（机械制造及其自动化专业论文）微型汽车离合器膜片弹簧力学分析与研究.pdf

摘要 离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和 实现对传动系的动力传递，以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；在工作中受到大的动载荷时；能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；同时，由于离合器避免了发动机与变速箱的 刚性连接，能有效地降低传动系中的振动和噪声。因此，离合器在使用过程中， 故障率极高，其中以因压紧力不足而出现难挂挡而导致异常磨损或烧蚀以及踏 板力沉重为主。 膜片弹簧是离合器中最关键的部件，离合器的工作压力以及踏板力、压盘 升程和分离行程都与膜片弹簧相关。因此，研究膜片弹簧的力学性能对查找离 合器故障原因以及提出优化方案不仅具有理论意义，也具有巨大的现实利益。 本论文的重点有三方面的内容：一、离合器的工作原理与结构；二、膜片 弹簧的数学模型的建立以及理论推导；三、膜片弹簧载荷一变形特性随膜片弹 簧杠杆比及厚度的变化规律。 首先，分析了离合器的国内外发展现状，并提出本文的研究内容，目的和 意义。 其次，分析离合器工作原理与结构，离合器的关键零部件在离合器工作中 的作用，并提出膜片弹簧对离合器技术参数的影响。 接着对离合器的数学模型及载荷一变形特性的分析与推导，得出一套离合 器计算的理论依据。通过计算杠杆比与膜片弹簧厚度对离合器膜片弹簧载荷一 变形特性的影响，提出优化方案，并通过m a t l a b 仿真出变化趋势得出继续优化 的方向。通过理论计算与有限元分析，校核膜片弹簧的应力状态。 最后结合前面所有的研究成果，总体宏观把握，提出了工作总结与展望。 本文从实际应用出发，站在数学建模思想和计算机技术的高度，为离合器 的故障原因查找与优化方案的提出提供一种新思路，具有重要的研究和现实意 义。 关键词：膜片弹簧，杠杆比，微型汽车，离合器，有限元分析 a b s tr a c t c l u t c hi st h em a c h i n et h a tl i n k st ot h ee n g i n ei nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f t h ec a r i t sm a i nf u n c t i o ni sc u t t i n go f fa n dt r a n s m i t t i n gt h em o t i v ep o w e rt oe n s u r em a tt h e e n g i n ea n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mw o u l dl i n ku pp e a c e f u l l yw h e nt h ec a ri ss t a r t e d w h e n s h i f t i n gt h eg e a r s ，t h ee n g i n ei ss e p a r a t e df r o mt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi no r d e r t or e d u c et h ei m p a c t w h e nt h el o a di sl a r g e ，i tc a l lb el i m i t e dt h em a x i m u mt o r q u e t h a tt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mb e a r sb yt h ec l u t c h i tp r e v e n t st h ec o m p o n e n t so ft h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mf r o md a m a g ef o rt h es a k eo fo v e r l o a d m e a n w h i l e ，t h ev i b r a t i o n a n dt h en o i s eo f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yt h ec l u t c ha si t a v o i dt h er i g i dc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ee n g i n ea n dt h et r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ，t h e f a i l u r er a t eo ft h ec l u t c hi se x t r e m e l yh i 曲t h em a i nf a i l u r ei st h ed i f f i c u l t yt oh a n g t h eg e a r sb e c a u s eo ft h el a c ko fp r e s s u r ew h i c hl e a d st ou n u s u a lw e a r , a b l a t i o na n d h e a v yp o w e rn e e d e di nt h ep e d a l d i a p h r a g ms p r i n gi st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nc l u t c h i t sw o r k i n gp r e s s u r e , f o o t p l a t ef o r c ea n dp l a t e ns e p a r a t i n gs t r o k eo fac l u t c hi sr e l a t e dt od i a p h r a g ms p r i n g s os t u d y i n go nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i a p h r a g ms p r i n gd o e sn o to n l yh a v e t h e o r i c a le f f e c t , b u ta l s ob r i n g sg r e a te c o n o m i ci n t e r e s t s t h e r ea r em a i n l ys t u d i e st h r e ea s p e c t s ：f i r s t ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e o f c l u t c h ；s e c o n d ，m a t h e m a t i c a lm o d e lb u i l d i n ga n d t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ；t h i r d ，s t u d y t h ed i a p h r a g ms p r i n gc h a n g el a wo fl o a d - d e f o r m a t i o np r o p e r t i e s ，w h i c hi sc h a n g i n g w i t ht h el e v e rr a t i oa n dt h et h i c k n e s s f i r s to fa l l ，a n a l y s i n gt h ed e v e l o p m e n to fc l u t c hi n n e ra n da b r o a d ，a n dt h e n p u t t i n gf o r w a r dt h er e s e a r c hc o n t e n t ，t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e s e c o n d ，a n a l y s i n gw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h ec l u t c h ，a n dk e yp a r t s a n dc o m p o n e n t so fc l u t c hi nt h ew o r ko ft h ec l u t c h ，a n dt h e np u t t i n gf o r w a r dt h e i n f l u e n c eo fd i a p h r a g ms p r i n go nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc l u t c h t h r o u g ha n a l y z i n ga n dd e r i v a t i n go f t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n d l o a d - d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co nt h ec l u t h , t h et h e o r e t i c a lb a s i so fc a l c u l a t i o n si s o f f e r e d b yc a l c u l a t i n gt h el e v e rr a t i oa n da n a l y z i n gt h ee f f e c to ft h et h i c k n e s so ft h e d i a p h r a g ms p r i n g o nt h el o a d d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，p u t t i n g f o r w a r da n o p t i m i z a t i o ns o l u t i o n , a sw e l la s ，t h ed i r e c tt oc o n t i n u eo p t i m i z i n gi sc u r t a i n e db yt h e m a t l a bs t i m u l a t i o no ft h ec h a n g et r e n d t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n df i n i t e d e m e n ta n a l y s i s t h es t a t eo fs t r e s sa b o u tt h ed i a p h r a g ms p r i n gi sc h e c k e d f i n a l l y , s u m m i n g - u pr e p o r ta n de x p e c t a t i o na r ep r o p o s e db y t h ew a y o f c o m b i n g a l lt h er e s e a r c hr e s u l t sf i o n t l ya n dg r a s p i n gt h eo v e r a l l b e g i n n i n gf r o mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n , s t a n d i n go nt h eh e i g h to f m a t h e m a t i c a l m o d e l i n ga n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t of i n dt h ec l u t c ha n do p t i m i z a t i o np r o g r a m s p r o v i d eap r o p o s e dn e w i d e a sf o rt h ef a i l u r eo fc l u t c h , a n dh a v i n gi m p o r t a n tr e s e a r c h a n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：d i a p h r a g ms p r i n gl e v e r a g er a t i o ，m i c r o c a r , c l u t c h , f i n i t e d e m e n t a n a l y s i s i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：翕l 鏖 牵 导师( 签名) ：日期趟 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和 实现对传动系的动力传递，以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；在工作中受到大的动载荷时，能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；同时，由于离合器避免了发动机与变速箱的 刚性连接，能有效地降低传动系中的振动和噪声n 1 。 因此，离合器是汽车中最易损坏的部件，据国内某知名微型汽车生产公司 每年的零件返修率统计，离合器都位列前三。在对该微型汽车生产公司旧件库 的7 7 0 件损坏离合器的现场排查，其中，分离不良2 3 6 例，占总数的3 0 6 5 ； 离合器打滑儿5 例，占总数的1 4 9 4 ；踏板沉重5 3 例，占总数的6 8 8 。因 此，分析离合器工作原理，对离合器尤其是离合器关键部件膜片弹簧进行理论 分析和数值计算，找出故障原因，提出解决方案来降低离合器故障率不仅具有 理论意义，也具有重大的经济利益。 1 2 微型汽车离合器简介 1 2 1 汽车离合器发展简介 在早期开发的离合器以锥形离合器最为成功，它的原型设计曾装在1 8 8 9 年 德国戴姆勒公司生产的钢质车轮的小汽车上口1 。它是将发动机飞轮的内孔做成 锥形作为离合器的主动件。这种方案一直延续到2 0 世纪2 0 年代中叶，对当时 而言，锥形离合器的制造简单，摩擦面容易修复，因而应用广泛。而早期的单 片干式离合器有与锥形离合器相似的问题，即离合器接合时不够平顺。但是， 由于单片干式离合器结构紧凑，散热良好，转动惯量小，所以以内燃机为动力 的汽车经常采用它，尤其是成功的开发了价格便宜的冲压件离合器盖以后更是 如此。 本世纪初，弹簧式离合器开始应用于汽车的发动机与传动系之间，直到现 在已经先后出现了三代产品。根据压紧弹簧型式的不同，可以分为以下三种d 1 ： 第一代产品：螺旋弹簧离合器。最早的干式单片离合器中即采用螺旋弹簧 武汉理工大学硕士学位论文 作为压紧元件，1 9 2 5 年开始采用石棉基摩擦衬片，至1 9 3 0 年结构已较完善， 1 9 3 0 年以来普遍采用。 第二代产品：推式膜片弹簧离合器。推式膜片弹簧离合器最早由美国通用 汽车公司于1 9 3 8 年开始应用于该公司的轿车中，到2 0 纪6 0 年代以来己应用于 各种汽车。 第三代产品：拉式膜片弹簧离合器。2 0 世纪6 0 年代末在原西德f & s 公司首 先研制成功，1 9 8 0 年以来国外大、中、小型汽车都开始使用。 虽然拉式膜片弹簧离合器具有更好的性能，但由于制造、安装不变等原因， 一直没有得到广泛的使用，自今仍然以推式膜片弹簧离合器为主。 1 2 2 离合器的分类 微型汽车离合器主要以摩擦式离合器为主。摩擦式离合器结构类型多，且 可有多种组合。汽车离合器的结构分类见图1 - 1 。 汽车机械式离合器 按操纵传动分 磊哥蓊 按离合器本体分 按从动件形式分l 匐圆圆 吾歹芬1 一 双 塞摩擦面片工作环境分ii 按摩攘初丽芬 j 按有无减震器分 兰坚 按产生工作压力分 纛翥焉云 按弹簧布置位置分 中ij 斜 央ll 置 弹il 弹 簧jj 簧 图国 i 旋i i 片i i 弹fj 替f i 簧i l 管l 周 布 置 弹 簧 石ii 非j | 歪 剿| | | 湖咩 按分离力作用方向分 推式 盟 在 从 动 盘 上 图卜1 汽车机械式离合器分类 2 在 飞 轮 上 多级 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 膜片弹簧离合器简介 本文研究的离合器为干摩擦式膜片弹簧离合器。 膜片弹簧离合器由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等 部分组成，具有结构简单紧凑、操纵轻便、传动可靠、传递准确以及制造容易 率高等特点。早在1 9 3 8 年，美国通用汽车公司首先开始在其雪佛兰轿车上使用， 2 0 世纪6 0 年代末国外轿车、轻型、中型货车几乎已全部采用，7 0 年代后期开 始扩展应用到重型货车。最近十几年来，我国在拖拉机与汽车的离合器上，也 开始配有膜片弹簧离合器。这种离合器不仅在拖拉机和汽车上应用，在纺织、 轻工、食品、包装等机械上，也具有广阔的发展前景。 离合器在实际工作中处于接合状态时，膜片弹簧被压紧到趋于压平状态， 将从动盘摩擦片压紧在飞轮与压盘之间，将发动机动力传递至汽车传动系；当 踏下离合器踏板时，膜片弹簧被继续压缩直至超过压平位置，产生瞬间反锥形 翻转，通过分离杠杆的作用，使压盘升起，从而切断发动机与传动系之间的动 力传递。 p 丸q 九b 九c 九 图卜2 离合器两种压紧弹簧的载荷一变形特性 1 一螺旋弹簧2 一膜片弹簧 在膜片弹簧之前主要以螺旋弹簧离合器为主。膜片弹簧之所以取代螺旋弹 簧成为离合器的关键部件，主要是由于其具有独特的非线性载荷一变形特性如图 卜l 所示h 1 。离合器接合之前，螺旋弹簧处于预加压缩状态，而膜片弹簧则近似 于自由状态。分析两者的弹性特性曲线，膜片弹簧相对螺旋弹簧具有下列优点： 1 ) 转矩容量较大且稳定 如图卜2 所示，在尚未摩擦过的摩擦片结合位置b 点，两种压紧弹簧的压 缩变形量均为入。，工作压紧力p h 也相同。当摩擦片磨损到容许磨损量，在新接 3 武汉理工大学硕士学位论文 合位置a 与a 点，两者的变形量均为入。螺旋弹簧具有线性弹性特性，磨损 后的压紧力p a ，大大低于工作压紧力p b ，于是使离合器产生滑磨，降低了传 递转矩的能力。而膜片弹簧具有非线性弹性特性，如设计正确，磨损后的压紧 力p 。大于p 4 ，仍可保持接近于p 。，从而使离合器的转矩容量仍可保持较大且 较稳定而不致产生滑磨。据统计，同尺寸的膜片弹簧离合器比螺旋弹簧离合器 的转矩容量大1 5 左右喳1 。 2 ) 踏板操纵较轻便 主要有两点原因。 首先，由于膜片弹簧具有非线性弹性特性，当压盘升程为入。，时，在彻底分 离位置的分离力为p c 。，此力显然小于压缩螺旋弹簧的分离力p c 。同时由于离 合器中采用了传动片的装置，它具有轴向弹性，在分离时其弹性恢复力和分离 力方向一致；其次，在膜片弹簧离合器中还取消了分离杆装置而采用传动片装 置，减少了这部分的摩擦损失，两者都使踏板操纵力减少。 尽管膜片弹簧离合器比螺旋弹簧离合器具有许多优点，但仍然存在一些有 待解决的问题。在这些问题中，如何提高膜片式弹簧离合器的使用寿命和使用 效率尤为突出。由于膜片弹簧的结构特别，使用环境恶劣，而离合器本身就是 磨损元件，因而故障现象众多，诸如抖动、踏板力沉重、异常磨损乃至烧蚀等 现象。而汽车在行车过程中频繁换档，膜片弹簧也可能在强压、高温中不断的 承受交变载荷而出现疲劳损坏，使得膜片弹簧热衰退而出现工作压力下降造成 工作压力不足出现的滑磨，这些都加速了离合器的损坏。 1 3 膜片弹簧研究的国内外现状 自2 0 世纪初以来各国学者对膜片弹簧的力学性能计算进行过不少研究。 1 9 3 0 年，美国斯坦福大学的铁摩幸柯提出了著名的铁摩幸柯假设，开始了对膜 片弹簧的研究。1 9 3 6 年，美国通用汽车公司研究实验部工程师阿尔曼 ( j 0 a l m e n ) 和拉兹罗( a l a s z l o ) 根据铁摩幸柯假设，推导出了著名的a l 公式，奠定了膜片弹簧的计算基础阳1 。此后各国学者又在对a l 法进行了进 一步研究的基础上，提出了更加完善的计算公式。如c u r t i g ，o r l a n d o m ， p o d d a g 于1 9 8 0 年仿效a l 的推导，将假设条件作了改动，得到了更准确的 计算方法h 1 。1 9 8 2 年，德国许伯纳用完整的集合非线性薄壳理论，推导出微分 方程式，然后积分计算，被称谓“精确解法”。 在国内，对于膜片弹簧的优化是目前离合器的设计一个比较令人关注的热 点。近几年出版的专著及发表的文献都对现有的膜片弹簧离合器优化设计有一 4 武汉理工大学硕士学位论文 定的研究。如江苏理工大学的夏长高和朱茂桃的汽车离合器膜片弹簧优化设 计的数学模型分析呻3 、彭书志的重载机械膜片弹簧离合器的优化设计曲1 、 赵晋敏、杨万福等人在汽车离合器膜片弹簧的模糊可靠性优化设计n 中都 是采用对单目标函数进行优化。多目标优化设计方法也得到了使用，如廖林清、 陈益的基于灵敏度分析的工程稳健优化设计方法及其应用n 1 3 等都取得了较 好的结果。但是，研究膜片弹簧杠杆比对于离合器性能的影响的文献还没有看 到。 1 4 本文研究的目的和意义 对于膜片弹簧离合器，膜片弹簧是其最关键的零部件。离合器几乎所有的 重要参数都与膜片弹簧相关。离合器的工作压力和最大分离力都是由膜片弹簧 载荷一变形特性来决定的；离合器分离时，膜片弹簧的大端变形体现在压盘升 程，离合器的分离行程体现在膜片弹簧的小端变形。因此研究离合器膜片弹簧 的力学性能，尤其是膜片弹簧的载荷一变形特性随杠杆比及膜片弹簧厚度的变 化性能，对研究并解决现实中离合器的故障现象具有非常重要的意义。 1 5 本文的主要任务和组织 1 5 1 主要任务 本文主要分析离合器的结构性能、工作原理与状况及膜片弹簧力学性能， 提炼出膜片弹簧的数学模型。计算并分析离合器膜片弹簧的载荷一变形特性。 通过分析某微型汽车生产公司两种离合器供应商的离合器的力学状况，计 算离合器膜片弹簧的载荷一变形特性随膜片弹簧杠杆比及厚度的变化规律，比 较在不通杠杆比及膜片弹簧厚度的情况下，膜片弹簧的力学性能。并根据多组 计算结果，分析比较两种离合器的性能优劣，并对不合理的数值提出优化方案。 最后，通过对离合器膜片弹簧进行静力学分析及模态分析，校核当前状态 下，两种离合器的性能，验证之前得到的结论。并作出总结和展望。 1 5 2 主要组织 本文的内容安排如下： 第一章为本论文的绪论，介绍离合器的发展以及膜片弹簧离合器的发展与 特点。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章主要介绍膜片弹簧离合器盖总成和从动盘总成的结构以及离合器工 作原理。 第三章研究离合器膜片弹簧载荷一变形特性计算原理以及a l 计算方法及 理论推导。 第四章针对微型汽车离合器普遍发生的故障，从动力学方面找出原因，以 膜片弹簧杠杆比为研究方向，并通过改变离合器膜片弹簧厚度获得离合器工作 压力及最大分离力曲线。找出离合器载荷一变形特性曲线随杠杆比及膜片弹簧 厚度变化的规律。 第五章介绍有限元分析原理及采用有限元分析方法对离合器膜片弹簧仿真 计算，得出应力云图，校核膜片弹簧的应力状态。 第六章对本文的主要研究工作进行了总结，对本课题的进一步工作进行了 展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章离合器工作原理及结构 2 1 膜片弹簧离合器工作要求 为了保证离合器具有良好的工作性能，汽车离合器应具备以下基本要求： 1 ) 在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩 储备。 2 ) 接合时要平顺柔和，以保证汽车起步时没有抖动和冲击。 3 ) 分离时要迅速、彻底。 4 ) 离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击，便 于换挡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散热效果，以保证工作温度不致过高， 延长其使用寿命。 6 ) 应使传动系避免扭转共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能 力。 7 ) 操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳。 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，以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，以保证其工作可靠、寿命长。 1 0 ) 结构应简单、紧凑、质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便等。 2 2 膜片弹簧离合器的工作原理 广以上来讲，摩擦离合器由主动部分( 包括：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。 离合器的工作过程是离合器操纵机构对离合器的作用结果。 就当前研究的干式单片摩擦离合器而言，按其功能要求，结构上应由下列 几部分组成：主动件、从动件、膜片弹簧和分离杠杆。其结构原理图如图2 - 1 所示： 7 武汉4 i 太学硕十学位论文 ( a ) 离台器接台状态 ( b ) 离合嚣分商状态 图2 - 1 离合器结构 l 一飞轮2 一从动盘总成3 一压盘4 一分离杆5 一分离套筒6 分离器 制动7 一离合器踏板8 一压紧弹簧9 一离合器盖1 0 一变速器第一轴( 离合 嚣输出轴)1 1 一分离拨叉及操纵连接杆 从圈2 - 1 中可以看到，压盘3 、分离杆4 和压紧弹簧8 一起组装在离合器盖 9 内，称为离合器盖总成，盖总成通过螺栓安装到发动机的飞轮上，飞轮1 和 压盘3 为主动件，发动机的转矩通过这两个主动件输入，飞轮l 和压盘3 之间 为从动盘总成2 ，它作为从动件通过摩擦接受由主动件传来的输入转矩，并通 过其中问的从动盘毅花键输出转矩( 由变速器第一轴1 0 接受) 。膜片弹簧8 通过 压盘3 把从动盘总成紧紧压在飞轮上，形成工作压力。当发动机工作带动飞轮 l 和压盘3 一道旋转时，通过压盘上压紧弹簧产生的工作压力所形成的摩擦力， 带动从动盘总成旋转，完成转矩的输出。 如图2 1 ( a ) 所示，离合器通常总是处于接合状态。当需要切断动力时，驾 驶员通过离合器操纵系统中的踏板7 ，并经过操纵传动杆系及分离拨叉l l 推动 分离套筒5 向前，消除间隙，使分离杆4 绕其在离合器盖9 上的支点转动，克 服压紧弹簧8 的工作压力后，压盘3 向后移动，从动盘总成2 和压盘3 脱离接 触。图2 一l ( b ) 所示从动盘总成2 不再输出转矩：分离套筒向左移动时，在消除 间隙r 后，输出轴1 0 受到了制动，转速很快下降，此种状况称为离合器制动， 目的是为了容易换挡。但这种离合器制动主要用在重型离合器上，一般离合器 不一定采用。分离杆和分离轴承之间的间隙a y 通常是需要的，因为从动盘总 成因摩擦面磨损后会使压盘3 向左移动，如果这一移动受到分离轴承的限制， 就会导致压盘3 不能很好地压紧摩擦面，造成从动盘在传扭时发生打滑现象。 武汉理工大学硕士学位论文 离合器使用一段时间后由于间隙消失需要重新调整。 2 3 膜片弹簧离合器工作过程分析 图2 - 2 是离合器在车辆动力传动系统中的位置及力学示意图。 jc je w e t et c 1一、 一 j t 虫d t t c t n 一、 、 j j c 普 w 宅 图2 - 2 摩擦离合器接合过程的力学模型 以离合器主从动盘为界分别进行动力学分析，建立动力学方程为n 铂： 对于主动件： 以鲁2 z 协。， 对于从动件： 以鲁2 互 。2 之， 上式及图2 - 2 中，以是发动机转动部分惯量( 主要来自飞轮) ；也是等效到变 速器输入轴上的车辆平动、转动惯量。崩为换算到离合器从动部分上的汽车 阻力矩，c 为作用在从动部分上的摩擦力矩。 2 3 1 离合器接合过程的三个过程 微型汽车离合器的接合过程可分为3 个阶段，如图2 - 3 所示： 9 武汉理工大学硕士学位论文 一、 u 1 a l 、 、 z 、_ l - 一 七a 七k七s 图2 3 汽车起步时离合器接合过程示意图 图2 - 3 中乞为空滑结束时刻；为工作滑动结束时刻，气为离合器摩擦力 矩保持不变的初始时刻；吧为主动盘角速度；皱为从动盘角速度。 1 ) 空滑阶段 时间为o f 4 ，由于小于乙，所以从动部分的角速度哝仍然为0 ，汽车尚 未开动，而离合器开始滑磨。 2 ) 工作滑动阶段 时间为乞，此时由于乏开始大于乙，汽车开始起步，从动部分的角速 度皱开始迅速上升，而发动机的角速度皱开始迅速下降，到时刻，主从动部 分的角速度达到一致时，离合器的滑磨停止。 3 ) 共同运转阶段 时间从t s 开始，此时离合器的主从动部分角速度一致，一段时间以后将达到 共同的稳定角速度。此时，离合器处于稳态。 2 3 2 离合器的接合工况分析 离合器的接合状态是从完全分离到完全接合状态问的过渡状态，从其传递 的摩擦力矩来看，就是离合器传递的摩擦力矩从o 按照一定规律变化到i ，而 摩擦片本身也存在静态摩擦力矩与动态摩擦力矩之间的过渡，这种接合状态又 分为两种工况n 3 h 埔1 ： ( 1 ) 起步接合过程 图2 4 是起步过程中，离合器转速、转矩变化示意图。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 七1 七2七3 七4 七5 时间s l t c s - ，一r _ n s 尼 - t n f 图2 - 4 起步过程离合器转速转矩示意图 其中l 口是离合器静态摩擦力矩，国( 彩2 纹一q ) 是离合器主从动片 转速差。 o 阶段，霉 l ：， l c 继续增大到极大值，皱开始减小，皱继续增大，转速差a c o 开始变小。毛 阶段，c 持续减小，直到2 c = 。，转速差彩一直减小到o 。气毛阶段是离 合器快速接合的阶段，此时离合器已经停止滑磨，开始正常传递发动机转矩。 离合器静态摩擦力矩a 在0 咕的时间内一直随离合器行程而增大，直到其 最大值 ( 2 ) 换档接合过程 除起步过程之外，由分离向接合过渡的过程还包括换档结束后离合器由分 离向接合过渡的过程。除与起步过程类似的情况外，当降档后接合离合器，这 个过程还可能出现 o ，而由于彩2 皱一q 0 ，l c 1 ； 暑，五分别为在支撑半径l ，1 处所受载荷及产生的变形量 在大端力片作用下，小端加载半径名处载荷变形公式 由图知： 矽= 刍= 苦得：五= 互等 代入公式( 3 - 1 1 ) 得： 日= 砑z e h , ，高为 ( 蹦z ) 红舭 仔 其中，岛为小端力臂比，红：_ r - r 1 。 名为由大端变形而引起的小端变形量。 3 2 5 小端加载时膜片弹簧的载荷一变形计算 碟形弹簧受载变形时，在相同外力矩m 下就会得到相同转角矽，因此， m = 号犯一力= p 2 ( t - r , , ) 将上式联立( 3 1 1 ) ，可得在小端载荷作用下，大端l 处的载荷变形公式： 昱2 器高b c 蹦训h - o 5 k - 4 m 在小端载荷罡作用下，小端。处的载荷变形公式： 昱= 而n e h ，蒿陋 乞名m 俘 在小端载荷忍作用下，小端名处的总变形量兄由两部分组成： 1 ) 由于膜片弹簧子午截面从接合状态开始受载荷最转动角位移矽而产生的 变形量z ， k = 生：生：生：墨 1 三一j 五 五厂 昱 所以：乞厂= 弓五厂 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 由分离指在小端载荷p 2f 的弯曲变形量( 扰度) 互，因分离指的数目 1 较多，而初始锥底角又较小，如将分离指的切向曲率略去不计，则可取其切 向截面的矩形，宽度方向为梯形，将分离指看成是由两段梯形形状所组成的悬 臂梁。由此，可利用材料力学求变形公式，可求得： 秘等+ j ：等 其中： m = 鲁( 一) ，j = 一，l a - 2 a 露r 嘏西h 3 ，l ：= 丝等西h 3 积分得： 小等引一2 地桃黪一和匕一扣枷 其中： , 4 - 1 一而n ， 冗、r t + r 、 层= 1 一瓦2 丽n 巧，磊分别为膜片弹簧的小端槽宽与窗孔槽宽。 3 3 本章小结 离合器膜片弹簧的力学性能复杂，本章通过分析膜片弹簧工作状况的三种 状态，通过简化膜片弹簧的力学模型进行力学计算，得出膜片弹簧的大端与小 端的载荷一变形特性公式，为进一步的理论计算做准备。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章膜片弹簧离合器杠杆比研究 4 1 离合器的力学分析 4 1 1 发动机初始参数与膜片弹簧材料性能 发动机的初始参数是离合器设计以及选择时的重要依据。表4 1 是某微型 汽车的两种车型的发从机初始参数。 表4 - 1 发动机参数 车型i 型 型 整车满载质量n 1 d k g 1 5 5 0 1 9 8 0 发动机最大功率p k w 6 3 6 0 0 06 3 6 0 0 0 发动机最大扭矩t 一n m 10 8 4 0 0 010 8 4 0 0 0 轮胎滚动半径r k 2 7 22 9 4 起步档速比i 。3 7 6 9 3 6 5 2 主减速比i 。3 9 0 95 1 2 5 发动机最大转速v ( r r a i n )6 0 0 06 0 0 0 针对两种车型的离合器，主要有两家离合器的供应商提供，分别是a 型与b 型。在离合器的应用过程中，a 型离合器的突出故障是踏板力沉重，b 型离合器 的故障主要有异常磨损以至烧蚀，在热机启动时，难挂挡，而在冷机启动时这 种想象却并不是非常明显。 膜片弹簧的材料主要有6 0 s i 2 m n a 和5 0 c r v a ，其中，6 0 s i 2 m n a 中s i 的含量 高，易产生石墨化现象和使材料表面有脱碳倾向 2 0 , 2 1 j以及在钢中形成硅酸盐 夹杂物，易产生淬火开裂和降低疲劳寿命，故其逐渐被5 0 c r v a 替代。论文研究 的a 型与b 型两种离合器膜片弹簧材料都是5 0 c r v a 。其材料性能如表4 2 陛引： 表4 2 膜片弹簧的材料性能 参数名数值 膜片弹簧材料为 5 0 c r v a 屈服极限o 。 1 1 3 0m p a 抗拉强度o 。 1 2 7 5m p a 2 1 0 g p a ( 2 0 ) 、1 9 5 6 p a ( 2 0 0 ) 弹性模量e 1 8 5g p a ( 3 0 0 ) 、1 7 5g p a ( 4 0 0 ) 剪切模量g 8 3g p a ( 2 0 ) 密度p 7 8 5 9 c m - 3 泊松比u 0 2 9 0 武汉理工大学硕士学位论文 下面将分别对这两种离合器进行力学分析与计算，找出故障原因，提出优 化方案。 4 1 2 工作压力的计算 离合器工作压力的计算，有以下公式： 以一= z r , , u n 其中，互嗽：发动机最爱扭矩；z ：摩擦工作面数，单片摩擦离合器z = 2 ； u ：摩擦系数，根据实验及实际情况，取0 2 7 ：后备系数，轿车和微型、轻型货车1 3 = 1 2 0 1 7 5 ，中型和重型货车 1 3 = 1 5 0 2 2 5 越野车、带拖挂的重型汽车和牵引汽车1 3 = 1 8 0 4 0 0 。本 论文研究的某微型汽车，由于使用不当，经常用来载货，因此，后备系数应在 微型汽车的范围内取大值，设计取1 3 洲。 r 为有效摩擦作用半径，与离合器从动盘摩擦面片的内外半径有关。实际 使用中，由于温度等因素影响使摩擦片与压盘的接触表面翘曲变形使工作压力 分布不均，摩擦系数在各处也并不相等，因此为简化模型，可以认为 r = 0 5 ( r o - - i - r ) 其中，r d ，足分布为摩擦片的外半径和内半径。 由此可知： a 型离合器摩擦面片的有效作用半径：r = 0 5 ( 9 5 + 6 3 7 5 ) = 7 9 3 7 5 m m ； b 型离合器摩擦面片的有效作用半径：r = 0 5 ( 9 0 + 6 5 ) = 7 7 5 m m 因此，其对于a 型离合器，要求其工作点载荷 n = 膨e m a x ： ! ：三兰! q 璺 ：3 4 0 1 k n z r e 弘 2 x 7 9 3 7 5 0 2 7 b 型离合器： n ：卯e m a x ：! ：型塑：3 4 8 4 k n z r , , a 2 x7 7 5 x0 2 7 而对于离合器的工作压力，所要求的值不应该只是常温下的工作压力，如 果仅仅满足常温工作压力的要求，而当汽车热机启动时，膜片弹簧的弹性模量 将会从2 0 c 时的2 1 e 5 m p a ，在2 0 0 c 时变为1 9 5 e 5 m p a ，从而根据离合器膜片 弹簧的载荷一变形特性公式可知，在其它参数都不变的情况下，工作工作压紧 力将下降( 2 卜1 9 5 ) 2 1 = 7 1 4 9 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 所以，有可能工作压紧力将会不能满足要求，从而在热机启动或者当汽车 超载时，因为工作压紧力不足而出现挂不上档、滑磨以至烧蚀现象。b 型离合 器经常出现热机难挂挡和烧蚀的故障，也主要是这个原因。 因此，对于汽车离合器的工作压紧力设计，主要是计算膜片弹簧的工作载 荷。通过改变杠杆比和膜片弹簧厚度，从而找到一个合理的值，既要满足工作 压紧力的要求，又要满足当离合器分离时，踏板踩下，根据人机工程学的要求， 其分离力要小于1 1 0 n ，这样，通过操纵机构，换算到离合器小端工作点载荷不 应该大于1 2 l ( n 。 离合器工作压力的设计，应该首先满足在热机启动的状况，因此上述的计 算应是2 0 0 * ( 2 时的工作压力。离合器在工作环境温度2 0 0 。c 时，要求， a 型：p b = 3 4 0 2 l ( n ； b 型：p b - 3 4 8 4l ( n ； 这样，当工作环境温度为2 0 时，其工作压力为： ， 1 a 型离合器：只= 3 4 0 2 二二= 3 6 6 4 k n 。 1 9 5 ，1 b 型离合器：最= 3 4 8 4 二三= 3 7 4 6 k n 。 1 9 5 此时的值才是设计应该满足的要求。由此，也可以看出，由于b 型的摩擦 片结构设计的不合理，内半径过大，摩擦片面积过小，所要求的工作压紧力要 相对大一些，这样更容易出现工作压紧力不足的现象。 对于膜片弹簧离合器的工况特性曲线与膜片弹簧零件的工况特性曲线相似 而不相等，但前者计算复杂，因此，一般可根据离合器不同的结构参数，按实 验经验对后者加以修正。对于载荷计算值( 按a l 法) 一般高于实际载荷变形 曲线。因此，对于修正，计算值对于实际值，应减小7 。 所以，理论计算值 a 型离合器膜片弹簧：p = 只0 9 3 = 3 9 4 k n b 型离合器膜片弹簧：尸= 只0 9 3 = 4 0 2 8 k n 因此，在计算时，而者要求满足工作压紧力值应至少大于4 0 i n 。 4 2 杠杆比在膜片弹簧离合器中的意义 4 2 1 膜片弹簧的作用 膜片弹簧大端承载的是工作压力，小端承载的是分离力；大端变形反映压 盘升程，小端变形又可以反映分离行程。因此，膜片弹簧的载荷变形特性是离 武汉理工大学硕士学位论文 合器性能的最重要的因素。而膜片弹簧的杠杆比，可以有效的反映大端的工作 压力和小端的最大分离力。因此，杠杆比就可以突出的体现离合器的性能。 4 2 2 杠杆比的定义及影响 杠杆比用k 表示，表达式为渊： 后：l - r r l j 杠杆比对膜片弹簧性能的影响 七：生：笠：墨 乙一f 五罡 其中，五、五为大端和小端的变形。 各参数的意义如图4 - 1 所示： p t 1 ，自由状态；2 ，结合状态；3 ，分离状态 图4 1 膜片弹簧受力简图 h a ) p 。- - f ( 入。) ( 4 - 1 ) ( 4 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 p e p b ) p 2 - - f ( 入：) c ) p 。= f ( 入。) ，p ；- - - - - f ( 入f ) 图4 2 离合器膜片弹簧载荷一一变形特性 上图中，o 。到经s 处到0 ：为结合过程，从o n 到b ：经p ：一入。，是理论上的分离 特性。考虑离合器盖或从动盘轴向弹性等变形时膜片弹簧，其分离特性将为： p 。2 0 3(。3)04 图4 - 3 考虑离合器盖或从动盘轴向弹性等形变时的分离特性 3 l 武汉理工大学硕士学位论文 由于离合器盖，膜片弹簧分离指等的弹性变形，使r 一入：，曲线的开始阶段 o n b ：段呈凸弧形曲线，最大值f b 在b ：点处，入。，一入：，特性是一根折线，由两段 直线所组成： 1 ) 开始阶段0 2 晚为一水平直线，入。，为0 ，0 2 0 3 = 名，表示由于离合器盖与分