着不可磨灭 的贡献哺1 。南京理工大学的张铁山根据试验、计算与分析推知，根据a l m e n l a s z l o 公式设计的膜片弹簧大端载荷、升程和分离行程等均不能符合设计要求，计算结果 与试验结果的误差在1 0 左右，这是因为a _ l 公式推导时认为“膜片弹簧受外载 荷后，其碟形部分只有刚体转动而没有弯曲变形”的假设与实际不符，而膜片弹 簧的板厚度较薄，属于薄壳范畴，其受载后截面上内力中弯矩起着重要作用。因 而，他得出用板壳理论来推导膜片弹簧受载后的变形、应力和应变关系是基本正 确的，但其精度还有待于提高口1 。苏州大学的曹勇提出了更为接近实际情况的新假 设，考虑了弹簧变形过程中的径向应变，对a - l 公式进行了修正，但在所有应用或 修正的公式中，均是提前假设了离合器的工作状态或忽略了膜片弹簧的某些工作 性能，如膜片受载变形时，设两个支承面的接触点位置保持不变，没有考虑碟簧 部分与上下支承面之间的滑动摩擦，也没有考虑易损件摩擦片的磨损变形量，但 这些却和离合器的工作性能和寿命有着直接的联系。 上海离合器总厂的赵永彬，对膜片弹簧离合器的分离载荷特性和接合压力特 性进行了分析，定性地研究了离合器盖、从动盘变形对离合器特性的影响隅3 。江苏 理工大学的朱茂桃等人，用试验的方法研究了离合器盖变形和分离指弯曲变形， 对离合器分离载荷特性的影响，同时也研究了大端载荷一变形特性、小端载荷一 变形特性，分析了结构参数与误差之间的关系，提出了适合工程应用的修正公式。 吉林大学的金伦等人系统地分析了换挡过程中离合器接合特性及其对换挡品 质评价指标的影响，以冲击度最大值为约束条件，以减少离合器的滑摩功为原则， 提出了离合器接合的控制策略h 1 。但是在做a m t 换挡过程中离合器的控制研究时， 将离合器的扭矩传递特性近似为直线，而没有考虑离合器面片摩擦系数随温度、 滑动速度变化的影响。 对于离合器的扭矩传递特性，有两个比较重要的影响因素，除了压紧力之外， 另一个则是摩擦系数。离合器工作过程中，面片摩擦系数是随着压盘压紧力、滑 磨速度、滑磨温度和滑磨时间不断变化的，清华大学科研人员通过摩擦特性试验 和回归分析，提出了摩擦特性的指数函数模型和幂函数乘积模型阳h 1 0 3 。 2 绪论 膜片弹簧离合器的前景之广阔，促使国内学者对膜片弹簧载荷变形特性的研 究也较多，并且也取得了令人瞩目的成绩，而对于膜片弹簧离合器的工况特性研 究较少，没有真正解决a m t 系统控制所需要的以分离轴承行程为输入量，以离合 器传递扭矩为输出量的扭矩传递特性的计算与预测问题，而至于扭矩传递特性， 大多数研究将其线性化。 1 2 研究目的 我国对机械式自动变速器( a m t ) 的开发已有2 0 余年的历史，但至今仍未掌握 a m t 产业化的核心技术性能一致性控制技术，即a m t 系统在汽车的使用寿命期 间、在同批量的不同汽车之间，起步与换挡性能无法保证具有良好的一致性。解 决这一问题，需要对汽车干摩擦式离合器的工作特性，如分离载荷特性、扭矩传 递特性等具有深入细致的了解。a m t 系统在离合器的分离接合控制中，需要精确 控制离合器的传递扭矩，但a m t 的离合器执行机构，实际上只能控制离合器分离 轴承行程。因此，为了达到精确控制离合器传递扭矩的目的，必须对以分离轴承 行程为输入，以摩擦扭矩为输出的离合器扭矩传递特性进行精确建模。 本论文拟从膜片弹簧离合器的结构和零件的力学特性分析着手，提出一种在 膜片弹簧离合器全寿命期内对其扭矩传递特性建模的分析方法，运用机理建模和 经验建模相结合的方法，研究建模的分析流程、实验方法、编程与计算方法等， 为a m t 离合器扭矩精确控制技术、a m t 一致性控制技术的研究，提供分析手段和技 术支持。 1 3 研究方法和主要内容 本论文的研究方法有两种：一是以膜片弹簧离合器及其零部件力学分析为基 础的机理分析和建模方法；二是以实验研究和回归分析为主要手段的实验优化技 术和方法。 由于离合器各个零部件存在弹性变形，以及零部件之间的摩擦、间隙的影响， 离合器分离行程与压盘压紧力之间呈现出死区、滞后等非线性特性。由于滑摩温 升、滑动速度的影响，离合器面片摩擦系数表现出准静态的非线性变化特性，使 压盘压紧力与传递的摩擦转矩之间呈现非线性关系。这些非线性特性本身也是时 变的，在离合器面片的使用寿命期间，随着面片磨损量和从动盘刚度的变化而发 生改变。因此，对膜片弹簧离合器的扭矩传递特性进行精确建模是十分困难的。 到目前为止，还没有一种比较成熟的理论和方法，能够解决膜片弹簧离合器扭矩 3 北京交通大学硕士学位论文 传递特性的精确建模问题，本论文拟进行以下几个方面的具体研究。 ( 1 ) 考虑弹性变形的离合器分离载荷特性计算方法研究 对膜片弹簧离合器零部件的弹性特性进行分析，以奇瑞q q 轿车膜片弹簧离合 器为研究对象，建立其尽力学计算模型，并分析膜片弹簧离合器从动盘轴向弹性 特性、面片磨损、离合器盖的弹性变形和传动片弹性对分离轴承分离载荷特性和 压盘压紧力的影响。 ( 2 ) 考虑摩擦特性的离合器分离载荷特性计算方法研究 考虑加载卸载过程中膜片弹簧大端与压盘、分离指与分离轴承端面的滑动摩 擦，建立膜片弹簧离合器分离载荷特性、压盘升程特性等计算流程和方法，完成 m a t l a b s i m u l i n k 格式的计算程序设计和结果分析说明。 ( 3 ) 离合器摩擦特性的试验研究与回归分析 建立以滑摩速度、温度为试验因素，以面片摩擦系数为试验指标的试验思想， 利用x p 一5 型销一盘式摩擦试验机，研究摩擦系数与温度、滑摩速度之间的关系， 接着通过对测试数据进行正交多项式回归设计，建立了面片摩擦系数的计算模型， 并对其显著性进行检验。 ( 4 ) 离合器扭矩传递特性综合计算模型分析与验证 对离合器面片摩擦特性的回归模型和分离接合载荷特性进行接合，建立离合 器扭矩传递特性的计算模型。在离合器性能试验台上进行分离、接合过程的扭矩 特性测试，通过模型计算和台架试验结果的对比分析，研究计算模型的有效性。 4 膜片弹簧离合器结构与工作特性 2 膜片弹簧离合器结构与工作特性 2 1 汽车膜片弹簧离合器简介 离合器是汽车传动系中与发动机相联系的重要部件，起着保证汽车平稳起步、 变速柔和和防止传动系统过载的作用。随着汽车工业的发展，离合器也在原有基 础上不断改进和提高，以适应新的使用条件。从国内外的发展动向来看，汽车的 性能高速发展，发动机的功率和转速不断提高，因此增加离合器的传递扭矩的能 力，提高其使用寿命，简化操作已成为离合器目前发展的趋势。 离合器的结构形式虽然各不相同，但在使用中对它们的基本要求却是一致的： ( 1 ) 能可靠地传递发动机的最大扭矩；( 2 ) 接合要平顺、柔和，使汽车起步时没有 抖动和冲击；( 3 ) 分离要迅速且彻底；( 4 ) 离合器从动部分的转动惯量要小，以减 轻汽车起步和换档时变速器齿轮轮齿间的冲击，方便换档；( 5 ) 离合器的通风散热 应良好；( 6 ) 高速回转时要具有可靠的强度，应注意平衡问题和离心力的影响；( 7 ) 应使汽车传动系统避免共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减少噪音的能力；( 8 ) 操纵轻便；( 9 ) 离合器的工作性能应保持稳定，这就要求作用在摩擦片上的总压力 要不因摩擦表面的磨损而变化，或者变化较小；( 1 0 ) 要求使用寿命长。此外，离 合器也要集合结构简单、紧凑，制造工艺性好，维修方便，重量轻等优点。 基于上述要求，离合器的压紧弹簧从普遍采用的圆柱螺旋弹簧改为膜片弹簧， 其利甚多n 。推式膜片弹簧离合器是由美国通用汽车公司于1 9 3 8 年开始应用于轿 车产品，2 0 世纪6 0 年代以来已应用于各种汽车。2 0 世纪6 0 年代末，西德f & s 公 司首先研制成功拉式膜片弹簧离合器，1 9 8 0 年以来在国外大、中、小型汽车上开 始使用。膜片弹簧离合器是用膜片弹簧代替了一般螺旋弹簧及分离杆机构而做成 的离合器，构造示意图如图2 1 所示。 图2 - 1 膜片弹簧离合器构造示意图 f i g 2 - 1s k e t c hm a p o f t h ed i a p h r a g m s p r i n gc l u t c h 北京交通大学硕士学位论文 相对于一般离合器，膜片弹簧离合器具有以下优点： ( 1 ) 膜片弹簧的轴向尺寸较小而径向尺寸很大，这有利于在提高离合器传递 矩能力的情况下减小离合器的轴向尺寸； ( 2 ) 膜片弹簧本身兼有压紧弹簧和分离杆的作用，故不需要专门的分离杠杆 使离合器结构大大简化、零件数目减少、重量减轻； ( 3 ) 离合器结构的简化显著地缩短了离合器的轴间尺寸，所以可以适当增加 盘的厚度，提高热容量，而且还可以在压盘上增设散热筋以及可以在离合器盖 f 只 e c 只 e 1 螺旋弹簧；2 膜片弹簧与碟形弹簧 图2 - 2 离合器两种压紧弹簧的载荷变形特性 f i g 2 2l o a dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h eb o t hr e t a i n e rs p r i n gi nc l u t c h 正是由于膜片弹簧离合器载荷变形的非线性，使得其( 1 ) 转矩容量大且较稳 定，当摩擦片磨损后，由于膜片弹簧的非线性特点，膜片弹簧仍能保持接近于工 作压紧力，从而使离合器的转容量仍可保持较大且较稳定而不致产生滑磨；( 2 ) 踏 6 膜片弹簧离合器结构与工作特性 板操纵较轻便，同样是由于膜片弹簧的非线性特点，在彻底分离位置所需的分离 力将小于起始分离力；( 3 ) 可对压盘向前后双方向压紧，以满足特殊需要。 2 2 膜片弹簧离合器结构和工作原理 2 2 1 膜片弹簧离合器结构 膜片弹簧离合器总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成 等部分组成，如图2 3 所示。 卜离合器盖2 、4 一支承环3 一膜片弹簧5 一压盘 6 一传动片( 传动带) 7 一分离钩8 一铆钉9 一支撑铆钉 图2 - 3 膜片弹簧离合器盖总成零件分解图 f i g 2 - 3c o m p o n e n t sd e c o m p o s i t i o nm a po f t h ed i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hc o v e ra s s e m b l y 1 ) 离合器盖 一般为1 2 0 度或9 0 度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。 2 ) 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 分被称为分离指；从窗孔底部到弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其 截圆锥形，被称为碟簧部分，如图2 4 所示。 7 北京交通大学硕士学位论文 碟簧 r 一膜片弹簧外径，一膜片弹簧内径h 一内截锥高度一膜片弹簧外支承半径 r 一厚度r r 一内支承环半径，一膜片弹簧内支承半径匕一膜片弹簧小端内径 4 一小端槽宽嘎一小端窗孔槽宽 图2 - 4 膜片弹簧结构简图 f i g 2 - 4s t r u c t u r es k e t c ho f t h ed i a p h r a g ms p r i n g 离合器处于接合状态时，膜片弹簧的碟簧部分与压盘接触点l ( 即外支承半径 处) 和上内支承环，处承受轴向载荷只，使碟簧部分产生轴向变形丑；离合器处于 分离状态时，碟簧部分下内支承环z 处和膜片弹簧受载半径处承受轴向载荷只， 使膜片弹簧分离指部分产生轴向变形九。 3 ) 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。 4 ) 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 8 膜片弹簧离合器结构与工作特性 摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动；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。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。离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转； 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。 5 ) 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。目前国产的汽车中 多使用角接触推力球轴承，采用全密封结构和高温锂基润滑脂，其端面形状与分 离指舌尖部形状相配合，舌尖部为平面时采用球形端面，舌尖部为弧形面时采用 平端面或凹弧形端面n 副。 2 2 2 膜片弹簧离合器的工作原理 膜片弹簧离合器的主要特点是用一个膜片弹簧代替传统的螺旋弹簧和分离杠 杆，因为它布置在中央，所以也算中央离合器，因其具有许多优点而被现代乘用 车广泛采用，其工作原理如图2 5 所示。 ( a ) 接合位置( b ) 分离位置 图2 - 5 膜片弹簧离合器工作原理 f i g 2 5w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ed i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h 从图中可知，离合器盖1 与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧3 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5 的压紧力，使得 压盘与从动盘6 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传递发动 机动力。分离离合器时，将离合器踏板8 踏下，通过操纵机构，使分离轴承总成7 9 北京交通大学硕士学位论文 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n 铂。 膜片弹簧离合器工作过程中，膜片弹簧的工作情况可以分为下列三种工作状 态，如图2 - 6 所示。 l 产 ir 1i 啊。 一1 。 r f j 一 r i _ 1 i 夕夕。 z 一例d l j l 、夕t 。 【拗筑= 枞 2 = 九 一 、 7 帕- l 1 乃 l i 刑五 y 习j一2 t 1乍一罐b ，i j 7 ( a ) 自由状态( b ) 接合状态( c ) 分离状态 图2 6 膜片弹簧的工作状态 f i g 2 - 6w o r k i n gs t a t eo f t h ed i a p h r a g ms p r i n g ( 1 ) 自由状态当离合器盖总成尚未与发动机飞轮装配前，膜片弹簧近似处于 自由状态( 由于压盘与离合器盖已与传动片相联，使膜片弹簧稍微受压) 。 ( 2 ) 接合状态当离合器盖总成与飞轮装配时，离合器盖通过后支承环对膜片 弹簧中部施加压紧力，而膜片弹簧大端与压盘接触处有支承反力与之平衡。接合 状态时，膜片弹簧被压紧到趋近于压平状态的预加压缩状态，从而将从动盘摩擦 片压紧在飞轮与压盘之间，离合器处于接合位置，此时只有碟簧部分受载，而分 离指部分不受载。 ( 3 ) 分离状态将分离轴承向前推向飞轮时，作用在膜片弹簧小端加载半径处 的分离力使膜片弹簧以中部处前支承环为支点，继续受到压缩。此时，膜片弹簧 大端对压盘的压紧力逐渐减小使从动盘分离，离合器处于分离状态。膜片弹簧受 压缩超过压平位置后，呈反锥形的翻转状态( 在作用力减小后，由于弹性恢复力， 膜片弹簧仍能恢复到正锥形的初始形状) 。 2 3 奇瑞q q 轿车膜片弹簧离合器参数 不。 奇瑞q q 轿车膜片弹簧离合器盖总成如图2 7 所示，其从动盘总成如图2 - 8 所 1 0 膜片弹簧离合器结构与工作特性 小喃 掣l 宇 葡 壮 组：者呻 7 巧 豹确荔 h 一 弘国 多 警 。 一，l 惦 窝蓉 以 |z 鬟材憎 f _ 乏一番 宅害 |礅l 口守 譬i 业 lr霾 怍d h l 洌 图2 - 7 奇瑞q q 膜片弹簧离合器盖总成图 f i g 2 - 7c l u t c hc o v e ra s s e m b l yo fc h e r r yq qd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h a a 图2 8 奇瑞q q 膜片弹簧从动盘总成图 f i g 2 - 8d r i v e np l a t ea s s e m b l yo f c h e r r yq qd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h 北京交通大学硕士学位论文 根据上图中奇瑞q q 膜片弹簧离合器的盖总成和从动盘总成，整理可以得到其 结构参数，见表2 1 。 表2 - 1 奇瑞q q 膜片弹簧离合器参数 t a b 2 1p a r a m e t e r so f c h e r r yq qd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h 弹性模量e2 x 1 0 p a泊松比 0 3 单位压力p o 0 1 7 6n m m 2 摩擦因数石 0 3 摩擦片外径d1 8 0 r a m 摩擦片内径d 1 2 4 m m 厚度b7 1 5 r a m摩擦面数z 2 最大压紧力 3 2 5 0 n 钢板厚度， 2 m m 最大分离行程 7 m m 压盘升程 1 7 m i n 杠杆比2 7 0 7转动惯量0 2 2k g m 2 破坏转速1 2 0 0 0 转分耐久性试验1 ，0 0 0 ，0 0 0 次 压盘加载点半径 8 0 2 m m 支承环加载半径， 6 4 5 咖 碟簧部分的小端 碟簧部分的大端半径尺 8 2 5 5 6 m m6 3 8 4 4 m m 半径， 碟簧部分的内截锥 分离指与分离轴承加载 高度h 3 6 9 m m2 2 r a m 点的半径，f 2 4 膜片弹簧大端载荷变形特性 自膜片弹簧离合器广泛应用开始，出现了许多关于膜片弹簧计算的近似分析 方法，其中最有代表性的一种a l 法。而在a - l 法中采用了诸多假设：( 1 ) 膜 片弹簧受载时，其载荷和支承反力都是均匀地分布在内圆周和