4.0吨商用车膜片弹簧离合器设计说明书

. . 目录 1 离合器概述.1 1.1 离合器的简介.2 1.2 汽车离合器的主要功用.2 2 膜片弹簧离合器结构分析与计算.3 2.1 膜片弹簧离合器的结构.3 2.2 设计变量.4 2.3 目标函数.5 2.4 约束条件.6 3 膜片弹簧的设计.8 3.1 膜片弹簧的基本参数的选择.9 3.2 膜片弹簧的弹性特性曲线.15 3.3 强度校核.15 4 扭转减振器的设计.15 4.1 扭转减振器主要参数.15 4.2 减振弹簧的计算.15 5 从动盘总成的设计.16 5.1 盘总成零件功能介绍.17 5.2 从动盘毂.18 5.3 从动片.18 5.4 波形片和减振弹簧.18 6 压盘设计.19 6.1 离合器盖.19 6.2 压盘.20 6.3 传动片.18 6.4 分离轴承.19 7 总结.20 参考文献.21 . . 1 离合器概述离合器概述 1.1 离合器的简介离合器的简介： 联轴器、离合器和制动器是机械传动系统中重要的组成部分，共同被称为机械传动中的三大器。 它们涉及到了机械行业的各个领域。广泛用于矿山、冶金、航空、兵器、水电、化工、轻纺和交通 运输各部门。 离合器是一种可以通过各种操作方式，在机器运行过程中，根据工作的需要使两轴分离或结合的 装置。 对于以内燃机为动力的汽车，离合器在机械传动系中是作为一个独立的总成而存在的，它是汽车 传动系中直接与发动机相连的总成。目前，各种汽车广泛采用的摩擦离合器是一种依靠主从动部分 之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。它主要包括主动部分、从动部分、压紧机构、和操纵机构 等四部分。 离合器作为一个独立的部件而存在。它实际上是一种依靠其主、从动件之间的摩擦来传递动力且 能分离的机构，见图 1-1 离合器工作原理图 图 1-1 离合器工作原理图 1飞轮；2从动盘；3离合器踏板；4压紧弹簧；5变速器第一轴；6从动盘毂 . . 1.2 汽车离合器的主要的功用：汽车离合器的主要的功用： 1.保证汽车平稳起步： 起步前汽车处于静止状态，如果发动机与变速箱是刚性连接的，一旦挂上档，汽车将由于突然 接上动力突然前冲，不但会造成机件的损伤，而且驱动力也不足以克服汽车前冲产生的巨大惯性力， 使发动机转速急剧下降而熄火。如果在起步时利用离合器暂时将发动机和变速箱分离，然后离合器 逐渐接合，由于离合器的主动部分与从动部分之间存在着滑动磨擦的现象，可以使离合器传出的扭 矩由零逐渐增大，而汽车的驱动力也逐渐增大，从而让汽车平稳地起步。 2.便于换档： 汽车行驶过程中，经常换用不同的变速箱档位，以适应不断变化的行驶条件。如果没有离合器 将发动机与变速箱暂时分离，那么变速箱中啮合的传动力齿轮会因载荷没有卸除，其啮合齿面间的 压力很大而难于分开。另一对待啮合齿轮会因二者圆周速度不等而难于啮合。即使强行进入啮合也 会产生很大的齿端冲击，容易损坏机件。利用离合器使发动机和变速箱暂时分离后进行换档，则原 来啮合的一对齿轮因载荷卸除，啮合面间的压力大大减小，就容易分开。而待啮合的另一对齿轮， 由于主动齿轮与发动机分开后转动惯量很小，采用合适的换档动作就能使待啮合的齿轮圆周速度相 等或接近相等，从而避免或减轻齿轮间的冲击。 3.防止传动系过载： 汽车紧急制动时，车轮突然急剧降速，而与发动机相连的传动系由于旋转的惯性，仍保持原有 转速，这往往会在传动系统中产生远大于发动机转矩的惯性矩，使传动系的零件容易损坏。由于离 合器是靠摩擦力来传递转矩的，所以当传动系内载荷超过摩擦力所能传递的转矩时，离合器的主、 从动部分就会自动打滑，因而起到了防止传动系过载的作用。 膜片弹簧离合器的优点： （1） 、弹簧压紧力均匀，受离心力影响小 （2） 、即使摩擦片磨损，压紧负荷也不减小 （3） 、离合器结构简单，轴向尺寸小，动平衡性能好 由于离合器上述三方面的功用，使离合器在汽车结构上有着举足轻重的地位。然而早期的离合器结 构尺寸大，从动部分转动惯量大，引起变速器换档困难，而且这种离合器在结合时也不够柔和，容 易卡住，散热性差，操纵也不方便，平衡性能也欠佳。因此为了克服上述困难，可以选择膜片弹簧 离合器，它的转矩容量大且较稳定，操纵轻便，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。 . . 2 膜片弹簧离合器结构分析与计算膜片弹簧离合器结构分析与计算 2.1 膜片弹簧离合器的结构：膜片弹簧离合器的结构： 图 2-1 膜片弹簧离合器(剖视图 1) . . 图 2-2 膜片弹簧离合器(剖视图 2) 图 2-3 膜片弹簧离合器的工作原理图 （a）自由状态； （b）压紧状态； （c）分离状态 . . (a) 一般压式操纵 (b)拉式操纵 图 2-4 2.2 设计变量：设计变量： 后备系数 取决于离合器工作压力 F 和离合器的主要尺寸参数 D 和 d。单位压力 P 也取决于离 合器工作压力 F 和离合器的主要尺寸参数 D 和 d。因此，离合器基本参数的优化设计变量选为： TT FDdxxxX 321 2.3 目标函数：目标函数： 离合器基本参数优化设计追求的目标，是在保证离合器性能要求的条件下使其结构尺寸尽可能小， 即目标函数为： )( 4 min)( 22 dDxf 2.4 约束条件约束条件 1.最大圆周速度： 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）式（210）知： smDnv eD /706510 60 3 max 式中，为摩擦片最大圆周速度（m/s）; 为发动机最高转速（r/min）所以： D v maxe n ， smsmDnv eD /70/8 .62103004000 60 10 60 33 max 故符合条件。 2.摩擦片内、外径之比 c c=，满足 0.53的条件范围。 583 . 0 175 300 D d 70 . 0 c 3.后备系数 对于最大质量为 6t-14t 的货车，1.5-2.25，初选后备系数 1.7 . . 4.扭转减振器的优化 对于摩擦片内径 d=175mm, 而减振器弹簧位置半径 R0(0.60.75)d/2，故取： (mm)，取： 49.121 175300 175300 3 1 22 33 R0 为 122mm 5.单位摩擦面积传递的转矩 c T C fFzR c T 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）式（27）知， c Tm) 553.468(N.=325.581.7 max e T 故: c0 T )175300(2 468.5534 22 (N/) 005937 . 0 m 2 mm 根据根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）表（25）知， 当摩擦片外径 D210-225mm 时，=0.30 N/0.005937 N/， Tc0 m 2 mmm 2 mm 故符合要求 6.单位压力 0 P 为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，选取单位压力的最大范围为 0 P 0.15.35Mpa， F=9321.87 4 175300 225 . 0 486.553 F C C fzR T 由于已确定单位压力0.19Mpa，在规定范围内，故满足要求 0 P . . 3 膜片弹簧的设计膜片弹簧的设计 3.1 膜片弹簧的基本参数的选择膜片弹簧的基本参数的选择 1.比值和 h 的选择： h H 为了保证离合器压紧力变化不大和操纵轻便，汽车离合器用膜片弹簧的一般为 1.52.0，板厚 h H h 为 24mm 故初: h=2.6mm, =1.54 则 H=1.54h=4.3mm. h H 2.比值和 R、r 的选择： r R 由于摩擦片平均半径: Rc=， )(75.118 4 175300 4 mm dD 对于推式膜片弹簧的 R 值，应满足关系 RRc=118.75mm. 故取 R=120mm,再结合实际情况取 R/r=1.257,则 r=95.5mm。 3. 的选择: arctanH/(R-r)=arctan4.3/(120-95.5)9.95，满足 915的范围。 4.分离指数目 n 的选取 取: n=18。 5.膜片弹簧小端内半径 及分离轴承作用半径的确定 0 r f r 由离合器的结构决定，其最小值应大于变速器第一轴花键的外径。 0 r 由机械设计d=Kd公式，可求得 d=28.89mm,则取29mm,再取分离轴承32mm. 3 maxTe 0 r f r 6.切槽宽度 1、2 及半径 e r 取: 13.2mm, 2=10mm, 满足 r-=2,则=r-2=95.5-10=85.5mm e r e r e r . . 故取: 85mm. e r 7.压盘加载点半径 R1 和支承环加载点半径 r1 的确定 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）知，R1 和 r1 需满足下列条件： 711RR 610rr 故选择 R1103mm， r184mm. 3.2 膜片弹簧的弹性特性曲线膜片弹簧的弹性特性曲线 假设膜片弹簧在承载过程中，其子午线刚性地绕上地某中性点转动。 设通过支承环和压盘加载膜片弹簧上地载荷 P1(N)集中在支承点处，加载点间的相对轴向变形为 x1(mm),则膜片弹簧的弹性特性如下式表示： 2 22 ) 112 1 )( 11 1( ) 11( )/ln( )1 (6 1 ) 1(1h rR rRx H rR rR xH rR rR b Ehx xfP 式中：E弹性模量，钢材料取 E=2.0Mpa； 5 10 b泊松比，钢材料取 b=0.3； R自由状态下碟簧部分大端半径，mm； r自由状态下碟簧部分小端半径，mm； R1压盘加载点半径，mm； r1支承环加载点半径，mm； H自由状态下碟簧部分内截锥高度，mm； h膜片弹簧钢板厚度，mm。 利用 Matlab 软件进行 P1x1 特性曲线的绘制，程序和图形如下： 程序如下： x1=0:0.2:7;%x1 为膜片弹簧在压盘接触点处的轴向变形 E=2.0*105;%弹性模量（Mpa） b=0.3;%泊松比 R=105;%自由状态下碟簧部分大端半径(mm) r=83.5;%自由状态下碟簧部分小端半径(mm) . . H=4.3;%自由状态下碟簧部分内截锥高度（mm） h=2.6;%膜片弹簧钢板厚度（mm） R1=103;%压盘加载点半径（mm） r1=84;%支承环加载点半径（mm） P1=(pi*E*h*x1/(6*(1-b2)*log(R/r)/(R1-r1)2).*(H-x1*(R-r)/(R1-r1).*(H-(x1/2)*(R-r)/(R1- r1)+h2) 以下用于绘图 clf plot(x1,P1,-b); axis(0,7,0,8000);%设置坐标 hold on hold off,grid on xlabel(变形 x1/mm) ylabel(工作压力 P1/N) title(P1-x1 特性曲线) 图形如下： 图 3-2 P1x1 特性曲线 确定膜片弹簧的工作点位置: 可以利用 Matlab 软件寻找 P1x1 特性曲线中 M,N 的位置坐标，具体程序如下: x1=0:0.2:7;%x1 为膜片弹簧在压盘接触点处的轴向变形 . . E=2.0*105;%弹性模量（Mpa） b=0.3;%泊松比 R=105;%自由状态下碟簧部分大端半径(mm) r=83.5;%自由状态下碟簧部分小端半径(mm) H=4.3;%自由状态下碟簧部分内截锥高度（mm） h=2.6;%膜片弹簧钢板厚度（mm） R1=103;%压盘加载点半径（mm） r1=84;%支承环加载点半径（mm） P1=(pi*E*h*x1/(6*(1-b2)*log(R/r)/(R1-r1)2).*(H-x1*(R-r)/(R1-r1).*(H-(x1/2)*(R-r)/(R1- r1)+h2); 以下用于绘图 clf plot(x1,P1,-b); axis(0,7,0,8000);%设置坐标 hold on hold off,grid on xlabel(变形 x1/mm) ylabel(工作压力 P1/N) title(P1-x1 特性曲线) zoom out x,y=ginput(1) x =2.6694 y =5.2515e+003 x,y=ginput(1) x =4.9767 y =4.5195e+003 则可知： , M1 2.6694mm M P 15.2515003eN 11 4.9767,4.5195003 NN mm PeN . . 上述曲线的拐点 H 对应着膜片弹簧的压平位置，而且则： 2/ )( 111NMH H1 2.66944.9767 3.8230 2 mm 新离合器在接合状态时，膜片弹簧工作点 B 一般取在凸点 M 和拐点 M 之间，且靠近或在 H 点 处，一般 则取： HB11 )0 . 18 . 0( 11 0.90.9 3.823.44 BH mm 则此时校核后备系数： max 5252 0.25 93.75 2 1.26 195000 cc e PR Z T 满足要求 离合器彻底分离时，膜片弹簧大端的变形量为： （即为压盘的行程 fMN111 f1 )f 故： 11 4.97672.66942.3073 NM fmm 压盘刚开始分离时，压盘的行程： 11 3.82302.66941.1536 HM fmm 3.3 强度校核强度校核 膜片弹簧大端的最大变形量， 1 4.9767 N mm 由公式： 11 1 11 1 11 1 22 2 2 22 1 1 ln 1 3 rRr h rRrRrR H r R r rRE h P r rr NNN f B 得： 1626 B MPa . . 4 扭转减振器的设计扭转减振器的设计 4.1 扭转减振器主要参数：扭转减振器主要参数： 1.极限转矩 Tj 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）式（231）知， 极限转矩受限于减振弹簧的许用应力等因素，与发动机最大转矩有关，一般可取： Tj=(1.52.0) maxe T 对于商用车，系数取 1.5 则： Tj=2.01.5325.58488.37（Nm） maxe T 2.扭转刚度 k 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）式（235）可知， 由经验公式初选 k Tj 即：13 kTj13488.376348.81（Nm/rad）13 3.阻尼摩擦转矩 T 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）式（236）可知, 可按公式初选 T T（0.060.17） 取： maxe T T=0.1 =0.1325.58=32.558 (Nm) maxe T 4.预紧转矩 Tn 减振弹簧在安装时都有一定的预紧。 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）式（237）知， Tn 满足以下关系： Tn（0.050.15） 且： maxe T TnT32.558 Nm 而： （0.050.15）16.279-48.837 Nm maxe T 则初选 Tn30Nm . . 5.减振弹簧的位置半径 R0 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）式（238）知， R0 的尺寸应尽可能大些，一般取： R0=(0.600.75)d/2 则取： R0=0.65d/2=0.65175/2=56.873(mm),可取为 67mm. 6.减振弹簧个数 Zj 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版）表（26）知， 当摩擦片外径 D250mm 时： Zj=46 故取： Zj=6 7.减振弹簧总压力 F 当减振弹簧传递的转矩达到最大值 Tj 时，减振弹簧受到的压力 F为 FTj/R0 488.37/(57) 3 10 8.568(kN) 4.2 减振弹簧的计算：减振弹簧的计算： 图 4-2 盘总成的减振机构 1.减振弹簧： 减振弹簧的作用在于减小振动的振幅，阻尼的作用在于让振动迅速停止。 两者组合形成一阶阻尼系统，具有良好的减振效果在初步选定减振器的主要参数以后，即可根 据布置上的可能来确定和减振器设计相关的尺寸。 2.减振弹簧的分布半径 R1 . . 根据根据汽车离合器 （徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）知， R1 的尺寸应尽可能大些，一般取 R1=(0.600.75)d/2 式中，d 为离合器摩擦片内径 故：R1=0.65d/2=0.65175/2=56(mm)，即为减振器基本参数中的 R0 3.单个减振器的工作压力 P P= F/Z=8586/6=1428(N) 4.减振弹簧尺寸 1）弹簧中径 Dc 根据根据汽车离合器 （徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）知，其一般由布置结构 来决定，通常 Dc=1115mm 故取： Dc=12mm 2）弹簧钢丝直径 d d=3 8 PDc 式中，扭转许用应力可取 550600Mpa,故取为 550Mpa 所以： d=4.29mm 3 6 3 10550 101214288 3）减振弹簧刚度 k 根据汽车离合器 （徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）式 4.7.13 知，应根据已选定 的减振器扭转刚度值 k及其布置尺寸 R1 确定，即： k=)/( 1000R k 2 1 mmN n 则： K=)/(337 . 0 6)1056(1000 6344 23 mmN 4）减振弹簧有效圈数i 根据汽车离合器 （徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）知， . . 4.6 333 4364 3 4 10337 . 0 )1012(8 )1029 . 4 (10103 . 8 8kD Gd i c 5）减振弹簧总圈数 n 其一般在 6 圈左右，与有效圈数 之间的关系为：i n= +(1.52)=6i 减振弹簧最小高度： =28.31mmdndnl1 . 1)( min 弹簧总变形量： mm 237 . 4 337 1428 K P l 减振弹簧总变形量： 0 l =28.31+4.237=32.58mm 0 lll min 减振弹簧预变形量： = 1 kZR T l n 283 . 0 10566337 32 3 减振弹簧安装工作高度 ：l =32.58-0.283=32.297mm 0 lll 6）从动片相对从动盘毂的最大转角 最大转角和减振弹簧的工作变形量有关，其值为：)( llll =4.05)2/arcsin(2 1 Rl 7）限位销与从动盘毂缺口侧边的间隙 1 sin 21 R 式中，为限位销的安装尺寸。 2 R 值一般为：2.54mm。 1 所以可取为 4mm, 为 57mm. 1 2 R 8）限位销直径 d . . 按结构布置选定：一般9.512mm。可取为 11mm d d d 5 从动盘总成的设计从动盘总成的设计 5.1 盘总成零件功能介绍：盘总成零件功能介绍： 表 5-1 零件与材料 . . 图 5-2 盘总成的典型结构 5.2 从动盘毂从动盘毂: 根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出版） ，从动盘毂轴向长度不宜过小，以免再 花键轴上滑动时产生偏斜而使分离不彻底，一般取 1.01.4 倍的花键轴直径。故取从动盘毂轴向长 度取为 1.2d=1.224=34.8mm。从动盘毂的材料选取 45 锻钢，并经调质处理，表面和心部硬度一般 2632HRC。根据摩擦片的外径 D 的尺寸以及根据汽车设计 （王望予编著，机械工业出版社出 版）表 27 查出从动盘毂花键的尺寸。 由于 D=300mm,则查表可得: 花键尺寸：齿数 n=10， 外径=32mm, 内径26mm 齿厚 t=4mm, D d 有效齿长 l=30mm, 积压应力=11.3Mpa c 5.3 从动片从动片 从动片要求质量轻，具有轴向弹性，硬度和平面度要求高。 材料选用中碳钢板（50 号） ，厚度为取为 2mm,表面硬度为 3540HRC 5.4 波形片和减振弹簧波形片和减振弹簧 波形片一般采用 65Mn,厚度取为 0.8mm