（光学工程专业论文）离合器建模仿真分析.pdf

独创性声明 m 删帅川1 1 1 1 i l i i l l l l l l i l v 18 7 9 7 3 7 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工大学或其他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。 签名：丛坠：日期：趔= 翌级 j 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) 刍丛迈一导师( 签名) ：蝴日期删 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件，它依靠主从动片之 间的摩擦力矩来传递动力，并通过分离、接合来控制车辆动力传动系统的工作 状态。其主动部分和从动部分可以暂时分离，又可以逐渐接合，并且在传动过 程中还是可以相对转动的。离合器分离、接合过程的质量影响车辆换挡品质、 车辆换挡冲击。离合器性能对汽车平稳起步、换挡时工作平顺和传动系统过载 有着重要影响。 随着科学技术的飞速发展，三维建模与虚拟样机技术在汽车行业研究上的 运用非常普及，运用各种三维建模软件对汽车上各种零部件进行实体绘制，然 后利用动力学分析软件模拟其在实际条件下的运动受力情况，根据仿真结果不 断调整改进产品结构参数设计，这是如今开发研究新产品中的一个重要方法。 本文首先介绍了离合器的基本知识，着重对其工作过程进行了分析与力学 变化的介绍。以此为基础，建立离合器的简化三维模型，然后运用运动学分析 软件a d a m s 仿真运动过程，得到数据进行仿真计算，通过仿真分析，模拟离 合器的接合过程以及进行力的分析，通过仿真分析验证理论分析的正确性。为 进一步研究离合器的接合特性以及离合器的设计提供参考和依据。 在中国大力发展汽车工业的当代，我国在汽车零部件方面的落后制约着中 国汽车前进的步伐，要想中国汽车能取得更快的发展，在零部件方面我国需要 作出更大的努力，在国外，由于技术水平较高，实验条件先进，国外积累的经 验数据比我国更加的丰富。本文就是对汽车零部件中的一个重要部分离合器做 出的试探性的研究。在汽车中，离合器是其中独立存在的部件。它在传动系统 中起着传力、传扭、分离传动、减振和过载保护多重功用，其品质攸关着汽车 的性能。文章采用的技术手段，研究方法对于以后更深入的研究是有一定借鉴 意义的。 关键词：离合器，动力学，分析，a d a m s a b s t r a c t c l u t c ha u t ot r 锄s m i s s i o ns y s t e mi sc o n n e c t e dd i r e c t l yw i t he n g i n ep a r t s ，i t r e l i e s o nm a s t e r s l a v em o v eb e t w e e nt h ef r i c t i o nt o r q u e t a b l e tt ot r a n s f e rp o w e r ，a 1 1 d t h r o u 曲t h es e p a r a t i o n ，j o i n t st oc o n t r o lv e h i c l ep o w e rt r a n s m i s s l o ns y s t e mw o r k i n g c o n d i t i o n 。t h ep e r f o r m a n c eo fc l u t c hh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c e o na u t os t a r t ，t h e s m o o t ho fs h i f ta n dt h eo v e r l o a do f t r a n s m i s s i o ns y s t e m 。 a l o n g 讹也er a p i dd e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 。t h ea p p l i c a t l o n o f t h e3 dm o d e l i n ga n dv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi n a u t o m o t i v em d u s t r y 咖d y1 s v e r yp o p m a r 。c o n s t a n t l ya d j u s t e da c c o r d i n g t ot h es i m u l m i o nr e s u l t s1 m p r o v ep r o d u c s t m c 眦p a r a m e t e rd e s i g n ，t h i si sn o w t h ed e v e l o p m e n tr e s e a r c hn e wp r o d u c t so n e o ft h ei m p o r t a n tm e t h o d s 。 t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h e b a s i ck n o w l e d g eo ft h ec l u t c h 肌da i 】【a l y z e s m e c h a n i c a lc h a n g e so fi t sw o r k i n gp r o c e s s 。a n d t h e np u t sf o r w a r dt h eg e n e m lc a s e c l u t c he n g a g i n gp r o c e s se v a l u a t i o ns t a n d a r dm e t h o d ，b a s e d o nt h i s , e s t a b l l s h e s 也e 3 dm o d e lo ft h ec l u r c h ，t h e nu s es i m p l i f i e dk i n e m a t i c sa n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s s i m u l a t i o nm o t i o np r o c e s s ，g e td a t as i m u l a t i o n ，a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o na n a l y s l s a n ds i m u l a t i o nc l u t c hj o i n t i n gp r o c e s sa n df o r c e a n a l y s i s ，t h es i 舢l a t l o na n a l y s l s v e f i f yt h ec o 仃e c t n e s so f t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h er e s e a r c hp r o v i d e sr e t e r e n c ef o r f u r t h e rr e s e a r c ho ft h ee n g a g e m e n t c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e s i g no f c l u t c h 。 t h ed e v e l o p m e n t o ft h ec a l i n d u s t r y i nc h i n ah a sv i g o r o u s l ymt h e c o n t e m p o r a r ) ，i na u t o m o b i l ep a r t s o fc h i n e s ec a r sb e h i n dr e s t r i c t s ，w 觚tt h ep r o g r e s s o ft h ec h i n e s ec a rc o u l dg e tf a s t e rd e v e l o p m e n ti nc h i n a ， i np a r t sa s p e c t st om a k e g r e a t e re f f o r t s ，i naf o r e i g nc o u n t r y ，d u e t ot e c h n i c a ll e v e lt ob eh i g h e r ，e x p e n m e n t a i c o n d i t i o n s ，f o r e i g na d v a n c e de x p e r i e n c et h a n o u rc o u n t r ym o r ea b u n d a n td a t a 。t h l s p a p e r i sa ni m p o r t a n tp a r to f a u t o m o t i v ec o m p o n e n t s m a d et e n t a t i v es t u d yt h ec l u t c n 。 n l i sp a p e ra d o p t st e c h n o l o g y ，r e s e a r c hm e t h o d s f o rf u r t h e rr e s e a r c hi so ts l g n i f i c 孤c e f o rr e f e r e n c e 。 k e yw o r d s ：c l u t c h ，d y n a m i c s ，a n a l y s e ，a d a m s i i 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 第l 章绪论 目录 1 1 研究背景1 1 2 研究意义3 1 3 国内外现状4 1 3 1 离合器的总类与发展4 1 3 2 离合器的研究现状5 1 3 3 主要研究内容6 1 4 本章小结6 第2 章摩擦离合器的介绍 2 1 摩擦离合器结构组成与工作过程7 2 2 摩擦离合器的介绍：9 2 2 1 摩擦离合器的分类9 2 2 2 摩擦离合器的结构形式9 2 2 3 摩擦离合器的摩擦面材料1 0 2 2 4 摩擦离合器压盘的传力方式1 1 2 2 5 离合器的操作机构1 1 2 3 摩擦离合器的常见故障及原因1 2 2 4 本章小结。1 4 第3 章离合器的力学分析 3 1 离合器的动态过程1 5 3 1 1 发动机的输出特性分析j 1 5 3 1 2 离合器接合过程分析l6 3 2 离合器模型的动力学分析1 8 3 2 1 滑磨阶段分析2 0 3 2 2 滑磨阶段摩擦面表面温度2 2 3 2 3 离合器接合阶段滑磨扭矩2 3 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 本章小结2 4 第4 章离合器的建模与仿真 4 1 虚拟样机技术概论2 5 4 2a d a m s 软件介绍2 5 4 3 离合器建模及动力学仿真2 6 4 3 1 简化模型建立2 6 4 4 本章小结3 8 第5 章总结与展望 5 1 总结3 9 5 2 展望4 0 参考文献 致 4 3 4 6 i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着科技的飞速发展，汽车上越来越多的运用起来电子技术。汽车智能化 技术正在汽车上得到运用。汽车的操作性越来越人性化、越来越简便。汽车的 动力性和经济性在提高，行驶安全性越来越好。离合器作为汽车传动系统中重 要组成部分，在汽车中直接与发动机连接的重要部分。在汽车从启动到行驶的 全部过程中，离合器的使用都非常频繁。在汽车中，离合器起着切断、传递来 自发动机输出的动力的作用。在起步时候保证汽车能平稳起步，在汽车行驶过 程中，因为需要根据不断变化的路面条件经常使用变速箱的不同档位，因此需 要经常变换档位，而离合器就在换挡时候起着便于换挡以及减小换挡时变速箱 内部的齿轮冲击的作用。在汽车紧急制动时候，由于车速急剧下降，传动系中 的惯量矩远大于发动机转矩，离合器是靠摩擦力传递转矩，当传动系中载荷超 过摩擦力能传递的转矩时，离合器主、从动部分会自动打滑，从而起到了防止 汽车传动系过载的作用，这样就做到了保护传动系的零件。 1 9 5 3 年我国成立了第一汽车制造厂，最初汽车作为一种交通工具而产生。 但现在汽车已经成为一种全球范围内的综合工业。汽车改变了当今世界的面貌， 比如说，极大的扩大了人们日常生活的活动范围，加速扩大了地域间、国际间 的交往交流。节约了时间，提高了人们生活工作的效率，加速了人们的活动节 奏，促进了世界经济和人类社会的快速发展。开启了“汽车社会”这样一个崭 新的时代。随着社会的进步和人们生活水平条件的提高，对于汽车的要求越来 越高，要求汽车行驶速度高，加速性能好，在各种路面上甚至是无路地区行驶 上能做到机动灵活，为了满足汽车的行驶要求，在汽车上有一套复杂的传动系 统。把从发动机中的产生的动力输出传递到车轮上去。现代汽车上最常用的机 械式传动系统是由发动机以及离合器、变速器、万向节传动轴、主减速器、差 速器和驱动车轮的传动装置等等部分组成。离合器是其中独立存在的部件。它 在传动系统中起着传力、传扭、分离传动、减振和过载保护多重功用，其品质 攸关汽车的性能，对于使用工况复杂、超载严重的中国汽车更是如此。随着汽 车发动机转速和功率的不断提高、汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的 武汉理工大学硕士学位论文 要求越来越高。从提高离合器工作性能的角度出发，传统的推式膜片弹簧离合 器结果正逐步地向拉式结构发展，传统的操作形式正向自动操作形式发展。因 此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和简 化操作，已成为离合器的发展趋势。离合器是汽车传动系统中直接与发动机相 连接的部件，它依靠主从动片之间的摩擦力矩来传递动力，并通过分离、接合 来控制车辆动力传动系统的工作状态。其主动部分和从动部分可以暂时分离， 又可以逐渐接合，并且在传动过程中还是可以相对转动的。离合器分离、接合 过程的质量影响车辆换挡品质、车辆换挡冲击。离合器性能对汽车平稳起步、 换挡时工作平顺和传动系统过载有着重要影响。 随着科学技术的飞速发展，三维建模与虚拟样机技术在汽车行业研究上的 运用非常普及，运用各种三维建模软件对汽车上各种零部件进行实体绘制，然 后利用动力学分析软件模拟其在实际条件下的运动受力情况，根据仿真结果不 断调整改进产品结构参数设计，这是如今开发研究新产品中的一个重要方法。 本文首先介绍了离合器的基本知识，着重对其工作过程进行了分析与力学 变化的介绍。以此为基础，建立离合器的简化三维模型，然后运用运动学分析 软件a d a m s 仿真运动过程，得到数据进行仿真计算，通过仿真分析，模拟离 合器的接合过程以及进行力的分析，通过仿真分析验证理论分析的正确性。为 进一步研究离合器的接合特性以及离合器的设计提供参考和依据。 在中国大力发展汽车工业的当代，我国在汽车零部件方面的落后制约着中 国汽车前进的步伐，要想中国汽车能取得更快的发展，在零部件方面我国需要 做出更大的努力，在国外，由于技术水平较高，实验条件先进，国外积累的经 验数据比我国更加的丰富。本文就是对汽车零部件中的一个重要部分离合器做 出的试探性的研究。在汽车中，离合器是其中独立存在的部件。它在传动系统 中起着传力、传扭、分离传动、减振和过载保护多重功用，其品质关系着汽车 的性能。文采用的技术手段，研究方法对于以后更深入的研究是有一定借鉴意 义的。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究意义 变速器是调整发动机的输出转速与汽车车轮实际行驶速度的变速装置，为 的是发挥发动机的最近性能，变速器的发展趋势是越来越复杂，自动化程度越 来越高，自动变速器将成为未来的主流。目前汽车上常见的自动变速器有三种： 液力自动变速器a t 、机械无极变速器c v t 、电子控制机械式自动变速器a m t 。 其中a m t 具有比较高的性价比：具有传动效率高、结构紧凑、成本低、易 于制作、工作可靠、节省燃油、操纵方便等优点。a m t 取消了变速器与换挡手 柄之间的机械连接，使换挡手柄设计有各种各样。取消了变速器的手动操作部 分和离合器踏板，极大的减轻了驾驶员的劳动强度及疲劳程度，汽车操作简便 轻松，而且提高了汽车行驶的安全性、舒适性和汽车的动力性。a m t 综合控制 发动机、离合器和变速器，按最佳控制规律控制汽车行驶，提高了汽车换挡品 质，减小换挡冲击，减少了零件的磨损，延长了汽车的使用寿命，提高了燃油 经济性，降低了排放污染。在a m t 的开发研究中，对离合器的控制是一个重要 的问题，汽车的起步换挡过程都和离合器的控制息息相关。离合器的分离、接 合过程的质量好坏关系着汽车的换挡品质，对换挡冲击度也有较大的影响。计 算机技术的快速发展使得建立离合器抽象模型变成可能，加上结合理论分析与 仿真，就可以得到比较满意的结果，这样就使对离合器设计有指导意义。通过 对离合器及其相关组件的建模和动态仿真分析，不仅可以从结构上进行优化结 构参数，从而提高离合器的性能指标。利用虚拟样机技术进行建模并进行动态 仿真分析，在开发产品过程中可以对新产品的研究和开发有一个更深入和更全 面的了解，这样可减少实物试验次数，对降低产品开发的试验和制造费用具有 重要意义。离合器虚拟仿真设计及优化设计以先进的建模仿真理论为指导，综合 应用先进建模仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，用 产品的集成虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，从功能、 性能和行为上模拟离合器产品，对离合器基于全生命周期设计和评估提供支持， 从而缩短开发周期，降低成本、改进产品质量，提高企业面向客户，敏锐响应市 场的能力。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外现状 1 3 1 离合器的总类与发展 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 接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。离合器基本上分有电磁离合 器、摩擦式离合器、磁粉离合器、液力偶合器这几种。摩擦片式离合器按其从 动片数目又可分为：单片离合器、双片离合器以及多片湿式离合器。 在离合器的发展初期普遍采用的形式是锥形摩擦离合器，其传递扭矩的能 力较与之相同直径的不同结构形式的摩擦式离合器都强些，但其缺点也很明显， 操作较复杂，需要驾驶员一定的驾驶经验技巧。因为锥形摩擦离合器传动部分 转动惯量较大，换挡比较困难，结合时不够柔和，易卡住。因而随后锥形摩擦 离合器被湿式多片离合器慢慢取代，但多片湿式离合器也有缺陷，其离合器中 的片与片之间易于被油粘住，造成离合器分离不彻底以致换挡困难。所以它慢 慢被干式多片离合器代替，干式多片离合器接触面多，结合柔和，可以保证汽 车平稳起步。但由于片数较多，导致从动部分的转动惯量大，因而换挡过程还 是感觉不是很方便容易。中间压盘的散热通风效果不良，容易引发过热，加速 了离合器中摩擦片的磨损，甚至是烧伤和碎裂，影响离合器寿命。而已如果调 整不好还可能导致离合器的分离不彻底。 人们因此总结实际经验逐渐趋向采用单片干式摩擦离合器，与干式多片离 合器相比它的从动部分转动惯量小多了，散热性能也好；结果简单，尺寸紧凑， 调整也方便很多，分离也彻底。初期使用时候虽然会有接合不够平顺的缺点， 但是只要在结构上采用一点的措施方法，就可以使其接合平顺。因此，它的应 用非常的广泛。如今，单片干式摩擦离合器在结构设计方面已经很完善了。比 如说，采用具有轴向弹性的从动盘，这样就提高了离合器的接合平顺性；在离 合器中装有扭转减振器，可以防止传动系统的共振，减少噪音；以及采用了摩 擦较小的分离杆机构等。另外，由于采用了膜片弹簧作为压簧，可以同时兼起 到分离杠杆的作用，使离合器结构大为简化，并显著地缩短了离合器的轴向尺 寸。膜片弹簧和压盘的环行接触，可保证压盘上的压力均匀。由于膜片弹簧本 4 武汉理工大学硕士学位论文 身的特性，当摩擦片磨损时，弹簧的压力几乎没有改变，且可减轻分离离合器 时所需要的踏板力。 1 9 8 3 年通用公司推出液力自动变速器，采用液力偶合器代替普通的离合器 装置，它的优点是自适应性强，使汽车的起步过程平稳、迅速、加速均匀、乘 坐舒适度提高。但它有效率低这样的缺点。1 9 4 8 年别克汽车成功地使用了液力 变矩器，变矩器与液力偶合器相比不仅可以传递发动机的扭矩，还可以将其提 高l 倍。8 0 年代以来除了传统的装用液力变矩器的自动变速器外，又出现了新 的、纯机械式自动变速器，它由干式离合器和传统的手动机械式变速器加上微 机控制实现自动操纵。通常比同条件下的液力自动变速器节油1 0 3 0 。为 了实现离合器的自动操纵，有自动离合器。采用自动离合器时可以省去离合器 踏板，实现汽车的“双踏板”操纵。与其他自动传动系统相比，它具有的优点明显 比如说，结构简单、成本低廉和传动效率高等。 随着汽车工业的发展，离合器需要在现有的基础上不断改进和提高，才能 适应新的不断发展变化的使用条件。从国外的发展动向来看，近年来汽车的性 能在向高速发展，发动机的功率和转速不断提高，载重汽车趋向大型化，国内 也有类似的情况。因而，对离合器的使用要求也越来越高。所以，增加离合器 的传扭能力，提高其使用寿命，简化操作，已经成为目前离合器的发展趋势。 1 3 2 离合器的研究现状 随着电子技术在汽车上越来越广泛的运用，离合器上产生了很多新的技术。 譬如：一种自动离合器系统就进入了汽车领域。这种离合器采用控制单元e c u 控制，省却了人力操作离合器的动作，使离合器的断开和接合能够自动地实时 的完成，这样就方便了换挡动作，便于更好的操控汽车，简化了驾驶员的操作 动作。另外由于制造加工工艺水平提高，离合器中摩擦片材料也得到改进和提 高。目前使用的一般是石棉材料摩擦片，但石棉材料对人的健康不利，因此这 种材料在逐渐被淘汰出去。采用金属陶瓷和陶瓷摩擦片就是现在离合器上进行 的新尝试。这类摩擦片具有较高的摩擦系数。在传递相同大小的扭矩的情况下， 这就允许减小离合器压盘的压紧力，从而可以减小作用与离合器踏板上的作用 力或者减小离合器的结构尺寸。与石棉材料相比，这类材料对人体的健康就没 什么影响。还有就是离合器的控制方法也在不断改进提高。传统的控制方法是 武汉理工大学硕士学位论文 单参数控制法、最优控制法。近年来人们在离合器控制中引入智能控制技术， 由于离合器的控制受多种复杂多变的因素影响。外界工作环境、驾驶员的主观 意图等等。而且离合器的控制系统本身存在有非线性、非模型化、干扰、时滞、 变参数的问题。因而，传统的基于模型的控制算法难以完全满足离合器复杂多 变的控制要求。 1 3 3 主要研究内容 研究离合器接合规律是离合器控制技术中的关键技术，是实现现有传统的 机械变速系统向自动化转变的重要一步。电子学已经广泛应用在汽车工业中， 电控发动机技术已经比较成熟，因此实现传动系统自动控制问题也是将来必须 进行的，而研究离合器接合规律就是为这做必要的准备工作。本文研究离合器 接合过程，分析接合因素，建立接合规律的模型。在分析了解离合器工作原理 之上，做出离合器的简化模型。通过运动学分析软件对模型进行运动仿真，为 离合器的更深入研究提供了一定的参考意义。 1 4 本章小结 该章就离合器的研究背景进行了基本的介绍，总结了离合器的研究发展状 况。伴随着汽车的诞生与发展，离合器也进入了一个发展的新阶段，在这个时 候为了提高汽车的操作性，舒适性，离合器也需要更进一步提高其性能。因此 离合器的运动学研究有着重要的意义。在科学技术飞速发展的今天，各种新技 术新的试验方法层出不穷，本文在总结前人的研究经验之上，提出了自己的研 究内容与方法，规划设计研究的技术路线，为后续的研究工作的顺利进行指出 了方向。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章摩擦离合器的介绍 2 1 摩擦离合器结构组成与工作过程 首先：在汽车上离合器是必不可少的，它安装在发动机和变速箱之间，功 能是用来切断或者传递前后两者之间的动力传递。目前汽车上运用较为广泛的 是采用弹簧压紧的摩擦离合器。 离合器的功能l ：使发动机与传动系统逐渐接合，以保证汽车平稳起步。2 ： 在发动机起动和变速器换挡时候，暂时切断发动机与传动系之间的连续。3 ：限 制传动系所传递的扭矩，以防止传动系过载。 对离合器的性能要求有如下l ：具有合适的储备能力。2 ：接合过程平顺柔 和，而且分离过程迅速彻底。3 ：散热性能好。4 ：操作过程简单便捷。5 ：离合 器从动部分转动惯量尽量小，以减小选换挡过程中的换挡冲击。 摩擦片式离合器的基本组成：包括有从动部分、主动部分、压紧机构以及 必要的操作机构这四部分。 主动部分：这部分是与发动机曲轴相连在一起的。离合器盖与飞轮用螺栓 相连接，压盘与离合器盖间靠3 4 个传动片传递转矩。 从动部分：这部分是将主动部分通过摩擦片传递过来的动力传递给变速箱 的输入轴。 压紧机构：这部分与主动部分一起旋转，它以离合器盖为依托，将压盘压 向飞轮，从而压紧了位处于飞轮与压盘之间的从动盘。 操作机构：是为驾驶员控制离合器分离和接合程度的一整套专门设计的机 构。离合器的组成示意图如下： 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 离合器组成结构图 离合器工作过程：( 1 ) 当离合器安装在发动机上，压紧弹簧进一步被压缩， 此时离合器踏板处于最高的位置，飞轮、从动盘、压盘三者之间处于压紧的状 态。而分离轴及分离杠杆之间应该有个合适的间隙，以保证离合器处于接合状 态。( 2 ) 分离过程：当踏下离合器踏板，分离叉顶着压分离轴承向前移动，压向 分离杠杆内端，这样分离杠杆内端向前外端向后运动拉动压盘克服压紧弹簧弹 力向后移动，这样就解除了飞轮、从动盘、压盘三者之间的压紧状态，从而中 断了动力的传递。( 3 ) 接合过程：当抬起离合器踏板，分离叉离开分离轴承， 分离轴承在回位弹簧作用下回位，在压紧弹簧作用下压盘前移，这带动分离杠 杆内端向后外端向前运动，这样此时飞轮、从动盘、压盘三者之间就处于压紧 状态，从而保证了动力的传递。 离合器传递扭矩路线： 飞轮_ 摩擦片_ 从动盘本体_ 从动盘本体- 扭转减振器_ 从动盘轮毂_ 一 轴； 飞轮_ 离合器盖一传动片+ 正压力_ 压盘一摩擦片_ 从动盘本体一从动盘 本体_ 扭转减振器一从动盘轮毂_ 一轴； 操纵机构：【踏板一踏板臂_ 拉杆_ 分离拉杆_ 分离叉臂_ 分离叉一分离套 筒静止部分】_ 【分离轴承_ 分离杠杆运动部分】一压盘 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 摩擦离合器的介绍 2 2 1 摩擦离合器的分类 摩擦离合器按摩擦面的数目( 从动盘的数目) 分：单盘式、双盘式( 多盘 式) ； 按压紧弹簧安装位置可分：周布弹簧离合器、中央弹簧离合器； 按压紧弹簧的形式分：螺旋弹簧离合器、膜片弹簧离合器； 按操纵机构形式不同：人力式、气压助力式。 单盘离合器：即只有一片从动盘，其前后两面都装有摩擦片，从而具有的是两 个摩擦面。 双盘离合器：即增加了一个从动盘，有两个从动盘。 周布弹簧离合器：采用若干个螺旋弹簧作为压紧弹簧，并沿摩擦盘圆周分布。 中央弹簧离合器：仅具有一个或两个较强力的螺旋弹簧并安置在中央位置。 膜片弹簧离合器：是以膜片弹簧作为压紧弹簧的。 扭簧摩擦离合器：通过操纵系统使扭簧扭转，引起扭簧直径减小或增大。 2 2 2 摩擦离合器的结构形式 摩擦离合器结构形式有下面两种：( 1 ) 圆盘摩擦离合器：摩擦件为圆盘， 分为单盘和多盘这两种，并有干式和湿式的区分。单盘式结构简单，只有一对 摩擦面，从动部分惯量较小，散热性好，调整很方便，分离也彻底，但是缺点 是所能传递的扭矩小，一般不超过1 0 0 0 牛米。 而多盘式有多对摩擦面，传递的扭矩却可以高达8 x 1 0 6 牛米。如果需要要 求传递大扭矩，还可以增加摩擦面对数，而不必增大离合器的径向尺寸和轴向 压紧力，这样就有利于降低离合器的转动惯量。多盘式不仅结构紧凑，还可采 用不同材料的摩擦面，这样就便于制造、安装和调整，允许在变速下接合，因 此应用广泛：但摩擦面对数过多会影响离合灵活性，甚至卸去压紧力后，主、 从摩擦件仍不能彻底脱开，造成摩擦面的过量磨损。因此在一般情况下干式摩 擦面应少于1 5 对，湿式则应少于3 0 对。湿式摩擦离合器的摩擦件是浸在油中 工作的，经常是多盘式，它比干式磨损小，散热更好，温升低，寿命长，所能 9 武汉理工大学硕士学位论文 传递的扭矩大。 ( 2 ) 圆锥摩擦离合器：摩擦件为圆锥体，有单锥和双锥两种区分。这种离合器 结构简单，接合平稳，分离彻底；能产生较大的摩擦力，摩擦面磨损后一般不 需要人工去调整，但是由于单锥式只有一对圆锥摩擦面，双锥式也只有两对摩 擦面，所以如果需要传递大扭矩时候，则必须增大锥体的径向尺寸。减小锥角 可以增加摩擦力，但是又会导致内外锥面不易分离。通常，摩擦面材料为金属 金属时，锥顶半角应不小于7 0 ；为皮革金属时，应不小于1 2 0 。 2 2 3 摩擦离合器的摩擦面材料 离合器在汽车上一个重要的作用就是传递转矩。而摩擦离合器能够传递的 最大转矩取决于摩擦面间的最大静摩擦力矩。而摩擦面间的最大静摩擦力矩的 大小取决于摩擦面间的最大压紧力合摩擦面的尺寸和性质。因此对于结构一定 的离合器，摩擦面所采用何种的材料生产制造对静摩擦力矩影响较大。摩擦件 是摩擦离合器的主要组成元件，它的工作表面材料的物理性质以及机械性能是 直接影响离合器的工作性能的。因此我们对材料的主要要求有：摩擦系数大而 且要稳定，动摩擦系数应尽量与静摩擦系数相近；强度高，能承受冲击，高速 时不易破裂和剥落；耐磨、耐高温、耐腐蚀和导热性能好，热变形小；长期静 置时应不致黏连。此外，还要求材料的使用寿命长，有容易加工和价廉等优点。 常用的摩擦面材料一般有这样三种粉末冶金材料、石棉基材料和纸基材料。 ( 1 ) 粉末冶金材料特点是：表面许用温度、许用压力、高温下摩擦系数和寿命 都较高。 ( 2 ) 铜基粉末冶金材料主要用于湿式摩擦面，铁基粉末冶金材料摩擦系数和许 用压力都较铜基为高，但耐磨性较低，多用于干式摩擦面。 ( 3 ) 石棉基材料：用石棉加黏结剂和填料模压而成，固结在钢或铁底板上，许 用工作温度较低。纸基材料：用石棉、植物纤维或两者的混合物相互交织，再 加填料后由树脂等黏结而成。这种材料具有多孔性，摩擦性能好，动、静摩擦 系数相近，而且成本较低。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 摩擦离合器压盘的传力方式 离合器压盘是离合器总成中最为主要的部件之一，是离合器中的主动部分。 在传递发动机转矩时候，它和飞轮一起带动从动盘旋转，从而传递转矩，因为 压盘要传递转矩到从动盘上，所以它和飞轮必须是连接在一起的，但这种连接 需要使离合器分离过程中压盘能够自由的在轴向方向上运动。单盘离合器压盘 的传力方式一般是采用传动片式，即压盘与离合器盖之间靠若干数目的传动片 传递转矩。在双盘离合器中，采用的方法通常是综合式的连接方法，该方法是 中间压盘通过键，压盘通过凸台。还有的双盘离合器是用销子传力的。通过传 力销将飞轮与中间压盘、压盘连接在起。 2 2 5 离合器的操作机构 离合器的操作机构是驾驶员在车辆起步、正常行驶过程中经常会用到了一 套机构，这套机构应该行之有效地使离合器完全彻底的分离，而且又可以使离 合器柔和的结合。它的起始作用点是驾驶员控制的离合器踏板，终止点是飞轮 壳内分离轴承。 离合器操作机构的组成包括有离合器踏板到离合器壳内的分离轴承以及中 间所有的传动部件。 离合器操作机构的基本要求有以下几点： ( 1 ) 操作机构结构要尽可能的简单，操作要轻便，踏板力要小。这样的原因是 为了减轻驾驶员的劳动强度。对于轿车而言，踏板力应该在8 0 n - - 1 2 0 n 范围之 间。 ( 2 ) 操作机构的结构要紧凑，效率要高，踏板行程也需要在合适的长度，一般 情况下，是在8 0 m m 一1 5 0 m m 的范围之间。 ( 3 ) 在操作机构中应该有能够调整自由行程的设备装置。 ( 4 ) 离合器踏板的行程必须装备有限位装置，控制离合器踏板行程在一定的范 围内。 ( 5 ) 离合器踏板在回位时要快捷，这样为了防止离合器在接合时候回位滞后。 按照操作离合器的能量的不同，离合器操作机构可以分为两类人力式和气 压式这两种。人力式离合器操作机构的操作能源来自于驾驶员的肌体。气压式 武汉理工大学硕士学位论文 离合器操作机构操作能源来自于以发动机驱动的空气压缩机，人体仅仅作为辅 助和后备的操作能源。 人力式操作机构按照所采用的传动装置的形式可以区分为，机械式和液压 式这样两种。 机械式操作机构在中、轻型以下各类轿车上应用得比较广泛，有些轿车上 也采用这种机构。机械式操作机构又可区分成两类，一是杆系传动装置，二是 绳索传动装置。这两类传动装置各有优缺点。杆系传动装置的关节比较多，因 而摩擦损失比较大，另外杆系传动装置的工作情况会受到车身或者车架变形的 影响。而绳索传动装置不仅避免了杆系传动系统的那些缺点，它的布置还非常 的方便，并且有可能采取利于驾驶员操作的吊挂式踏板，然后它也有自己的不 足，比如说绳索寿命较短，拉伸刚度较小，因此该装置最合适用于轻型和微型 汽车上，同样也适用在发动机后置的汽车上。 总体来说，机械式操作机构不仅结构简单，制造成本低，而且故障也少。 缺点就是机械效率低，并且拉伸变形会致使离合器踏板的行程损失过大。 液压式操作机构主要组成部分有：主缸、工作缸以及管路系统。液压式操 作机构在汽车上的运用非常广泛，它的优点非常显著，有摩擦阻力小、质量小、 布置也方便、接合柔和等等。而且完全不受车身或者车架的变形情况的影响。 在北京b j 2 0 2 3 、奥迪、红旗以及桑塔纳2 0 0 0 等汽车的离合器上均采用液压式操 作机构。 2 3 摩擦离合器的常见故障及原因 离合器安装在汽车中的发动机与变速箱之间的位置，所以它的技术状态的 好坏之间影响到发动机动力的传递，并且影响变速器档位的变化操作。工作良 好的离合器应该做到接合时候是平顺可靠的、分离能做到彻底干脆、传动时候 没有发生异响。但是由于离合器是汽车中使用非常频繁的部件，因此磨损或者 毁损是无法避免的情况，它的技术状态容易变差或者是出现障碍。 离合器常见故障有以下几种： ( 1 ) 离合器打滑：现象是当汽车起步时候，完全放松离合器踏板，使离合 器接合，发动机的动力不能完全传动到变速器的主动轴，导致汽车动力的下降， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 造成汽车动力不足，起步会感到困难，而且油耗也会增加，造成资源浪费。在 汽车加速行驶时候，离合器如果是打滑，就会造成车速不能随着发动机转速的 提高而加快，感觉到汽车行驶无力，动力不足。在汽车处于负载上坡情况下， 打滑现象更是明显，更有严重情况下，离合器中会产生发出焦臭味。 导致离合器打滑的原因有多方种多样，离合器踏板自由行程长度不合适， 太短了甚至是没有；弹簧太软或者是折断了；摩擦片因摩擦变薄、产生硬化， 铆钉外露或是沾有油污；以及离合器和飞轮的连接螺钉松动。以上这些原因都 可能导致离合器打滑现象的发生。 ( 2 ) 离合器分离不彻底：现象是在汽车起步的时候，在将离合器踏板踏到 低仍然感觉到换挡有些困难，虽然能强行挂入档位，但不抬起离合器踏板汽车 就向前行驶这会可能造成发动机熄火。或者是这种情况，在变速器换挡时候挂 档困难甚至是挂不进档，而且在变速器段有齿轮撞击声的发生。 产生离合器分离不彻底是原因有多种：离合器踏板的自由行程过大；离合 器内的分离杠杆内端不在同一个平面上，个别分离杠杆或者是调整螺钉发生了 断：离合器从动盘发生翘曲现象，上面的铆钉松脱或者是新换的摩擦片过厚； 双片式摩擦片中间主动盘用于限位的螺钉调整不适，以及分离弹簧过软或者是 折断了；还有个可能就是从动盘毂键槽与变速器第一轴连接部分的健齿发生了 锈蚀，这样就导致从动盘移动困难，从而使离合器分离出现困难。 ( 3 ) 离合器发生异响：现象是在发动机怠速运转情况下，踩下离合器踏板， 分离或者是接合时候，发出不正常是响声。抬起放松离合器踏板时候，异响就 消失，或者是踩下和放松离合器踏板时候，都有异响发生。 产生异响的原因大致上有下面几种：离合器内的分离轴承磨损严重或者是 缺少润滑油，轴承复位弹簧过软或者是折断脱落；分离杠杆支撑销孔由于磨损 而松动；从动钢片的铆钉松动，钢片碎裂或者是减震弹簧已经折断了；还有就 是踏板的复位弹簧过软，脱落甚至是折断：以及从动盘毂与变速器第一轴花键 磨损严重这些原因都是可能造成异响的。 ( 4 ) 离合器发抖；现象是汽车启动时候，离合器不能平稳的接合，车身发生 断续的冲击抖动。 发生离合器发抖原因有下面这些可能：离合器内的分离杠杆内端高低不一 致；压盘或者是从动盘发生翘曲现象，或是从动盘铆钉发生松动：还有就是压 紧弹簧的力不是均匀的；另外就是变速器与飞轮的固定螺钉发生了松动。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章是在绪论的基础之上更加全面而且详细了介绍了离合器。主要以摩擦 片式离合器重点介绍，摩擦片式离合器的使用非常广泛，对其的研究有着重要 的实际指导意义。在文中较为全面的介绍了摩擦片式离合器的几个重要的方面。 对其组成结构，工作过程进行了基础的介绍，便于对其展开进一步的研究分析。 此外对离合器的操作机构也进行的详细的介绍，随着离合器的快速发展，与之 相应的操作机构也必将得到更多的关注与研究。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章离合器的力学分析 3 1 离合器的动态过程 在汽车中离合器位于发动机和变速箱之间，发动机是将来自于外界的液力 或者气体通过燃烧转变而机械能，并且对外输出动力的装置。汽车的动力来自 于发动机。发动机是汽车的心脏。变速器是一套用来协调发动机的转速和车轮 的实际行驶速度的变速装置，用于发挥发动机的最近性能。这两个机构是汽车 中非常重要的部分，而离合器在两者之间，因此要发挥着两者的最佳性能，不 可避免的需要离合器也能一直处于最佳状态。离合器的动态过程与这两部分也 是密不可分的。 3 1 1 发动机的输出特性分析 由于离合器的动力输入来自于发动机，驾驶员对发动机输出的控制就将直 接影响离合器的输入，因此很有必要讨论分析一下起步时候的发动机的输出特 性。汽车起步时，发动机油门的开度是需要发生变化的，这个变化虽然没明确 的规定，但也需要是在合适的范围内，不能够太大或者是太小。油门开度如果 偏小，不仅会导致汽车起步缓慢的情况发生，动力性较差。而且还会造成离合 器滑摩剧烈，从而使离合器升温，使得磨损更加剧烈，这样就减少了离合器的 使用寿命。而油门开度太大也不行，因为汽车起步时一般都处于低档位，地面 对汽车提供的附着力大小的有限的，油门开度太大的话，只要离合器的接合速 度稍快，最终传递到车轮的牵引扭矩就可能会致使汽车车轮发生过度滑转。这 不仅导致汽车运行状态的不稳定，也消耗了大量的发动机功率，造成资源浪费。 因此必须对发动机的油门开度进行适当的控制。 在实际过程中，汽车起步阶段发动机的油门开度不是个固定值，是处于不 断变化中的，发动机输出的扭矩也是逐渐增加到外特性扭矩的。这里采用一种 称为“油门虚拟概念”，用k 表示无量纲系数，采用如下的定义： k = ( a ) 毛 渊7 武汉理工大学硕士学位论文 在这个公式中：t 。表示发动机转速n 。下的部分油门开度时的输出扭矩。 t 印表示任一发动机转速n 。与之对应的外特行扭矩。 对于发动机，虽然功率等等的参数都不尽相同，但还是都可以通过输入相应 的k 随时间的变化曲线来模拟发动机的操作特点，一般采用这样的函数来表达 描述： k ：l 一( 1 + tc ) “ ( b ) 在这个式子中：t c 表示的是车辆起步时间，在不把离合器踏板自由行程的 时间考虑计算在内时，这个时间就是离合器的接合时间。 co 表示的是计算常数，co 0 发动机一定，在已知发动机的外特性的条件下，通过以上两个公式可以求 得在起步阶段任一时刻的发动机输出扭矩。 3 1 2 离合