高级轿车的单片周布式弹簧离合器设计说明书毕业论文.doc

前 言 随着科技的飞速发展 特别是液压技术 电子技术在汽车领域的广泛应用 汽车 传动系发生了巨大的变化 作为传动系重要组成部件之一的离合器总成 担负着传力 减震和防止系统过载等重要作用 伴随着自动变速器技术及与之相配套的离合器技术 的应发动机的高转速 增加离合器传递转矩的能力和简化操作 已成为离合器目前发 展趋势 本文主要是对高级轿车的单片周布式弹簧离合器进行设计主要依据国家有关离合 器设计的法规和标准 以及汽车行业国家标准手册中的标准等 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 主要进行了以下工作 1 相关设计 参数的选择 摩擦片外经 D 的确定 离合器后备系数的确定 单位压力 p 的确定 2 总成设计 分离装置的设计 从动盘的设计 从动盘毂的设计 和圆柱螺旋弹簧 设计等 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 1 第 2 章 设计任务及相关设计参数 3 2 1 任务来源及设计依据 3 2 2 设计原则和设计要求 3 2 3 课题内容及要求 3 第 3 章 摩擦式离合器的结构型式及工作特性 5 3 1 摩擦式离合器的结构型式 5 3 1 1 周布弹簧离合器 7 第第 5 5 章章 离合器零件的结构选择型及设计计算离合器零件的结构选择型及设计计算 2222 5 1 从动盘总成 22 5 1 1 从动盘结构 22 5 1 2 从动盘总成设计 22 5 1 3 从动盘摩擦材料 24 5 2 压盘和离合器盖 25 5 2 1 压盘设计 25 5 2 2 离合器盖设计 26 5 3 离合器的分离装置设计 27 5 3 1 分离杆设计 27 5 3 2 分离轴承及分离套筒 28 5 4 圆柱螺旋弹簧设计 29 5 4 1 结构设计要点 29 5 4 2 弹簧的材料及许用应力 29 5 4 3 弹簧的计算 30 第 6 章 扭转减振器简单设计 22 6 1 扭转减振器的结构简单介绍 29 6 2 减振器弹簧设计 29 第 7 章 操纵机构设计 22 7 1 操纵机构设计要求 29 7 2 操纵机构的类型 29 7 3 机械式操纵机构的主参数 29 第 8 章 结论与展望 30 致 谢 32 参考文献 33 附 录 34 摘 要 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 离合器的输出轴就是变速箱的输入轴 在汽车行驶过程中 驾驶员可 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和逐渐结合 以切断或 传递发动机向变速器输入的动力 其功用为 1 使汽车平稳起步 2 中断给传 动系的动力 配合换挡 3 防止传动系过载 本文主要是对高级轿车的单片周布式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 主要进行了以下工作 选择相关设计 参数主要为 摩擦片外径 D 的确定 离合器后备系数 的确定 单位压力 P 的确定 并进行了总成设计主要为 分离装置的设计 从动盘的设计 从动盘毂的设计 和圆 柱螺旋弹簧的设计等 关键词 飞轮 离合器 设计 ABSTRACT Automobile Clutch in the engine and gearbox between the flywheel shell with screw will be fixed in the clutch assembly after the plane of the flywheel clutch gearbox output shaft is the input shaft In the process of moving vehicle the driver may need Pedal or release the clutch pedal so that the engine and gearbox temporary separation and progressive joint to cut off the engine or transmission to the transmission input power Its function as 1 the car a smooth start 2 to interrupt the transmission of power to meet the shift 3 to prevent transmission of the overload This paper is the single car high level cloth spring clutch design According to traffic conditions and vehicle parameters in accordance with the clutch system of steps and requirement mainly for the following works Select the design for the main parameters the determination of friction diameter D the determining factor clutch reserve the pressure on the units identified P And the design of the main assembly the separation device design set design and follower the hub driven design and cylindrical coil spring design Keywords Flywheel Clutch design 第 1 章 绪 论 离合器位于发动机离心力作用下使蹄紧贴鼓面 蹄 鼓式离合器用的摩擦元件是 木块 皮革带等 蹄 鼓式离合器的重量较锥形离合器轻 无论锥形离合器或蹄 鼓式 离合器 都容易造成分离不彻底甚至出现主 从动件根本无法分离的自锁现象 现今所用的盘式离合器的先驱是多片盘式离合器 它是直到 1925 年以后才出现 的 多片离合器最主要的优点是 汽车起步时离合器的接合比较平顺 无冲击 早期 的设计中 多片按成对布置设计 一个钢盘片对着一青铜盘片 采用纯粹的金属的摩 擦副 把它们浸在油中工作 能达到更为满意的性能 浸在油中的盘片式离合器 盘子直径不能太大 以避免在高速时把油甩掉 此外 油也容易把金属盘片粘住 不易分离 但毕竟还是优点大于缺点 因为在当时 许多 其他离合器还在原创阶段 性能很不稳定 石棉基摩擦材料的引入和改进 使得盘片式离合器可以传递更大的转矩 能经受 更高的温度 此外 由于采用石棉基摩擦材料后可用较小的摩擦面积达到较大的输出 转矩 因而可以减少摩擦片数 这是由多片离合器向单片离合器转变的关键 20 世纪 20 年代末 直到进入 30 年代时 只有工程车辆 赛车和大功率的轿车上才使用多片 离合器 于技术设计上的缺陷 造成了单片离合器在接合时不够平顺的问题 第一次 世界大战后初期 单片离合器的从动盘金属片上是没有摩擦面片的 摩擦面片是贴附 在主动件飞轮和压盘上的 弹簧布置在中央 通过杠杆放大后作用在压盘上 后来改 用多个直径较小的弹簧 沿着圆周布置直接压在压盘上 成为现今最为通用的螺旋弹 簧布置方法 这种布置在设计上带来了实实在在的好处 使压盘上的弹簧的工作压力 分布更均匀 并减小了轴向尺寸 多年的实践经验和技术上的改进使人们逐渐趋向于首选单片干式摩擦离合器 因 为它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 而且由于在结构上采取一定措施 已能做到接合盘时平顺 因此现在广泛 采用于大 中 小各类车型中 如今单片干式离合器在结构设计方面相当完善 采用具有轴向弹性的从动盘 提 高了离合器原有基础上得到不断改进 客用车上越来越多地采用具有双质量飞轮的扭 转减振器 能更好地降低传动系的噪声 对于重型离合器 由于商用车趋于大型化 发动机功率不断加大 但离合器允许 加大尺寸的空间有限 离合器的使用条件越来越严峻 增加离合器传扭能力 提高使 用寿命 简化操作 已成为重型离合器当前的发展趋势 为了提高离合器的传扭能力 在重型汽车上可采用双片干式离合器 从理论上讲 在相同的径向尺寸下 双片离合 器的传扭能力和使用寿命是单片的 2 倍 但受到其他客观因素的影响 实际的效果要 比理论值低一些 近年来湿式离合器在技术上不断改进 在国外某些重型车上又开始采用多片湿式 离合器 与干式离合器相比 由于用油泵进行强制冷却的结果 摩擦表面温度较低 不超过 93 因此 起步时长时间打滑也不致烧损摩擦片 查阅国内外资料获知 C 这种离合器的使用寿命可达干式离合器的 5 6 倍 但湿式离合器优点的发挥是一定要 在某温度范围内才能实现的 超过这一温度范围将起负面效应 目前此技术尚不够完 善 离合器的主要功能是切断和实现对传动系的动力传递 其主要作用为 2 1 汽车起步时将发动机与传动系平顺地结合 确保汽车平稳起步 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 离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用 或是用液体作为传动介质 液力耦合器 或是利用磁力传动 电磁离合器 来传递转矩 使两者之间可以暂 时分离 又可逐渐结合 在传动过程中又允许两部分互相转动 目前在汽车上广泛采用的是用弹簧压紧的摩擦离合器 简称摩擦离合器 摩擦离合器主要由主动部分 发动机飞轮 离合器盖和压盘 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结合状态并能传递动 力的既不能结构 操纵机构是使离合器主 从动部分分离的装置 由于离合器在汽车 上的重要作用 因此其设计应满足以下要求 3 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 10 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 第 2 章 设计任务及相关设计参数 2 1 设计任务及依据 设计任务 根据重庆交通大学 2012 届毕业设计选题 选择了高级轿车单片周布 式弹簧离合器设计 设计依据 国家有关离合器设计的法规和标准 以及汽车行业国家标准手册中的 标准等 2 2 设计原则和设计要求 设计原则 3 1 通过对离合器进行设计 以满足动力系统分离和结合的要求 2 产品设计应符合国家有关标准 在满足使用性能的前提下零件尽可能采用 国内先进技术和成熟的产品 保证产品的通用化和系列化 除此之外由于离合器的重要性其设计还应满足离合器的设计要求 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 10 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 3 设计的课题内容及要求 已知参数 汽车总质量 1210 发动机最大输扭矩 220N m 3000rpm 轮胎规格 6 70 13 r 0 303m 一挡总减速比 17 4 k 设计要求 设计一单片周布式弹簧离合器 设计时应进行法案对比分析 进行离合器结构设 计 并进行滑摩功 压片弹簧 从动盘花键毂强度进行校核 第 3 章 摩擦式离合器的结构型式及工作原理 3 1 摩擦式离合器的结构型式 对于摩擦离合器 根据其所用从动盘的数目 压紧弹簧的形式及其安装方式以及 操纵机构形式的不同 其总体结构也各不相同 对轿车和轻 中型客车和货车而言 发动机的最大转矩一般不是很大 在汽车总 体布置尺寸容许的条件下 离合器中通常只设有一片从动盘 其前后两面都装有摩擦 片 因而具有两个摩擦表面 这种离合器称为单盘离合器 如图 3 1 所示 其结构简 单 调整方便 轴向尺寸小 分离彻底 从动部分转动惯量小 散热性能好 如果用 有轴向弹性的从动盘时结合也比较平顺 目前在一些发动机最大转矩不大于 1000N m 的大型客车和重型货车上也有应用 图 3 2 3 3 为其组成和工作原理 图 3 1 1 离合器壳底盖 2 飞轮 3 摩擦片铆钉 4 从动片 5 摩擦片 6 减震器盘 7 减震器弹 簧 8 减震器阻尼片 9 阻尼片铆钉 10 从动盘毂 11 变速器第一轴 离合器从动轴 12 阻 尼弹簧铆钉 13 减震器阻尼弹簧 14 从动盘铆钉 15 从动盘铆钉隔套 16 压盘 17 离合器盖 定位销 18 离合器壳 飞轮壳 19 离合器盖 20 分离杠杆支承柱 21 摆动支片 22 浮动销 23 分离杠杆体调整螺母 24 分离杠杆弹簧 25 分离杠杆 26 分离轴承 27 分离套筒回位 弹簧 28 分离套筒 29 变速器第一轴承盖 30 分离叉 31 压紧弹簧 32 传动片铆钉 33 传 动片 一 离合器组成 离合器盖用螺栓固定在飞轮上 压 盘圆周上的凸起伸入盖6的窗孔中 主动部分 从动部分 带摩擦衬片的从动盘3 通过滑 动花键套在从动轴上 压紧装置 沿圆周均布的压紧弹簧装在理合 器盖和压盘之间 分离装置 分离杠杆外端和中部分别铰接 于压盘和离合器盖上 分离轴 承和分离套筒压装成一体 分 离叉是中部有支点的杠杆 1 2 图 3 2 摩擦片式离合器的结构组成 4 1 二 离合器工作原理 1 接合状态 摩 擦 片 飞 轮 发 动 机 转 矩 压 盘 从 动 盘 毂 从 动 轴 离 合 器 盖 2 分离过程 踩 下 踏 板 拉杆 拉分 离叉 内端 左移 分 离 轴 承 左 移 推动 分离 杠杆 内端 前移 分离 杠杆 外端 拉动 压盘 后移 压 缩 压 紧 弹 簧 解 除 压 力 3 接合过程 抬 起 踏 板 分离轴承 减小对分 离杠杆内 端的力 压盘在压 紧弹簧作 用下逐渐 回位 图 3 3 摩擦片式离合器的工作原理 2 为了使汽车能平稳起步 离合器应能柔和结合 这就需要从动盘在轴向具有一定 弹性 为此 往往在从动盘本体圆周部分 沿径向和周向切槽 再将分割形成的扇形 部分沿周向翘曲成波浪形 两侧的两片摩擦片分别与其对应的凸起部分相铆接 这样 从动盘被压缩时 压紧力随翘曲的扇形部分被压平而逐渐增大 从而达到结合柔和的 效果 由上面我们知道摩擦离合器按压紧弹簧形式的不同可以分为周布弹簧离合器 中央弹簧离合器和膜片弹簧离合器 按从动片数目不同可以分为单盘摩擦离合器 双 盘摩擦离合器 从动片数目 压紧弹簧的形式及安装位置 以及操纵机构形式的不同 其总体构造也有差异 摩擦离合器所能传递的最大转矩的数值取决于摩擦面间的压紧 力和摩擦系数 以及摩擦面的数目和尺寸 3 1 1 周布弹簧离合器 单片周布弹簧式离合器的构造如图 3 1 所示 离合器的主动部分 从动部分和压 紧机构安装在发动机后部的离合器壳内 而操纵机构的各个部分分别位于离合器壳内 部 外部和驾驶室中 1 主动部分 离合器盖是用低碳钢冲压成的 为了保证离合器与飞轮同心 离合器盖通过定位 销地更为 固定按装在飞轮上 为了散热 离合器盖的侧面制有通风口 当离合器旋 转时 就由此抽出 以加强通风 压盘的平面和飞轮的平面一起组成了主动件的摩擦 面 平面要平整并经磨光 压盘承受很大的机械负荷 为防止使用中变形 常用强度 和刚度都较大且耐磨性和散热性能都比较好的高强度铸铁制成 压盘和离合器盖之间是通过周向均匀布置的四组传动片来传递扭矩的 传动片用 弹簧钢片制成 每组钢片 其一端用铆钉铆在离合器盖上 另一端则用螺钉与压盘相 连接 在离合器分离或结合过程中 依靠弹簧片的弯曲变形 使压盘前后移动 正常 工作时 离合器盖通过传动片拉动压盘旋转 2 从动部分 从动部分的主要部件是从动盘其结构如图 3 4 所示 从动盘的基本结构是由两片 摩擦衬片和从动钢片 从动盘毂组成 从动盘钢片通常是用薄弹簧钢板制成 并与从 动盘毂铆在一起 其上开有辐射状的槽 可防止热变形 摩擦衬片应有较大的摩擦系 数 良好的耐磨性和耐热性 衬片和从动钢片之间一般用铜或铝铆钉铆合 也有的用 树脂粘接的 为了使离合器结合柔和 启动平稳 单片离合器从动盘钢片具有轴向弹 性特性结构 从动盘钢片与后衬片之间有六块波浪形弹簧片就其轴向弹性的作用 钢 片辐射状切槽之间的扇形面上有六个孔 其中两孔与前衬片铆接 弹簧片有两孔与后 衬片铆接 最后扇形面中间的两孔将钢片和弹簧铆接在一起 这样 从动盘在自由状 态时 后衬片与钢片之间有一定间隙 在离合器结合时 弹性变形使压紧力逐渐增加 产生轴向弹性 结合柔和 由于发动机传到汽车传动系的转速和扭矩是周期地不断变 化的 这就使传动产生扭转振动 另一方面由于汽车行驶在不平的道路上 使汽车传 动系出现角速度的突然变化 也会引起上述扭转振动 这些都会对传动系零件造成冲 击性载荷 使其寿命缩短 甚至损坏零件 为了消除扭转振动和避免共振 防止传动 系过载 多数汽车在离合器从动盘中装有扭转减震器 图 3 4 5 1 前衬片 2 压片 3 从动盘钢片 4 波浪形弹簧钢片 5 从动盘毂 6 后衬片 7 平 衡片 带扭转减振器的从动盘的组成如图 3 5 所示 图 3 5 在离合器从动盘组件中装有扭转减振器 其作用是缓和离合器结合瞬间的冲击 并消除离合器工作过程中的周期性振动 保证传动件的平稳工作 从动盘主要由从动盘本体 摩擦片 从动盘毂 减振盘和减振阻尼片等部分组成 从动盘本体的外沿部分被切槽分成多个扇形 每个扇形制成翘曲的波浪形而菲平 面 当量份额摩擦片用铆钉夹住从动盘时 具有一定的轴向间隙 这是的从动盘结合 时在轴向上具备一定的弹性和压缩量 避免了压紧力骤然上升带来的冲击 从动盘本体的中心部分开有六个方形窗口可以安放弹簧 在从动盘毂和减振器盘 上也开有相应的窗口 用铆钉将三者联接形成安装弹簧的空腔 从动盘毂上还开有 3 个切口 允许连接从动盘本体和减振器盘的铆钉在开口中移动 这样 从动盘本体通过弹簧把力传给了从动盘毂和从动轴 由于弹簧的压缩 使 从动盘毂相对于从动盘本体和减振器盘转动一个角度 消除了冲击振动 在三者之间 还装有振动阻尼片 可衰减振动能量 减振原理 如图 3 6b 所示 当从动盘受到扭矩的作用后 由摩擦衬片传来的扭矩首先传到 钢片和从动盘 再经弹簧传给轮毂 这时弹簧被进一步被压缩如图 3 6c 所示 因而 由发动机曲轴传来的扭转及 振动所产生的冲击即被弹簧所缓和以及摩擦片所吸收 而不会传到变速器以后总成部件上 同样汽车行驶于不平路面上所引起传动系角速度 的变化也不会影响发动机 图 3 6 有些汽车上采用刚度不等 圈数不同 的弹簧 并使安装弹簧的窗孔长度尺寸不 一 从而使弹簧起作用的时间吸纳后不一而获得变刚度的特性 可避免传动系的共振 和降低传动系的噪声 另外 也有采用橡胶弹性元件的 离合器从动盘在安装时 应具有方向性 以避免连接长度不足 花键毂处 摩 擦片悬空 顶分离轴承等现象 3 压紧机构 沿压盘周向对称布置的螺旋弹簧将压盘和从动盘压向飞轮 使离合器处于结合状 态 发动机的动力一部分由飞轮经摩擦作用直接传到从动盘上 另一部分由离合器盖 传动片传给压盘 最后也通过摩擦片传给从动盘如图 3 7 所示 图 3 7 为了减小压盘向弹簧传热引起退火 压紧力降低 在压盘的弹簧座处做成凸起的 圆柱形肋柱 以减小接触面积 或加隔热垫 4 分离机构 1 分离叉 分离叉与其转轴制成一体 轴的两端靠衬套支承在离合器壳上 2 分离杠杆 采用了支点移动 重点摆动的综合式防干涉机构 如图 3 8 所 示 图 3 8 综合式防干涉分离杠杆及工作情况 从离合器的分离过程来看 若分离杠杆中间支承是固定铰链 则其外端与压盘铰 接处的运动轨迹将是一弧线 而压盘上该点只能作轴向直线运动 这就使分离杠杆产 生运动干涉而不能正常运动 要防止这种干涉 在结构上就得使支点或杠杆和压盘连 接点 重点 处能沿径向移动 平移或摆动 由于离合器结合过程中存在着滑磨现象 从动盘 压盘和飞轮长期使用磨损后 压盘会向前 飞轮方向 移动 分离杠杆内端相应地要向后移动 如果安装时分离杠杆 内端与分离轴承间不留间隙 则磨损后 分离杠杆内端将由于压在分离轴承上而不能 自由的后移 使外端牵制压盘不能前移 从而不能压紧从动盘 这将造成离合器打滑 不能保证传递给发动机的最大转矩 摩擦副和分离轴承也会很快磨损和烧坏 因此在 离合器踏板上 是踏板产生一个空行程 称为踏板的自由行程 由于从动盘有一定的 弹性 飞轮 压盘和从动盘的接触面积也会有一定的翘曲变形 要使离合器分离彻底 就必须使压盘向后移动充分的距离 1 3 这一距离通过一系列杠杆机构放大 反映到踏板上就是踏板的有效行程 有效行程之和就是踏板的总行程 5 分离轴承 分离杠杆是随离合器主动部分一起绕其中心转动的 而分离套筒则沿其轴线移动 因此二者之间装有分离轴承 分离轴承广泛采用轴向或径向推力轴承 其多为润滑脂 在轴承装配之前一次加足的封闭式 及预润滑轴承 在小尺寸的离合器上也采用结构简单的石墨滑动轴承 为降低滑动接触面的单位 压力 减小磨损 在分离杠杆内端用卡簧浮动地安装一个与之一起转动的分离环 利 用其环形平面与分离轴承接触传动 分离杠杆与分离轴承间有周向滑动 也有径向滑动 当二者在旋转中不同心时 径向滑动加剧 为了消除因不同心引起的磨损 离合器中广泛采用自动调心式分离轴 承 6 离合器壳 离合器在发动机与变速器之间 用离合器壳 也称飞轮壳 连接起来 大多数离 合器壳是单独用铸铁或铝合金制成的 前端面与气缸体的后断面间用定位套 销 定 位 并用螺栓紧固 变速器用螺栓紧固于离合器壳后端面 并用变速器第一轴的轴承 该凸缘与离合器壳后孔定心 为了保证变速器第一轴与曲轴的同轴度 离合器壳安装 在气缸体上 使其后端应与曲轴线同轴 周布式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 容易制造 因此应用较为广泛 当发动机最大转速很高时 由于螺旋弹簧是线性的 周置弹簧由 于受离心力作用而向外弯曲 当摩擦片磨损后 弹簧伸长 压紧力下降 这对离合器 可靠传扭是很不利的 使离合器传递转矩能力随之降低 3 1 2 膜片弹簧离合器 膜片弹簧离合器与周布置弹簧离合器大致相同 但采用膜片弹簧作为压紧弹簧 省略了分离杠杆 推式操纵的拉式膜片弹簧离合器 其特点是膜片弹簧反装 即结合状态下锥顶向 前 离合器的支承环移到膜片弹簧的外端 分离离合器时 须通过分离套筒将膜片 中央部分向后拉 这样 支承结构大为简化 膜片弹簧的结构强度也增大 它主要由 主 从动部分 操纵机构组成 1 膜片弹簧 膜片弹簧用优质弹簧钢板制成 形状为碟形 其上开有若干个径向切槽 切槽的 内端开通 外端为圆孔 防止该处产生应力集中 进而产生裂纹 没两切槽之间钢 板形成一个弹性杠杆 它既是压紧弹簧又是分离杠杆 2 压紧装置及工作原理 图 3 9 所示 图 3 9 压紧装置是由压盘 离合器盖 膜片弹簧 支承圈 支承固定铆钉 分离钩和从 动片组成 在通常情况下 上述各零件组成一个整体 在膜片弹簧中部的两侧有支承 圈和用固定铆钉夹持在离合器盖上 这两个支承为膜片弹簧变形时的支点 在压盘的 周边 对称的固定有多个分离钩 把弹簧的外边缘和压盘钩在一起 膜片弹簧的外缘 就压在压盘的换型台上 当压盘在没有固定在飞轮之前 离合器与飞轮端面之间有一定的距离 此时膜片 弹簧变形很小 当离合器盖安装螺栓紧固后 从动盘和压盘迫使膜片弹簧以右侧支承圈为支点发 生弹性变形 这样 膜片弹簧的反弹力使其外缘对压盘和从动盘产生压紧力 此时离 合器处于结合状态 分离时 分离轴承推动膜片弹簧内缘前移 膜片弹簧便以左侧支承圈为支点 其 外缘便通过分离钩将压盘向后拉动 使离合器分离 由此可知 膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的双重作用 从而使离合器的结构 简化 同时也大大缩短了离合器的轴向尺寸 3 膜片弹簧的特点 膜片弹簧式离合器具有结构简单 轴向尺寸小 弹性性能良好 能自动调节压紧 力 操纵轻便 高速时压紧力稳定 分离杠杆平整勿需调整 和螺旋弹簧相比其最大 的优点在于具有非线性特性的刚度特性 3 2 离合器的工作原理 离合器在结合状态时 从动件作为整体一起转动 直接传递发动机转矩 此状态 下 离合器的主 从动件没有相对运动 摩擦副表面就没有磨损 也不发热 也没有 能量耗损 但是 在汽车起步过程中需要利用离合器主 从动件的相对滑动 也就是 说离合器在结合过程中让其从动件的转速增长有一过程 使汽车平稳起步 因此 离 合器结合过程的滑磨是其重要特性 离合器滑磨的结果 一方面使摩擦片磨损 另一 方面会引起压盘 飞轮等零件的温度升高 而摩擦表面温度的过分升高 将加剧摩擦 片的磨损 并将严重影响离合器的正常工作和使用寿命 为此 必须充分了解离合器 在结合过程中滑磨的特性及评价和分析计算方法 压盘的零件的热负荷状况 以便能 正确设计和使用离合器 3 2 1 离合器结合过程分析及滑磨功的计算 离合器的结合过程为 在汽车起步前 驾驶员首先要踩下离合器踏板 使离合器 分离 变速器挂上低档 此时 离合器的主动件与发动机相连 从动件通过传动系和 车轮相连 转速为零 主 从动件间转速相差很大 起步时 驾驶员逐渐放松离合 器踏板 并踩下加速踏板 这时离合器的主 从动件开始结合 其工作过程一般大致 分为两个阶段如图 3 10 1 压紧力 p 很快增长 但摩擦力矩开始还不足以克服外籍阻力让汽车很快起 由此 发动机转速使离合器从动盘转速很快上升 这一段时间大约为 0 5S e W c W 2 工作压力 p 几乎不变 从动盘转速增长很快 尽管驾驶员继续加大油门 c W 开度 发动机转速还是几乎直线下降 知道和离合器从动盘转速同步 停止打滑为止 图 3 10 主离合器接合过程示意图 在离合器结合过程中要通过评价滑磨严重程度来说明离合器结合过程的负荷状况 通常用指标 滑磨功 来评价 式 3 1 dtwwTL cec t 0 0 6 式中 L 滑磨功 离合器从结合开始到结合结束离合器停止打滑所经历的时间 0 t 摩擦力矩 c T 发动机角速度 e w 离合器从动盘角速度 c w 不同驾驶员在不同的操作技巧下 所得到的滑磨功不完全一样 但是还是相当接 近的 由于滑磨功在计算上的不确定因素很多 难以计算精确 为此 基本上有 3 类处理方法 1 分析计算法 把起步滑磨过程依据实际情况适度理想化 以便计算 此法 简单明了 对影响滑磨功主要因素的数量关系分析得相当清楚 但它只能反映一般情 况 2 图解法 方法一的发展 进一步考虑到了发动机转矩变化等非线性因素对 滑磨功的影响 由于求解困难 只能采用图解的方法代替分析计算 3 统计实验分析法 它考虑到更多的实际使用情况 由于汽车的使用情况复 杂 所以要对大量的汽车起步情况进行分类 并做各类实验 统计 按理说此方法更 能反映实际情况 但若运用不当还不如前两种方法 目前大多数都采用的还是分析计算方法 1 分析计算法 分析计算法的基础是系统建模 如图 3 11 并根据实际情况作如下假设 1 发动机转矩 Te和离合器摩擦力矩在整个汽车起步过程中不变 c T 2 汽车是平直良好路面上起步 道路阻力不大 T 忽略汽车在起步前的离合器滑磨 图 3 11 摩擦离合器结合过程的力学模型 对于主动件 式 3 2 0 dt dw JTT e ece 对于从动件 式 3 3 0 dt dw JTT c ac 从 0 到 t0时刻 汽车起步完毕 主动件角速度由开始的 we下降成为 从动件 d w 角速度由开始为零上升至 we 和主动件角速度 we相等 离合器停止滑磨 通过分 c w 析可得 式 3 4 0 0 ecace ea TTJTTJ JJw t 式中 为离合器开始滑磨时的发动机角速度 0 w 离合器停止滑滑磨时所滑过的角度为 max a 式 3 5 2 00 max tw a 按照功的定义 滑磨功可写成如下公式 式 3 6 dtTL c amax 0 最后可得滑磨功为 式 3 7 T T 1J T T 1J wJ0 5J L c e a c e 2 0ea 式中 主动件的转动惯量 e J 汽车整车质量转化为相当的转动惯量 由下式计算 a J 式 3 8 22 0 2 k ka a ii rm J 式中 为汽车总质量 为车轮滚动半径 为主动传动比 取 1 为变速器 a m k r 0 i 0 i k i 一档传动比 如果汽车起步时 其摩擦力矩就等于发动机的转矩 且忽略道路阻力矩 c T e TT 则 式 3 9 2 0 5 0wJL a 对于本设计由已知参数 汽车总质量 1210kg 发动机最大输出扭矩 220N m 3000rpm 轮胎规格 6 70 13 一档总减速比 17 4 可得 0 303 k rm 式 3 10 mkg ii rm J k ka a 367 0 1 4 17 303 0 1210 2 2 22 0 2 式 3 11 JwJL a 40 5 05 0 22 0 2 离合器的热负荷 离合器接合时发生滑磨 此时 离合器处于调整的大负荷下工作 伴有大量热的 产生 热会使摩擦副的机械物理性能发生变化 摩擦片的磨损就和其热负状况有很大 的关系 热负荷将导致摩擦片的对偶件 飞轮 压盘可能出现裂纹和翘曲变形 这将 加剧摩擦片的磨损 在设计阶段如能计算摩擦副的温度 预测在使用条件下的摩擦热 状况 明确影响热过程各因素的相互关系 就能有效地改变这些因素 做好摩擦副的 材料匹配 降低热应力 减少压盘裂纹的生成和变形 从而可有效地提高离合器的可 靠性 离合器摩擦副摩擦时的热负荷状况可由摩擦副表面的最高温度来表现 对离 max 合器的摩擦副来说 它主要由以下 3 项组成 式 3 12 7 点面体 max 这说明摩擦副的热负荷状况 不是简单地看它们平均的体积温度和表面温度 而 要更深入到表面局部点的温度 故为 3 项之和 研究表明 对于石板摩擦材料的离合器 在绝大部分使用条件下 只是 点 的 3 4 即使在最严重工况下 轻便汽车也只有 3 4 载货汽车会到 7 max 11 因此 对于轻型汽车来说 在校核其摩擦副的最大温度时 可以不考虑 max 的影响 点 只有载货汽车在恶劣的工况下 摩擦面局部点上的温度对的影响才不能忽 点 max 略 对摩擦副热负荷的讨论着眼于摩擦材料的失效 依据不同的摩擦材料结合剂和温 度影响的时间长短 推荐以下值作为参考 体积温度是长时间起作用的温度 依据不同的结合剂材料 规定摩擦面片体积温 度的允许值 120 用橡胶作为结合剂 160 用组合结合剂 200 用组合结合剂和用树脂作为结合剂 是短时间起作用的温度 它的允许值相应于上面 3 种情况分别为 200 300 面 350 所以仅从摩擦材料失效来考虑热负荷是不够的 严重情况下摩擦表面热应力状况 虽然不致引起摩擦材料失效 但对摩擦材料的磨损有很大的影响 第 4 章 离合器基本结构尺寸及主要参数的选择 汽车上所使用的摩擦离合器 既要传递发动机转矩 又要靠它的滑磨来使汽车平 稳起步 工作条件极为恶劣 因此 在设计离合器时 不仅要求它在任何情况下都能 可靠地传递发动机转矩 而且还应使它有足够的使用寿命 这就要从合理的选择离合 器的基本结构尺寸和相关的设计参数入手 4 1 离合器的转矩容量 转矩容量反映的是摩擦所能传递转矩的极限能力而不一定是它实际传递转矩的 c T 大小 具体计算公式如下 式 4 1 8 NZRT ec 式中 有效作用半径 e R u 摩擦系数 N 正压力 Z 离合器摩擦工作面数 单片为 2 双片为 3 上式中如何确定是计算的关键 一般有两种数学模型可用如图 4 1 e R 图 4 1 摩擦转动示意图 一种是认为正压力均匀分布于摩擦面上 此时 式 4 2 2 1 2 0 3 1 3 0 3 2 RR RR Re 式中 为摩擦片内半径 为摩擦片外半径 1 R 0 R 实际上 由于温度的影响造成接触表面的翘曲使正压力分布不均 摩擦系数在各 处并不相等 于是提出来另一种模型 该模型认为正压力从到递减 此时 1 R 0 R 式 4 3 2 1 01 RRRe 4 2 离合器的基本性能关系式 离合器的基本功能之一就是传递转矩 因此离合器转矩容量是离合器最基本的性 能之一 但通常它只能用来初步定出离合器的原始参数 尺寸 它是否合适最终取决 于试验验证 由于 N 等的选取和发动机最大扭矩特性的变动有关 为保证能可靠 e R 传扭 确定离合器转矩容量是应含有设计因子 离合器转矩容量和发动机的最大扭矩 有如下关系 其中式中为后备参数 且大于 1 maxce TT 离合器的另一个重要的功能就是保证汽车平稳起步 根据常识 汽车起步时要靠 离合器的滑磨 根据分析 至少有大于一半的机械能消耗在滑磨上 而只有小于一半 的能量用于使汽车起步加速 这表明汽车起步时滑磨很严重 滑磨导致离合器摩擦片 的磨损 最终导致它的失效 这是离合器的薄弱环节 因此要保证离合器有足够的寿 命 只能用有足够允许磨损的体积来保证摩擦片有可靠的使用期限 这是最为切实有 效的办法 通常的具体做法是 让摩擦片有足够大的摩擦面积 A 不靠增加厚度来实 现 因此引入单位压力这一参数 这样就可把面积因素引入 在一定的 p pN A 工作压力 N 下 取小的摩擦面积时单位压力大 取大的摩擦面积时单位压力就小 这 样 单位压力的大小在一定程度上反映了离合器磨损寿命的长短 依据此概念 关系 式可写成 式 4 4 pAZRT ee max 由于有两模型故还可写成 e R 第一种模型 式 4 5 1 12 333 max DdZpDTe 第二种模型 式 4 6 1 1 16 223 max DdDdZpDTe 上两式中 d D 分别为摩擦片的内径和外径 为发动机最大扭矩 p 为摩擦片单 maxe T 位压力 A 为摩擦片有效作用面积 4 22 dD A 有了上面的关系式 对于一定的离合器结构而言 只要合适的选择其中 p D 并能满足上面两式中的一个 就可以预先估算出所设计或选用的离合器是否合适 4 2 基本结构尺寸和参数的选择 初步确定了离合器的结构形式后 本设计是采用单片周布式弹簧离合器 就要 确定相关的结构尺寸及有关参数根据上一节的有关公式可知 这些参数和尺寸是 1 摩擦片外径 2 单位压力 3 后备系数 在选定这些尺寸参数时其中发动机 最大扭矩 整车总质量 一档总减速比以及车轮的滚动半径对尺寸参数 maxe T a mi总 k r 的选择有重大影响 4 2 1 摩擦片外径 D 的确定 摩擦片外径是离合器的基本尺寸 它关系到离合器的结构重量和使用寿命 它和 离合器所需传递的转矩大小和摩擦片最大圆周速度的限制有一定关系 显然 传递大 的转矩 就需要有大的尺寸 发动机转矩是重要参数 当按发动机最大转矩 来选定 D 时 按下式经验公式进行初选 max e TN m 式 4 7 9 mm A T D e 216 47 220 100100 max 实际上 由于温度的影响造成接触式中 A 反映不同结构和使用条件对 D 的影响 小轿车 A 47 一般载货汽车 A 36 单片 或 A 50 双片 自卸车或使用条件恶劣的 载货汽车 A 19 按初选 D 后 还需要将摩擦片尺寸进行标准化和系列化 根据 maxe T 表 4 1 选择 D 225mm d 150mm 厚度 h 3 5mm 我国规定了三种厚度 3 2mm 3 5mm 4mm 离合器摩擦片尺寸系列和参数表 表 4 1 摩擦片内径 d 不作为一个独立的参数 它和外径有一定的关系 用比值来反映 c 即 由于比值关系到从动片总成的结构和使用性能 所以按照目前的设计 cd D c 经验 0 53 0 7 一般来说发动机转速越高 取值越大 通过计算当 c c D 225mm d 150 150 225 0 67 故满足设计要求 c 摩擦片圆周速度的限制 式 4 8 9 smsmDnv eD 70 3 35102253000 60 10 60 33 max 式中 为摩擦片最大圆周速度 m s D v 为发动机最高转速取 3000 maxe n r min 为摩擦片外径径取 225 Dmm 故符合条件 4 2 2 离合器后备系数的确定 后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 后备系数保证了离合器可靠传递发动机转矩的同时 还有助于减少汽车 起步时的滑磨 提高离合器的使用寿命 但是后备系数不是越大越好 因为大的后备 系数不但使离合器尺寸加大 而且增加了分离离合器时操纵力 对防止传动系过载 也是很不利的 所以鉴于此离合器的后备系数不宜过大 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 因此 在选择时应考虑以下几点 10 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 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 为提高起少能力 减少离合器滑磨 应选取大些 由于轿车的后备功率较大 使用条件较好 故取 1 2 4 2 3 摩擦系数的确定 摩擦片的摩擦因数取决于摩擦片所用的材料及基工作温度 单位压力和滑磨速度 等因素 可由表 4 3 查得 摩擦材料的摩擦因数的取值范围 表 4 3 摩擦材料摩擦因数 模压0 20 0 35 石棉基材料 编织0 25 0 35 铜基0 25 0 35 粉末冶金材料 铁基0 30 0 50 金属陶瓷材料0 4 现在最常用的摩擦材料是石棉基摩擦材料 本设计从动盘采用石棉基摩擦材料 所以取 0 3 4 2 4 单位压力的确定p 影响摩擦片磨损的物理因素是 单独考虑大小对摩擦片耐磨耗的影响是没有pp 意义 4 2 4 校核离合器所选尺寸 离合器尺寸的校核可用如下公式 式 4 9 1 12 3 33 max DdZpDTT ec 式中 摩擦片外径 mm D 摩擦片内径 mm d 单位压力 Mpa p 摩擦片工作面数 单片为 2 双片为 3 Z 发动机最大转矩 N m maxe T 离合器后备系数 离合器的转矩容量 N m C T 综上所述 由已知条件得 1 2 摩擦参数 u 0 3 则 max 220 e TN m 225 150 1 225 0 23 0 12 2202 1 33 p 可得 0 211 MPap 单位压力在允许的范围 0 15 0 25Mpa 内 因此所选离合器尺寸 参数合理 p 的从动盘结构简单 重量轻 但现在汽车上都无一例外都采用带扭转减振器的从 动盘 用以避免汽车传动系统的共振 缓和冲击 减少噪声 提 高传动系零件的寿 命 改善汽车行驶的舒适性 并使汽车起步平稳 5 1 2 从动盘总成设计 从动盘总成设计要求 1 为了减少变速器换挡时轮齿间的冲击 从动盘的转动惯量应尽可能小 2 为了汽车能平稳起步 摩擦面片上的压力应分布均匀 从动盘还应具有一 定的轴向弹性 3 为了避免传动系的扭转共振以及缓和冲击载荷 从动盘中应装有扭转减振 器 4 故其刚度比较一致 另外这种结构的从动片也较容易得到较小的转动惯量 组合式弹性从动片如图 5 1 c 所示 以上两种结构的从动片在小轿车上采用较多 由于它们的工作特性是轴向弹性波纹片在不受轴向力时将向飞轮 压盘两侧弹出 恢 复变形 容易造成从动盘在飞轮一侧分离不彻底 从而影响变速器挂挡 对于前两种 从动片结构 对制造和装配等要求较高 而对于组合式从动片一般用 在载重汽车上 虽然组合式从动片的转动惯量是比较大的 但对于要求刚度较高的 外形稳定性较好 的大型从动片来说 这个缺点是可以容忍的 综合上面的分析 本设计采用分开式的弹性从动片 从动片厚度为 2mm a b c 图 5 1 2 从动盘毂设计 发动机转矩是经从动盘毂的花键孔输出 变速器第一轴花键轴就插在该花键孔内 由于花键之间是动配合 这样 在离合器分离和结合过程中 从动盘毂就能在花键 轴上自由移动 我国生产的离合器 其从动盘毂花键采用机械设计手册标准规范 从动盘毂的结构有两部分组成 盘毂和发兰 过去都是将两者做成一体的 现在 为节 挤压应力的计算公式如下 11 式 5 1 nhl p 挤压 式 5 2 ZdD T P e 4 max 式中 花键外表面所受的挤压应力 Mpa 挤压 P 花键的齿侧面压力 N 花键的外径 m D 花键的内径 m d Z 从动盘毂的数目 单片离合器 Z 1 发动机的最大转矩 N m maxe T n 花键齿数 h 花键工作高度 m l 花键有效长度 m 根据附表查得从动盘毂花键标准尺寸系列 当从动盘外径 D 225 时 相应的花 剑齿数 n 10 花键外径 花键内径 26mm 齿宽 b 6mm 有效齿长 32Dmm d l 30mm 此时 对其挤压应力进行验算 由于从动盘一般都由中碳钢锻造而成 并经 调质处理 其挤压应力不应超过 20Mpa 式 5 3 kN ZdD T p e 17 15 1 2632 2204 4 max 式pa20pa86 16 33010 17 15 MM nhl p 挤压 5 4 所以当从动盘外径为 D 225mm 这时通过验算满足要求 此时由附表一查得相应 的花键齿数 n 10 花键外径 花键内径 齿宽 b 6 有效齿长 32Dmm d 26mm l 30 则 2 dD h mmh3 5 1 3 从动盘摩擦材料 离合器摩擦面片在离合器结合过程中将遭到严重的滑磨 在相对很短的时间内产 生大量的热 因此 要求摩擦面片应有下列一些综合性能 1 在工作时有相对较高的摩擦系数 2 在整个工作寿命期内应维持其摩擦特性 不希望出现摩擦系数衰退现象 3 在短时间内能吸收相对较高的能量 且有好的耐磨性能 4 能承受较高的压盘作用荷载 在离合器接合过程中表现良好的性能 5 能抵抗高转速下大的离心力荷载而不被破坏 6 在传递发动机转矩时 有足够的剪切强度 7 具有小的转动惯量 材料加工性能良好 8 在整个正常工作温度范围内 和对偶材料压盘 飞轮等有良好的