离合器课程设计

目录 1 摘要 1 2 设计方案概述 2 2 1 离合器设计的任务 2 2 2 设计原则 目标 2 3 离合器结构方案选择 2 3 1 离合器种类选择 3 3 2 从动盘数选择 3 3 3 压紧弹簧和布置形式选择 3 3 4 压盘驱动形式选择 4 3 5 扭转减振器 4 3 6 离合器的操纵机构选择 4 4 离合器主要参数的选择 5 4 1 摩擦片的主要数据 5 4 2 从动盘 5 4 2 1 从动片的结构形式 材料及基本尺寸 5 4 2 2 从动盘毂 5 4 2 3 从动盘摩擦材料 5 4 3 压盘和离合器盖 6 4 3 1 压盘传力方式的选择以及几何尺寸的确定 6 4 3 2 压盘及传动片的材料 6 4 3 3 传动片的设计及强度校核 6 4 3 4 离合器盖设计 9 4 4 膜片弹簧设计 9 4 5 扭转减振器设计 9 4 6 分离轴承总成设计 11 4 7 操纵机构 12 结论 14 参考文献 15 1 摘 要 离合器是汽车传动系中的重要部件 主要功用是是切断和实现发动机对传动系的 动力传递 保证汽车平稳起步 保证传动系统换挡时工作平顺以及限制传动系统 所承受的最大转矩 防止传动系统过载 膜片弹簧离合器是近年来在轿车和轻型 汽车上广泛采用的一种离合器 它的转矩容量大而且较稳定 操作轻便 平衡性 好 也能大量生产 对于它的研究已经变得越来越重要 此设计说明书详细的说 明了轻型汽车膜片弹簧离合器的结构形式 参数选择以及计算过程 本文基于比亚迪 9500 的设计要求和设计参数 确定了以拉式膜片弹簧离合器作 为设计目标 根据拉式膜片弹簧离合器工作原理和使用要求 采用系统化设计方 法 把离合器分为主动部分 从动部分 操纵机构 通过对各个部分设计方案的 原理阐释和优缺点的比较 确定了相关部分的基本结构及其零部件的制造材料 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 以 及从动盘设计 从动盘毂的设计 和膜片弹簧设计等 关键字 离合器 膜片弹簧 从动盘 压盘 摩擦片 2 2 设计方案概述 本设计进行的是轿车离合器总成的设计 通过对对给定汽车参数的分析 确 定离合器结构方案 并计算离合器主要参数 最后绘制离合器总成图 设计已知参数如下 汽车型号整备质量最大功率扭矩 沃尔沃 s801746kg175Kw 6200rpm320N m 30000rpm 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 汽车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 2 接合时平顺柔和 保证汽车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 2 1 离合器设计的任务 1 从技术先进性 生产合理性和使用要求出发 正确选择性能指标 质量 和主要尺寸参数 提出总成设计方案 为各零件设计提供整体参数和设计要求 2 对各零件进行合理布置和运动校核 3 对整体性能进行计算和控制 保证汽车主要性能指标实现 4 协调好整体总成与零件之间的匹配关系 配合零件完成布置设计 使整体的性能 可靠性达到设计要求 2 2 设计原则 目标 1 离合器的选型应根据汽车型谱 市场需求 产品的技术发展趋势和企 业的产品发展规划进行 2 选型应在对同类型产品进行深入的市场调查 使用调查 生产工艺调 查 样车结构分析与性能分析及全面的技术 进行分析的基础上进行 3 应从已有的基础出发 对原有离合器和引进的样本进行分析比较 继 承优点 消除缺陷 采用已有且成熟可靠的先进技术与结构 开发新型离合器 4 涉及应遵守有关标准 规范 法规 法律 不得侵犯他人专利 5 力求零件标准化 部件通用化 产品系列化 3 离合器结构方案选择 3 根据设计原则 目标和用户的需求特点 设计人员要提出被开发离合器的整 体结构方案 主要包括以下几部分 1 离合器种类选择 2 从动盘数选择 3 压紧弹簧和布置形式选择 4 压盘驱动形式选择 5 扭转减振器 6 离合器的操纵机构选择 3 1 离合器种类选择 离合器有摩擦式 电磁式 液力式三种类型 离合器大都根据摩擦原理设计 的 摩擦式应用广泛 摩擦式工作表面形状包括锥形 鼓形和盘形 锥形和鼓形 其从动部分转动惯量太大 引起变速器换档困难 且结合不够柔和 易卡住 故选择盘形摩擦式离合器 3 2 从动盘数选择 单片离合器 图 2 1 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 图 2 2 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 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 队也乘用车和最大总质量小于 6t 的商用车而言 发动机的最大转矩一般不大 在布置尺寸容许的情况下 离合器通常只设计有一片的从动盘 故选择单片离合 器 图 2 1 单片离合器 图 2 2 双片离合器 3 3 压紧弹簧和布置形式选择 周置弹簧由于受离心力作用而向外弯曲 使弹簧压紧力下降 离合器传递扭 矩的能力降低 另外 弹簧到它定位面上 造成接触部位严重磨损 会出现弹簧 断裂现象 中央弹簧此结构轴向尺寸大 斜置弹簧在重型汽车上使用 突出优点 是工作性能十分稳定 踏板力较小 膜片弹簧弹簧压力在摩擦片允许范围内基本 不变 能保持传递的转矩大致不变 另外它兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用 使 4 结构简单紧凑 轴向尺寸小 质量小 由于它大断面环形与压盘接触 其压力分 布均匀 摩擦片磨损均匀 提高使用寿命 平衡性好 推式摸片弹簧结构简单 安装拆卸较简单 分离行程比拉式小 故选择推式膜片斜置弹簧 图 2 3 图 2 3 推式膜片弹簧离合器 3 4 压盘驱动形式选择 窗孔式 销钉式 键块式它们缺点是在联接件间有间隙 在驱动中将产生冲 击噪声 而且零件相对滑动中有摩擦和磨损 降低离合器传动效率 传动片式此 结构中压盘与飞轮对中性好 使用平衡性好 简单可 寿命长 故选择传动片式 3 5 扭转减振器 它能降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度 调谐传动系扭振固有频 率 增加传动系扭振阻尼 抑制扭转共振响应振幅 并衰减因冲击而产生的瞬态 扭振 控制动力传动系总成怠速时离合器与变速器的扭振与噪声 缓和非稳定工 况下传动系的扭转冲击载荷和改善离合器的接合平顺性 故要有扭转减振器 3 6 离合器的操纵机构选择 离合器操纵机构按分离时所需的能源不同可分为机械式 液压式 弹簧助力 式 气压助力机械式 气压助力液压式等等 机械式操纵机构有杠系和绳索两种传动形式 杠系传动结构简单 工作可靠 但是传动效率低 质量大 车架和驾驶室的形变可影响其正常工作 远距离操纵 杆系 布置困难 而绳索传动可消除上述缺点 但寿命短 机构效率不高 机械式操纵机构一般用于排量 1 6L 以下的汽车离合器 对于大排量的客车 应采用液压式操纵机构 液压操纵机构有如下优点 1 液压式操纵 机构传动效率高 质量小 布置方便 便于采用吊挂踏 板 从而容易密封 不会因驾驶室和车架的变形及发动机的振动而产生运动干涉 5 2 可使离合器接合柔和 可以降低因猛踩踏板而在传动系产生的动载荷 故选择液压式操纵机构 4 离合器主要参数选择 4 1 摩擦片主要数据 1 3 p0 0 2 f 0 2 c 0 7 Temax fZp0D3 1 c3 12 1 3 320 416N m 求得 d 311 57mm D 325 d 195 厚度 3 5 c 0 585 4 2 从动盘 4 2 1 从动片的结构 形式 材料及其基本尺寸 采用波形片 即分开式或组合式 时 从动片用低碳钢 波形片用弹簧钢 从动片直径对照摩擦片尺寸确定 为减小从动盘转动惯量 从动片一般较薄 通常为 1 3 2 0mm 厚钢板冲压而成 取值为 1 5mm 从动片的外沿部分 即波形 弹簧那片 厚度在 0 65 1 0mm 之间 取值为 0 8mm 所以选择组合式从动片 D 325mm d 190mm 从动片厚度 1 5mm 弹簧片厚度 0 8mm 4 2 2 从动盘毂 花键的结构尺寸 花键齿数 n 10 花键外径 D 40mm 花键内径 d 32mm 齿厚 t 5mm 有效齿长 l 45mm 挤压应力 11 6MPa 花键齿工作高度 h D d 2 4mm 4 2 3 从动盘材料选择 离合器摩擦面片在离合器接合过程中将遭到严重的滑磨 在相对很短的时 6 间内产生大量的热 因此 要求摩擦片应有较好的摩擦性能 较高的摩擦系数 较小的转动惯量 在短时间内可以吸收相对高的能量 且具有较好的耐磨性能 摩擦的材料基本上有三种 石棉基摩擦材料 有机摩擦材料以及金属陶瓷摩擦材 料 有机摩擦材料可以满足较高的性能标准 成本低等特点 选择有机摩擦材料 故选有机摩擦材料 4 3 压盘和离合器盖 4 3 1 压盘传动方式的选择以及几何尺寸的确定 压盘设计包括传力方式的选择及几何尺寸的确定两个方面 压盘是离合器的主动部分 在传递发动机扭矩时 它和飞轮一起带动从动盘 转动 所以它必须和飞轮连接在一起 但这种变化应允许压盘在离合器分离过程 中能自由的作轴向移动 常用的连接方式有以下几种 凸台式 键式 销式和传 动片式 现在使用最广泛的是传力片的传动方式 因为这种连接方式不仅改善了 传力片的受力状况 还简化了压盘的结构 降低了对装配精度的要求 并且还有 利于压盘的定中 确定了摩擦片内外径 与摩擦片相接合的压盘的内外径也就确定下来了 因 此压盘几何尺寸归结为确定它的厚度 压盘厚度确定主要依据以下两点 1 压盘应该具有足够的质量 以吸收结合时摩擦产生的热量 2 压盘应具有足够大的强度 以保证受热时不变形 压盘厚度一般不小于 10mm 参考离合器结构 初步确定外径为 340mm 内径 185mm 厚度 20mm 压盘质量 340185 22 93 15 107 83 1010 08 22 mkg 压 取 11kgm压 在确定压盘厚度以后 应校对离合器接合一次时的温升 它不应超过 8 10 校核公式如下 W cm 式中 温升 W 滑摩功 由已知数据计算得出 W 52863 04J 分配到压盘上的滑摩功所占的百分比 单片离合器压盘 5 0 4 18 7 c 压盘比热容 对铸铁压盘c 544 28J kg K 压盘质量 kg m 带入数据得 符合 4 415oC 强度校核 按转矩计算 6 34 9 549 10 0 21 P T P T n WDa 轴的扭转切应力 MPa T 压盘所传递的转矩 Nmm 压盘的抗扭截面系数 T W 3 mm 压盘的许用扭转切应力 P MPa 压盘的外直径 Dmm 式中 代表内 外径的比值 d a D 4 3 320 0 045 340185 1 16340 P MPa 故满足要求 4 3 2 压盘及传动片的材料 压盘形状一般都比较复杂 而且要求耐磨 传热性好和具有较理想的摩擦性 能 故选择由灰铸铁 HT200 铸成 并添加少量合金材料 硬度为 HB170 227 汽车中间压盘传动片采用 80 钢 并进行渗碳处理 8 4 3 3 传动片的设计及强度校核 传动片在膜片弹簧离合器中除了承担传递发动机的转矩外 还要依靠传动片 的弹性作用使压盘分离 根据现有数据 初定离合器压盘传动片的设计参数如下 共设 3 组传动片 i 3 每组 3 片 n 4 传动片的几何尺寸为 宽 b 18mm 厚 h 1mm 传 动片两孔的距离 l 80mm 孔的直径 d 8mm 传动片切向布置 圆周半径 180mm 弹性模量为 E 2 1 MPa 5 10 校核传动片的应动 传动片的有效长度为 1 1 580 1 5 868mmlld 传动片的弯曲总刚度 3 nx1 53 3 12EJ ni l 131 12 2 1 1018 130 32 12681000 KK MN m 根据上述分析 计算以下 3 中工况的最大驱动应动及传动片的最小分离力 1 彻底分离时 按设计要求 f 0 0 由公式可知 0 e T 2 压盘和离合器盖组装成盖总成时 0 通过分析计算可知 e T 则可计算最大应力 max 4 0fmm 5 max max 22 1 33 4 0 2 1 101 544 98 68 a fEh MP l 3 离合器传扭时 分正向驱动与反向驱动 出现在离合器摩擦片磨 max f 损到极限状况 通过尺寸链的计算可知 2 5mm max f 正向驱动 2 maxmaxmaxmax max 2 1 5 22 36 3 2 5 2 1 1016 320 2 5 1000320 1000 683 4 180 18 13 4 180 18 1 340 6 123 58 23225 33 eeefEhTfT linRbhinRbh MPa 反向驱动 2 maxmaxmaxmax max 2 1 5 22 36 3 2 5 2 1 1016 320 2 5 1000320 1000 683 4 180 18 13 4 180 18 1 340 6 123 58 23455 87 eeefEhTfT linRbhinRbh MPa 9 由上式可知 传动片的许用应动符合所需的应动要求 可见压盘与离合器盖组装成总成时最危险 由于计算载荷时比较保守 明显 偏大 因此传动片的许用极限可取其屈服极限 鉴于上述传动片的应力状况 应 选用 80 号钢 4 传动片的最小分离动发生在新装离合器的时候 从动盘尚未磨损 F弹 离合器在结合状态下的弹性弯曲变形量此时最小 根据相关数据确定 f 1 74mm 则 传动片弯曲总刚度 0 32MN m 当 f 1 74mm 时 其弹性恢复动为 K F弹 f 0 32 1 74 1000 556 8N 符合要求 K 6 10 4 3 4 离合器盖的设计 离合器盖与飞轮用螺栓固定在一起 通过它传递发动机的一部分转矩给压盘 此外 它还是离合器压紧弹簧和分离杆的支承壳体 离合器盖主要要求离合器盖 具有较好的刚度 使得在离合器分离的时候能保持不产生较大的变形 而且在离 合器上需要开一些通分窗口 以加强离合器的冷却 根据现有数据 初定离合器 盖使用 5mm 的 08 钢板 采用定位销对中 4 4 膜片弹簧的设计 1 比较 H h 的选择 由其他组员结论可直 本设计 H h 1 8 h 4mm 则 H 7 2mm 2 R r选择 取 r 132mm 则 R 160mm 则 R r 1 21 3 圆锥底角 本设计中 13 7 分离指数常取为 18 4 切槽宽度 10 1 3 2 3 5mm 2 9 10mm 取 1 3 5mm 2 10mm re 116 应满足 r re 16 2的要求 5 压盘加载点半径和支承环加载点半径的确定 本设计取 R1 155mm r1 133mm 国内常用的碟簧材料的为 60SizMnA 当 量应力可取为 1600 1700N mm2 4 5 扭转减震器设计 扭转减振器主要由弹性元件 减振弹簧或橡胶 和阻尼元件 阻尼片 等组成 弹 性元件的主要作用是降低传动系的首端扭转刚度 从而降低传动系扭转系统的某 阶 通常为三阶 固有频率 改变系统的固有振型 使之尽可能避开由发动机转矩 主谐量激励引起的共振 阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量 所以 扭 转减振器具有如下功能 1 降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度 调谐传动系扭振固有频率 2 增加传动系扭振阻尼 抑制扭转共振响应振幅 并衰减因冲击而产生的瞬 态扭振 3 控制动力传动系总成怠速时离合器与变速器轴系的扭振 消减变速器怠速 噪声和主减速器与变速器的扭振与噪声 4 缓和非稳定工况下传动系的扭转冲击载荷和改善离合器的接合平顺性 减振器的主要参数是减振器的角刚度 K 和减振器的摩擦力矩 T 摩 它们决 定减振器的衰减传动系扭转振动的能力 减振器的扭转刚度和阻尼摩擦元件间 k 的摩擦转矩是两个主要参数 其设计参数还包括极限转矩 预紧转矩和 T j TTn 极限转角等 j 1 减震器极转矩 N m2 320640jT 2 摩擦转矩 N mmax0 1754 4eTT 3 预紧转矩 Tn 0 15Temax 48N m 4 极限转角 4 05O j 5 扭转角刚度 13Tj 8320N m k 11 6 减震弹簧的减震半径 R0 65 7 减震弹簧的个数Z 8 8 减震弹簧总压力 Tj R0 9846N F 9 减震弹簧的计算 1 由于减振弹簧的作用半径 R0 66 5mm 减振弹簧个数 8 减振弹 j Z 簧总压力 7218N 则单个减振弹簧的工作负荷 P 7218 8 9022 25N F F j Z 2 弹簧中径 DC 14mm 3 弹簧钢丝直径 d1 4mm 4 减振弹簧刚度 k 232 8 N mm n1000 2 1 R K 5 弹簧有效圈数 取 n 6 6 减振弹簧最小高度 lmin即弹簧在最大工作负荷下的工作长度 可取 lmin n d1 1 1d1n 26 4mm 7 减振弹簧总变形 5mm kp l 8 减振弹簧自由高度 l0 lmin 30 4mm l 9 减振弹簧预变形量 0 4mm l 0 kZR Tn 10 减振弹簧安装高度 l l0 31 mm l 11 从动片相对于从动盘毂的最大转角 4 0 12 限位销直径 d 按结构布置选定 d 10mm 13 从动盘毂缺口宽度 B 20mm 4 6 分离轴承设计 分离轴承的形式采用接触推力球轴承 分离轴承装置采用推式自动调心式 总体布置见下图 4 1 12 图 4 1 推式自动调心式分离轴承装置 1 内圈旋转时分离轴承 2 波形弹簧 3 轴承罩 4 分离套筒 4 7 操纵机构 汽车离合器操纵机构是驾驶员用来控制离合器分离又使之柔和接合的一套机 构 它始于离合器踏板 终止于离合器壳内的分离轴承 由于离合器使用频繁 因此离合器操纵机构首先要求操作轻便 轻便性包括两个方面 一是加在离合器 踏板上的力不应过大 另一方面是应有踏板形成的校正机构 离合器操纵机构按 分离时所需的能源不同可分为机械式 液压式 弹簧助力式 气压助力机械式 气压助力液压式等等 离合器操纵机构应满足的要求是 3 1 踏板力要小 轿车一般在 80 150N 范围内 货车不大于 150 200N 2 踏板行程对轿车一般在mm 范围内 对货车最大不超过 180mm 3 踏板行程应能调整 以保证摩擦片磨损后分离轴承的自由行程可复原 13 4 应有对踏板行程进行限位的装置 以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 机械式操纵机构有杠系传动和绳索系两种传动形式 杠传动结构简单 工作 可靠 但是机械效率低 质量大 车架和驾驶室的形变可影响其正常工作 远距 离操纵杆系 布置困难 而绳索传动可消除上述缺点 但寿命短 机构效率不高 本次设计的普通轮型离合器操纵机构 采用液压式操纵机构 液压操纵机构 有如下优点 1 液压式操纵 机构传动效率高 质量小 布置方便 便于采用吊挂踏 板 从而容易密封 不会因驾驶室和车架的变形及发动机的振动而产生运动干涉 2 可使离合器接合柔和 可以降低因猛踩踏板而在传动系产生的动载荷 正由于液压式操纵有以上的优点 故应用日益广泛 离合器液压操纵机构由主缸 工作缸 管路系统等部分组成 mm mm mm mm mm mm mm mm 14 图 4 2 液压操纵机构示意图 设计总结 本设计根据给出的设计要求和原始设计参数 以及拉式膜片弹簧离合器及其 操纵机构的工作原理和使用要求 通过对其工作原理的阐述 结构方案的比较和 选择 相关零件参数的计算 大致确定了离合器及其操纵机构的基本结构和主要 尺寸以及制造相关零部件所用的材料 结构方面 根据设计要求 考虑到使用条件和其显著的优点 选用带扭转减 振器的单片推式膜片弹簧离合器 压盘驱动方式采用传动片传动 分离轴承采用 自动调心式分离轴承 操纵机构采用液压式 计算方面 确定了离合器的主要参数 P0 D d 结果按照基本公式运算得出 并通过约束条件 检验合格 根据膜片弹簧基本参数之间的约束关系 初步确定 了膜片弹簧的尺寸参数 并通过优化程序得出了膜片弹簧尺寸的优化值 并进一 步确定了膜片弹簧的工作点 同时进行了强度校核 确定了扭转减振器和变速器 的主要尺寸 15 选材方面 摩擦片选用有机材料材料 保证其有足够的强度和耐磨性 热稳 定性 磨合性 不会发生粘着现象 膜片弹簧采用 65Si2MnA 其中所含硅成分 提高了机件的弹性 所含锰 加强了耐高温性 传动片采用 80 刚 满足其强度 需要 压盘采用 HT200 提高了耐磨性 离合器盖选用 08 钢 提高了散热能力 综上所述 本