膜片式离合器的设计

膜片式离合器的设计摘要离合器装在发动机与变速器之间，汽车从启动到行驶的整个过程中，经常需要使用离合器。它的作用是使发动机与变速器之间能逐渐接合，从而保证汽车平稳起步；暂时切断发动机与变速器之间的联系，以便于换档和减少换档时的冲击；当汽车紧急制动时能起分离作用，防止变速器等传动系统过载，起到一定的保护作用。离合器类似开关，接合或断离动力传递作用，因此，任何形式的汽车都有离合装置，只是形式不同而已。现在，电子技术也进入了离合器系统。一种由控制单元（ECU）控制的离合器已经应用在多款的轿跑车上。关键词从动盘总成传动系膜片弹簧非线性弹性特性DIAPHRAGMTYPECOUPLINGSDESIGNABSTRACTTHECOUPLINGINSTALLSBETWEENTHEENGINEANDTHETRANSMISSIONGEARBOX,THEAUTOMOBILEFROMTHESTARTTOTHETRAVELENTIREPROCESS,NEEDSTOUSETHECOUPLINGFREQUENTLYITSFUNCTIONISCAUSESBETWEENTHEENGINEANDTHETRANSMISSIONGEARBOXCANJOINGRADUALLY,THUSGUARANTEEDTHATTHEAUTOMOBILESTARTSSTEADILYSHUTSOFFBETWEENTHEENGINEANDTRANSMISSIONGEARBOXSRELATIONTEMPORARILY,ISADVANTAGEOUSSHIFTSGEARSANDREDUCESSHIFTSGEARSTHETIMEIMPACTWHENAUTOMOBILEEMERGENCYBRAKECANPLAYTHESEPARATIONROLE,PREVENTSTRANSMISSIONSYSTEMSANDSOONTRANSMISSIONGEARBOXTOOVERLOAD,PLAYSCERTAINPROTECTIVEFUNCTIONTHECOUPLINGSIMILARSWITCH,THEJOINTORBREAKSTOTHEPOWERTRANSMISSIONFUNCTION,THEREFORE,ANYFORMSAUTOMOBILEHASTHEENGAGINGANDDISENGAGINGGEAR,ISONLYTHEFORMISDIFFERENTNOW,THEELECTRONICTECHNOLOGYALSOENTEREDTHECOUPLINGSYSTEMONEKINDTHECOUPLINGWHICHECUCONTROLLEDBYTHECONTROLUNITALREADYAPPLIEDONMANYPATTERNSSEDANRACECARKEYWORDSDRIVENDISCUNIT,POWERTRANSMISSION,DISKSPRING,MISALIGNMENTELASTICPROPERTY目录一、离合器简介311离合器的功用312离合器设计要求413离合器的分类4二、离合器的工作原理及过程521离合器的工作原理522离合器的工作过程6三、离合器的结构形式1231摩擦离合器的类型分类1232膜片弹簧离合器的构造和工作理1333周布弹簧离合器1334中央弹簧离合器18四、离合器结构的选择2041从动盘盘的选择2042压紧弹簧和布置形式的选择2143从动盘总成2344离合器盖总成24五、膜片弹簧离合器基本参数和主要尺寸的选择2551摩擦尺寸的选择2553碟形弹簧的计算3154膜片弹簧的具体计算3255花键的强度校核3456铆钉的强度校核35六、结论37七、致谢38八、参考文献39一离合器简介11离合器的功用汽车传动系的基本功用是将发动机发出的动力传给驱动轮。离合器是汽车传动系中直接与发动机相联系的部件。在汽车起步前，先要起动发动机，这时应使变速器处于空挡位置，将发动机与驱动轮之间联系断开，以卸除发动机负荷。待发动机已起动并开始正常的转速运转后，方可将变速器挂上一定档位，使汽车起步。汽车起步时，汽车是从完全静止的状态逐步加速的。如果传动系（它联系着整个汽车）与发动机刚性地联系，则变速器一挂上档，汽车将突然向前冲动一下，但并未能起步。这是因为汽车从静止到前冲时，产生很大惯性力。对发动机造成很大的阻力矩。在这惯性阻力矩作用下，发动机在瞬时间转速急剧下降到最低转速（一般为300500R/MIN）以下，发动机即熄火而不能工作，当然汽车也不能起步。离合器的首要功用是保证汽车平稳起步。在传动系中装设了离合器后，在发动机起动后，汽车起步之前，驾驶员先踩下离合器踏板，将离合器逐渐接合，在离合器逐渐接合过程中，发动机所受阻力矩也逐渐增加，故应同时逐渐踩下加速踏板，即逐步增加对发动机的燃料供给量，使发动机的转速始终保持在最低稳定转速以上，不致熄火。由于离合器的接合紧密程度增大，发动机经传动系传给驱动车轮的转矩便逐渐增加。到牵引力足以克服起步阻力时，汽车即从静止开始运动并逐步加速。离合器的另一项功用是保证传动系换档时工作平稳。在汽车行使过程中，为了适应不断变化的行使条件，传动系经常要换用不同档位工作。实现齿轮式变速器的换档，一般是拨动齿轮或其它挂档机构，使原用档位的某一齿轮副退出传动，再使另一档位的齿轮副进入工作。在换档前也必须踩下离合器踏板，中断动力传递，便于使原用档位的齿轮副脱开，同时有可能使新档位齿轮副的啮合部位的速度逐渐相等（同步），这样，进入啮合时的冲击可以大为减轻。离合器的第三功用是防止传动系过载。当汽车进行紧急制动时，若没有离合器，则发动机将因和传动系刚性相连而急剧降低转速，因此其中传动件会产生很大的惯性力矩（数值可能大大超过发动机正常工作时所发出大最大转矩），对传动系造成超过其承载能力的载荷,而是其机件损坏。有了离合器，便可依靠离合器主动部分和从动部分之间可能产生的相对运动以消除这一危险。欲使离合器起到以上几个作用，离合器应该是这样一个传动机构，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要有可能相对转动。所以，离合器的主动件与从动件之间不可采用刚性联系，而是借二者接触面之间的摩擦作用来传递转矩（摩擦离合器），或是利用液体作为传动的介质（液力耦合器），或是利用磁力传动（电磁离合器）。在摩擦离合器中，为产生摩擦所需的压紧力，可以是弹簧力、液压作用或电磁吸力。12离合器设计要求离合器的具体结构，首先，应在保证发动机最大转矩的前提下，满足两个基本性能要求1分离彻底；2接合柔和。1）离、合迅速，平稳无冲击，分离彻底，动作准确可靠。2）结构简单，重量轻，惯性小，外形尺寸小，工作安全，效率高。3）接合元件耐磨性高，使用寿命长，散热条件好。4）操纵方便省力，制造容易，调整维修方便其次，离合器从动部分的转动惯量要尽可能小。离合器的功用之一是当变速器换档时，中断动力传递，以减轻齿轮冲击。如果与变速器主动轴相连的离合器从动部分的转动惯量大，当换档时，虽然由于分离了离合器，使发动机与变速器之间联系脱开，但离合器从动部分较大的惯性力矩仍然输入给变速器，其效果相当于分离不彻底，就不能很好的起到减轻齿轮间冲击的作用。此外，还要求离合器散热良好。因为在汽车行驶过程中，驾驶员操纵离合器的次数是很多的，这就使离合器中由于摩擦面间频繁地相对滑磨而产生大量的热。离合器接合愈柔和，产生热量愈大。这些热量如不及时地散发，对离合器的工作将产生严重影响。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。若欲增大离合器所能传递的最大转矩，可选用摩擦系数较大的摩擦材料，或适当加强压紧弹簧的压紧力，或加大摩擦面的尺寸。13离合器的分类摩擦离合器根据从动盘的数目可分为单盘离合器、双盘离合器和多盘离合器。采用若干个螺旋弹簧作压紧弹簧，并沿摩擦盘圆周分布的离合器称为周布弹簧离合器。仅具有一个或两个较强力的螺旋弹簧，并安置在中央的离合器则称为中央弹簧离合器。还有一种采用膜片弹簧作为压紧弹簧的，称为膜片弹簧离合器。二离合器的工作原理及过程21离合器的工作原理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偶合器，或是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，又可逐渐接合，在传动过程中又允许两部分相互转动。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为摩擦离合器。发动机发出的转矩，通过飞轮及压盘与从动盘接触面的摩擦作用，传给从动盘。当驾驶员踩下离合器踏板时，通过机件的传递，使膜片弹簧大端带动压盘后移，此时从动部分与主动部分分离。图21所示为摩擦离合器中的两种压紧弹簧（膜片弹簧和螺旋弹簧）的弹性特性，在离合器盖总成中的螺旋弹簧处于压紧状态，其弹性特性的曲线如图中曲线1所示。膜片弹簧弹性特性曲线如图中曲线2所示。假如所设计的两种离合器的压紧力均相同，即压紧力均为,轴向压紧变形量为。当摩擦片磨BPA损量达到容许的极限值时，弹簧压缩变形量减小到。此时螺旋弹簧压紧力便降低到，两值相差较大，将使离合器中的压紧力不足而产生滑磨，APB而膜片弹簧压紧力则只降低到与相差无几的，使离合器仍能可靠得工作。BA当离合器分离时，如两种弹簧的进一步压缩均为，由图可知，膜片弹簧所需的作用力为不螺旋弹簧所需的作用力减小约20。可见，膜片弹簧离合CCP器操纵轻便。图21离合器两种压紧弹簧的弹性曲线显然在离合器中采用膜片弹簧作压紧弹簧有很多优点。首先，膜片弹簧具有压紧弹簧和分离杠杆的作用，使得离合器的结构大为简化，质量减小，并显著得缩短了离合器的轴向尺寸。其次，由于膜片弹簧与压盘以整个圆周接触，使压力分布均匀，摩擦片的接触良好，磨损均匀。另外，由于膜片弹簧具有上述的非线性弹性特性，故能在从动盘摩擦片磨损后，仍能可靠得传递发动机的转矩，而不产生滑磨。离合器分离时，使离合器踏板操纵轻便，减轻驾驶员的劳动强度。此外，因膜片弹簧是一种旋转对称零件，平衡性好，在高速下，其压紧力降低很少。而螺旋弹簧在高速时，因受离心力作用会产生横向饶曲，弹簧严重鼓出，从而降低了对压盘的压紧力。22离合器的工作过程221离合器的接合过程离合器接合时，发动机发出的转矩经飞轮和压盘传给了动盘两侧的摩擦片，带动从动盘本体和与从动盘本体铆接在一起的减振器盘转动。动盘本体和减振器盘又通过六个减振器弹簧把转矩传给了从动盘毂。因为有弹性环节的作用，所以传动系受的转动冲击可以在此得到缓和。传动系中的扭转振动会使从动盘毂相对于动盘本体和减振器盘来回转动，夹在它们之间的阻尼片靠摩擦消耗扭转振动的能量，将扭转振动衰减下来。当离合器接合时，主、从摩擦元件总是经历转速不等到转速一致的摩擦过程。在交通繁忙的城市使用条件下，离合器频繁的接合和滑磨，使摩擦片很容易磨损，滑磨产生的热量使压盘和飞轮等零件的温度升高。若摩擦表面温度过高，将加剧摩擦片磨损，降低离合器使用寿命。离合器在起步过程中的滑磨比换档时严重得多，而离合器滑磨的严重程度常用滑磨功来衡量，以下讨论起步时离合器的接合过程和滑磨功。图22离合器的接合过程的力学模型图22为讨论汽车起步时离合器接合过程的力学模型为发动机旋转部EJ分和离合器主动部分的总转动惯量为简化到离合器从动轴上的当量转动惯NJ量在计算时，为简便起见，忽略从离合器从动盘到驱动轮全部旋转零件的NJ转动惯量的影响，仅把看成汽车平移质量，即汽车总质量换算到离合器从NJAM动轴上的转动惯量根据动能相等的原理，有22NAJWMV而0NGRI式中离合器从动轴角速度；NW车速；V汽车总质量；AM车轮滚动半径；R、分别为变速器和主减速器传动比；GI0由此得20ARNGMJI由于离合器从动轴上的阻力矩和上坡阻力矩引起，可表示为式中重力加速度；G0ARGMTFII滚动阻力系数；F坡度阻力系数I图23汽车起步时离合器的接合过程离合器的接合过程如图3所示，可分为两个阶段第一阶段从离合器摩擦面开始接触到等于汽车行驶阻力转矩，时间从至；第二阶段从CTT1T到，即离合器从动角速度从至发动机角速度相等1T2NWEW第一阶段的滑磨功为10CELTDT第二阶段的滑磨功为2211NCENENDWWTTJDTT20NAENLTD滑磨功的大小取决于和的数值以及驾驶员的操纵状况当驾驶员操纵NJ状况一定时大，时间就长，如图所示，就大；大，DW/DT小，1T1LNJ增长就慢，从而滑磨时间（）长，大联立式和，汽车NW1T22总质量愈大，变速器档位愈高，和愈大，滑磨功愈大当驾驶员放松AMNJT离合器踏板较快，接合较猛时，增加较猛，滑磨时间较短，滑磨功较小当C操作油门使得发动机转速较高时，滑磨功就较大当在平坦的沥青路或混凝土路上起步时，阻力矩很小，可以忽略不计，T于是和中的第一项可视为零，则总滑磨功1L20NAWENLJD假定在此滑磨过程中不变，于是得到E22018NANCAREGJMI式中发动机转速，为R/MINEE此式表明，离合器在上述假定条件下的滑磨功等于汽车在起步过程中获得的动能也就是说，在起步过程中发动机输出的机械能，一半用来使汽车加速饿而变为动能，一半消耗于离合器的滑磨，变为热能损失掉了离合器应能经受滑磨，同时由滑磨功转换的热量不应使离合器零件温度升高过大由于压盘质量较飞轮为小，受热引起的温升较大根据滑磨功可算出压盘的升高温度LTMC式中温升，T为CT压盘的比热容，铸铁比热容为4814/CC压盘的质量,M为传到压盘的热量所占的比例对于单盘离合器,05对于双盘离合器压盘,025中间压盘,05滑磨功,为NML212离合器的工作过程图24摩擦；离合器的工作原理1飞轮，2从动盘，3踏板，4压紧弹簧，5从动轴，6从动盘毂如图24所示为摩擦离合器的工作原理和构造示意图发动机飞轮1是离合器的主动件。带有摩擦片的从动盘2和从动盘毂6借滑动花键与从动轴5即变速器的主动轴）相连。压紧弹簧4将从动盘压紧在飞轮端面上。发动机转矩即靠飞轮与从动盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘上，再由此经过从动轴和传动系统中一系列部件传给驱动车轮。弹簧4的压紧力愈大，则离合器所能传递的转矩也愈大。由于汽车在行驶过程中，需经常保持动力传递，而中断传动只是暂时的需要，故汽车离合器的主动部分和从动部分应经常处于接合状态。摩擦副采用弹簧压紧装置即是为了适应这一要求。欲使离合器分离时，只要踩下离合器操纵机构中的踏板3，套在从动盘毂6的环槽中的拨叉便推动从动盘克服压紧弹簧的压力向右移动，而与飞轮分离，摩擦力消失，从而中断了动力传递。当需要重新恢复动力传递时，为使汽车速度和发动机转速变化比较平稳，应该适当控制离合器踏板回升的速度，使从动盘在压紧弹簧4压力作用下，向左移动与飞轮恢复接触。二者接触面间的压力逐渐增加，相应的摩擦力矩也逐渐增加。当飞轮和从动盘接合还不紧密，二者之间摩擦力矩比较小时，二者可以不同步旋转，即离合器处于打滑状态。随着飞轮和从动盘接合紧密程度的逐步增大，二者转速也渐趋相等。直到离合器完全接合而停止打滑时，汽车速度方能与发动机转速成正比。摩擦离合器所能传递的最大转矩取决于摩擦面间的最大静摩擦力矩，而后者又由于摩擦面最大压紧力和摩擦面尺寸及性质决定。故对于一定结构的离合器来说，静摩擦力矩是一个定值。输人转矩达到此值，则离合器将打滑，因而限制了传动系统所受转矩，防止超载。三离合器的结构形选择由离合器的工作原理可以看出，摩擦离合器基本上由主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。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。而离合器的操纵机构主要是使离合器分离的装置。为了保证离合器具有良好的工作性能，对汽车离合器设计提出如下基本要求1）在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩，并具有适当的转矩储备。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，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换档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）作用在从东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。汽车离合器大多是盘形摩擦离合器，按其从动盘数目可分为单片、双片和多片三类；根据压紧弹簧布置形式不同，可分为圆周布置、中央布置和斜向布置等形式；根据使用的压紧弹簧不同，可分为圆柱螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧和膜片弹簧离合器；根据分离时所受到作用力的方向不同，可分为拉式和推式两种形式。31摩擦离合器的类型分类摩擦离合器，随着所用摩擦面的数目（从动盘的数目）、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。1摩擦离合器按从动盘的数目分单盘离合器和双盘离合器。单盘离合器具有一个从动盘，其前后两面都装有摩擦衬片，因而它有两个摩擦表面。对于轿车和轻型货车而言，因发动机最大转矩数值一般不太大，可足以满足传递最大转矩的要求。双盘离合器对中、重型汽车而言，要求离合器所传递的最大转矩更大。这样，势必要采取一些措施来提高所传递最大转矩的能力。若欲增大离合器所能传递的最大转短，可选用摩擦系数较大的摩擦衬片材料，或适当加强压紧弹簧的压紧力，或加大摩擦面的尺寸。但是，采用这几种结构措施，可能仍满足不了要求。因为摩擦系数的提高受到摩擦衬片材料的限制；磨擦面尺寸的增加又为发动机飞轮