东风300拖拉机独立操纵式双作用离合器的设计【含CAD图纸、开题和文档说明书】
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本科毕业设计（论文）题目：东风300拖拉机独立操纵式双作用离合器设计 东风300拖拉机独立操纵式双作用离合器设计摘要离合器是直接连接发动机和传动系统中的总成之一。他主要包含主动部分，从动部分，压紧机构和操纵机构等四部分。拖拉机离合器是拖拉机传动系中的重要部件，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。主要功用是是切断和实现发动机对传动系的动力传递，保证拖拉机平稳起步，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。独立操纵式双作用离合器是近年来在拖拉机和微型货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。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。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）和独立操纵式双作用设计等。本文主要是对某微型货车离合器总成设计，确定了以推式独立操纵式双作用离合器作为设计目标。根据拖拉机总体设计及推式独立操纵式双作用离合器工作原理和使用要求，采用系统化设计方法。关键词：离合器；传动系统；摩擦片；制造材料IDongfeng 300 tractor independent control double-acting clutch designAbstractThe clutch is directly connected to the engine and transmission system in one of the assembly. He mainly includes part of the initiative, the driven part, a pressing mechanism and a control mechanism and other four parts. Automotive clutch is the important components in automobile transmission system, is located in the engine and gearbox between the flywheel shell, clutch assembly with screws fixed on the flywheel after the plane, clutch gearbox output shaft is the input shaft.Main function is to achieve is cut off and the engine to the power transmission, guaranteed that the automobile starts smoothly, ensure drive system when the shift work smoothly and limit the transmission system to withstand the maximum torque, prevent the transmission system overload. Diaphragm spring clutch is in recent years in the cars and minivans are widely adopted by a clutch, the torque capacity of large and relatively stable, convenient operation, good balance, can be mass production, and the research on it has become more and more important.For each part of design principle explanation and comparison of advantage and disadvantage, determine the relevant part of the basic structure and its parts and components manufacturing materials. And the design of the main assembly : the separation device design, set design and follower ( hub-driven design ) and a diaphragm spring design.Key Words : Clutch;Transmission systems;The friction plate;materials for machine buildingII主要符号表D2 摩擦压盘外径D1 摩擦压盘内径 离合器储备系数 MLmax 最大摩擦转矩i 摩擦面对数MeN 发动机标定转矩P 发动机功率 摩擦系数n 发动机转速KD 直径系数Q0 压紧力RP 摩擦合力作用半径S 每个环状摩擦面的面积q 许用单位面积压力W 滑磨功eN 发动机角速度J 转动惯量Je 换算到主动盘上的发动机转动惯量i 传动系总传动比 热量传给验算零件的百分比C 比热容Wn 抗扭转断面系数K 危断面处的应力集中系数D 弹簧圈中径d 弹簧钢丝直径 切应力F 单个弹簧的变形量III目 录1 绪论1 1.1 离合器发展史1 1.2 离合器的概述2 1.3 拖拉机离合器的基本功用和工作原理2 1.4 独立操纵式双作用离合器概述3 1.5 东风300拖拉机离合器概述5 1.5.1 结构简介5 1.5.2 结构功能分析52 拖拉机的分类及基本组成8 2.1 拖拉机分类8 2.2 拖拉机的基本组成8 2.2.1 轮式拖拉机传动系统的组成9 2.2.2 履带式拖拉机传动系统的特点93 离合器主要参数设计10 3.1 离合器主要参数的计算10 3.2 离合器的储备系数10 3.3 摩擦压盘外径D2和内径D111 3.4 压紧力（N）的确定12 3.5 离合器磨损验算13 3.6 滑磨功的验算13 3.7 离合器发热验算15 3.8 离合器实际压紧力的影响因素154 离合器主要零件的结构与设计17 4.1 离合器轴的计算17 4.2 蝶形弹簧的计算18 4.3 离合器其它主要部件的结构设计18 4.3.1 从动盘毂的设计19 4.3.2 从动片的设计19 4.3.3 离合器盖结构设计19 4.3.4 压盘的设计19 4.3.5 压盘的结构设计与选择20 4.3.6 离合器设计的注意事项225 总结24参考文献25IV致 谢26V1 绪论1.1 离合器发展史中国拖拉机工业的起点以东方拖拉机的诞生为标志的。1958年，新中国第一台东方大功率履带拖拉机诞生，90年代，我国第一个国产大功率轮式拖拉机专业生产基地在一拖建成。1994年，国家拖拉机研究所整体并入企业，中国一拖率先在拖拉机行业建立起国家级技术中心，研发实力大大增强。仅“八五”、“九五”、“十五”期间，中国一拖先后承担起了橡胶履带拖拉机、东方LF80-90、大功率拖拉机等多项国家重点技术创新和重点新产品项目的研发，不断向产业高端和高技术发展。在拖拉机工业发展当中，拖拉机离合器是关键的部件之一，其工作的可靠性极大的制约着农业生产的效率。近年来各国政府都从资金、技术方面大力发展拖拉机工业，使其发展速度明显比其它工业要快的多，因此拖拉机工业迅速成为一个国家工业发展水平的标志。对于内燃机拖拉机来说，离合器在机械传动系中作为一个独立的总成而存在，它是拖拉机传动系中直接与发动机相连接总成。目前，各种拖拉机广泛采用的摩擦式离合器主要依靠主、从动部分之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。在早期研发的离合器中，锥形离合器最为成功。现今所用的盘片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。20世纪20年代末，直到进入30年代时，只有工程车辆、赛车和大功率的拖拉机上才采用多片离合器。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离合器1。近来，人们对离合器的要求越来越高，传统的推式独立操纵式双作用离合器结构正逐步地向拉式独立操纵式双作用离合器结构发展，传统的操纵形式的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和延长其使用寿命，适应发动机的高转速，增加离合器传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。随着拖拉机发动机转速、功率不断提高和拖拉机电子技术的高速发展，人们对离合器的要求越来越高。从提高离合器工作性能的角度出发，传统的推式独立操纵式双作用离合器结构正逐步地向拉式独立操纵式双作用离合器结构发展，传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和延长其使用寿命，适应发动机的高转速，增加离合器传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。随着计算机的发展，设计工作已从手工转向电脑，包括计算、性能演示、计算机绘图、制成后的故障统计等等。1.2 离合器的概述按动力传递顺序来说，离合器应是传动系中的第一个总成。顾名思义，离合器是“离”与“合”矛盾的统一体。离合器的工作，就是受驾驶员操纵，或者分离，或者接合，以完成其本身的任务。离合器是设置在发动机与变速器之间的动力传递机构，其功用是能够在必要时中断动力的传递，保证拖拉机平稳地起步；保证传动系换档时工作平稳；限制传动系所能承受的最大扭矩，防止传动系过载。为使离合器起到以上几个作用，目前拖拉机上广泛采用弹簧压紧的摩擦式离合器，摩擦离合器所能传递的最大扭矩取决于摩擦面间的工作压紧力和摩擦片的尺寸以及摩擦面的表面状况等2。即主要取决于离合器基本参数和主要尺寸。独立操纵式双作用离合器在技术上比较先进，经济性合理，同时其性能良好，使用可靠性高寿命长，结构简单、紧凑，操作轻便，在保证可靠地传递发动机最大扭矩的前提下，有以下优点：（1）结合时平顺、柔和，使拖拉机起步时不震动、冲击；（2）离合器分离彻底；（3）从动部分惯量小，以减轻换档时齿轮副的冲击；（4）散热性能好；（5）高速回转时只有可靠强度；（6）避免拖拉机传动系共振，具有吸收震动、冲击和减小噪声能力；（7）操纵轻便；（8）工作性能（最大摩擦力矩和后备系数保持稳定）；（9）使用寿命长。1.3 拖拉机离合器的基本功用和工作原理离合器可使发动机与传动系逐渐接合，保证拖拉机平稳起步。如前所述，现代车用活塞式发动机不能带负荷启动，它必须先在空负荷下启动，然后再逐渐加载。发动机启动后，得以稳定运转的最低转速约为300500r/min，而拖拉机则只能由静止开始起步，一个运转着的发动机，要带一个静止的传动系，是不能突然刚性接合的。因为如果是突然的刚性连接，就必然造成不是拖拉机猛烈攒动，就是发动机熄火。所以离合器可使发动机与传动系逐渐地柔和地接合在一起，使发动机加给传动系的扭矩逐渐变大，至足以克服行驶阻力时，拖拉机便由静止开始缓慢地平稳起步了。虽然利用变速器的空档，也可以实现发动机与传动系的分离。但变速器在空档位置时，变速器内的主动齿轮和发动机还是连接的，要转动发动机，就必须和变速器内的主动齿轮一起拖转，而变速器内的齿轮浸在黏度较大的齿轮油中，拖转它的阻力是很大的。尤其在寒冷季节，如没有离合器来分离发动机和传动系，发动机起动是很困难的。所以离合器的第二个功用，就是暂时分开发动机和传动系的联系，以便于发动机起动。拖拉机行驶中变速器要经常变换档位，即变速器内的齿轮副要经常脱开啮合和进入啮合。如在脱档时，由于原来啮合的齿面压力的存在，可能使脱档困难，但如用离合器暂时分离传动系，即能便利脱档。同时在挂档时，依靠驾驶员掌握，使待啮合的齿轮副圆周速度达到同步是较为困难的，待啮合齿轮副圆周速度的差异将会造成挂档冲击甚至挂不上档，此时又需要离合器暂时分开传动系，以便使与离合器主动齿轮联结的质量减小，这样即可以减少挂挡冲击以便利换档3。离合器所能传递的最大扭矩是有一定限制的，在拖拉机紧急制动时，传动系受到很大的惯性负荷，此时由于离合器自动打滑，可避免传动系零件超载损坏，起保护作用。摩擦离合器一般是有主动部分、从动部分组成、压紧机构和操纵机构四部分组成。离合器在接合状态时，发动机扭矩自曲轴传出，通过飞轮和压盘借摩擦作用传给从动盘，在通过从动轴传给变速器。当驾驶员踩下踏板时，通过拉杆，分离叉、分离套筒和分离轴承，将分离杠杆的内端推向右方，由于分离杠杆的中间是以离合器盖上的支柱为支点，而外端与压盘连接，所以能克服压紧弹簧的力量拉动压盘向左，这样，从动盘两面的压力消失，因而摩擦力消失，发动机的扭矩就不再传入变速器，离合器处于分离状态。当放开踏板，回位弹簧克服各拉杆接头和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。此时压紧弹簧就推动压盘向右，仍将从动盘压紧在飞轮上，这样发动机的扭矩又传入变速器4。1.4 独立操纵式双作用离合器概述独立操纵式双作用离合器是近年来在拖拉机和轻型载货汽车上广泛采用的一种离合器。因其作为压盘，独立的分离杠杆的作用，使离合器的结构大为简化，质量减少，并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。其次，由于独立操纵式双作用与压盘以整个圆周接触，使压力分布均匀。另外由于独立操纵式双作用具有非线性弹性特性，故能在从动盘摩擦片磨损后，摩擦片仍能可靠的传递发动机的转矩，而不致产生滑离。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，因膜片是一种对称零件，平衡性好，在高速下，其压紧力降低很少，而周布置弹离合器在高速时，因受离心力作用会产生横向挠曲，弹簧严重鼓出，从而降低了对压盘的压紧力，从而引起离合器传递转矩能力下降5。那么可以看出，对于轻型车独立操纵式双作用离合器的设计研究对于改善拖拉机离合器各方面的性能具有十分重要的意义。作为独立操作的离合器操作手柄和离合器脚踏的所谓独立操纵式双作用，是由两个独立的离合器控制系统组成的的。离合器的从动盘具有“盘”形状的截盘形薄壁膜片，且自其小端在盘面上开有许多径向切槽，以形成弹性杠杆，而其余未切槽的大端截锥部分则起弹簧作用。独立操纵式双作用的两侧有支承圈，而后者借助于固定在离合器盖上的一些（为径向切槽数目的一半）铆钉来安装定位。当离合器盖用螺栓固定到飞轮上时，由于离合器盖靠向飞轮，后支承圈则压独立操纵式双作用使其产生弹性变形，锥顶角变大，甚至独立操纵式双作用几乎变平。同时在独立操纵式双作用的大端对压盘产生压紧力使离合器处于结合状态。当离合器分离时，分离轴承前移独立操纵式双作用压前支承圈并以其作为支点发生反锥形的转变，使独立操纵式双作用大端后移，并通过分离钩拉动压盘后移使离合器分离。独立操纵式双作用离合器具有很多优点：首先，由于独立操纵式双作用具有非线性特性，因此设计摩擦片磨损后，弹簧压力几乎不变，且可以减轻分离离合器时的踏板力，使操纵轻便；其次，独立操纵式双作用的安装位置对离合器轴的中心线是对称的，因此其压紧力实际上不受离心力的影响，性能稳定，平衡性也好；再者，独立操纵式双作用本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使离合器结构大为简化，零件数目减少，质量减小并显著缩短了轴向尺寸；另外，由于独立操纵式双作用与压盘是以整个圆周接触，使压力分布均匀，摩擦片的接触良好，摩擦均匀，也易于实现良好的通风散热等。由于独立操纵式双作用离合器具有上述一系列优点，并且制造独立操纵式双作用离合器的工艺水平在不断提高，因此这种离合器在拖拉机及微型、轻型客车上得到广泛运用，而且正大力扩展到载货拖拉机和重型拖拉机上，国外已经设计出了传递转矩为80-2000Nm、最大摩擦片外径达420的独立操纵式双作用离合器系列，广泛用于拖拉机、客车、轻型和中型货车上。上世纪80年代，保时捷公司重新设计发明了专用于赛车的双离合变速器，如图1.1所示，消除了换挡时的动力传递停滞现象，但也未能将DCT技术投入批量生产。某些总质量达28-32t的重型拖拉机也有采用独立操纵式双作用离合器的，但独立操纵式双作用的制造成本比圆柱螺旋弹簧要高6。独立操纵式双作用离合器的操纵曾经都采用压式机构，即离合器分离时独立操纵式双作用弹性杠压杆内端的分离指处是承受压力。当前独立操纵式双作用离合器的操纵机构已经为拉式操纵机构所取代。后者的独立操纵式双作用为反装，并将支承圈移到独立操纵式双作用的大端附近，使结构简化，零件减少、装拆方便。独立操纵式双作用的应力分布也得到改善，最大应力下降，支承圈磨损后仍保持与膜片的接触使离合器踏板的自由行程不受影响。而在压式结构中支承圈的磨损会形成间隙而增大踏板的自由行程。图1.1 1985年保时捷应用于赛车上的双离合器自动变速器1.5 东风300拖拉机离合器概述1.5.1 结构简介参考菲亚特拖拉机离合器的成功经验，结合我国生产技术现状,我们在东风300拖拉机上采用了公用碟形弹簧独立操纵式双作用离合器,并就此展开设计。碟形弹簧中置，弹簧大端定位支承于主离合器从动压盘上，主、副离合器从动压盘直接夹紧碟形弹簧，并且互为基准，将碟形弹簧压力分别传递到主、副离合器从动盘总成上，实现传载功能。两套操纵机构分开布置。主离合器仍用脚踏操纵且脚踏板置于常规位置上，通过主离合器分离拨叉、分离轴承、主离合器分离杠杆，带动分离拉杆控制主离合器从动压盘的离合，副离合器使用手柄操纵且操纵手柄置于变速箱盖左侧,通过操纵杆系，带动分离推杆控制副离合器从动压盘的离合。联动双作用离合器共用一套操纵机构，在分离过程中，先分离主离合器，后分离副离合器，接合过程正好相反，这种型式的离合器结构很简单，操作方便，基本能满足田间作业的要求7。双作用离合器作为拖拉机独有的离合器形式，在拖拉机上有着广泛的应用。1.5.2 结构功能分析由于公用碟形弹簧独立操纵式双作用离合器同现在市场上的联动操纵式双作用离合器结构型式存在明显区别，因而其结构设计与控制技术，也存在明显差异其分为以下几类：（1）两套操纵机构，独立式动力输出轴控制用两套操纵机构分别控制主、副离合器工作状态，互不干涉，因而使得动力输出轴的功能转换操作不受主离合器工况影响；当拖拉机配套机组在田间作业需进行田头急转弯或作田间转移时，需要暂停动力输出而无需换档，此时只要操纵副离合器使其分离并锁定即可，因而，副离合器操纵系统设置有工作位置锁定机构；（2）常态下副离合器的操纵，通常主离合器处于接合工作状态，主离合器从动压盘在弹簧压力作用下，保持相对静止。此时，抬起副离合器操纵手柄拉到分离位置，通过分离杆系、带动分离推杆、推动副离合器从动压盘、压缩弹簧向前运动，实现副离合器的分离；放下操纵手柄，系统在弹簧作用下自动复位，恢复工作状态；（3）常态下主离合器的操纵，通常副离合器处于接合工作状态，副离合器从动压盘在弹簧作用下，保持相对静止。此时，踩下脚踏板至分离位置，通过分离杆系、带动分离拉杆、拉动主离合器从动压盘、压缩弹簧向后运动，实现主离合器的分离，松开脚踏板，系统在弹簧作用下自动复位，恢复工作状态；（4）副离合器分离状态下操作主离合器，当使用副离合器切断动力输出轴动力之后，副离合器操纵杆处于分离锁定位置，其从动压盘被推杆推离副离合器从动盘，在分离推杆、碟形弹簧和离合器盖导向槽三者的共同作用下浮动定位，此时，踩下离合器脚踏板，使主离合器分离，离合器弹簧在承受了副离合器分离压力之后，被主离合器从动压盘进一步压缩变形。若不计其它因素的影响，对此处弹簧的承载变形要求就和联动操纵式双作用离合器上主离合器弹簧的要求相当。值得注意的是在上述状态下，受零件加工精度、组装调试质量，使用维修水平等因素影响，产品可靠性水平较难保证，稍不注意，就容易出现离合器分离不彻底等质量问题；（5）抗磨损要求，在工作过程中，摩擦传载元件将逐步磨损减薄，由公用碟形弹簧结构决定，在确定状态下摩擦元件的磨损减薄量将全部由中间弹簧来补偿，其间隙变化及寿命周期内间隙补偿总量明显大于由两套单作用离合器直接组合的双作用离合器。因而，在结构设计上必须采取减摩或间隙补偿措施；（6）从动盘结构选择，带扭转减震器的离合器从动盘结构在国外已广泛使用，但对我国市场，其应用还不广泛。为减少从动盘摩擦片磨损减薄对离合器性能的影响，提高离合器工作稳定性和可靠性,菲亚特拖拉机上对主、副离合器从动盘使用了不同的摩擦元件，主离合器从动盘上使用金属陶瓷片，而副离合器从动盘上仍使用石棉摩擦片，其成功的经验值得我们借鉴。但在国内市场条件下，单独使用金属陶瓷摩擦片结构，开发生产成本、工艺质量水平、合作渠道等诸多方面都受到制约，而石棉摩擦片虽然易磨损，使用寿命短，但生产管理方便、更新方法简单、使用成本低廉，用户乐于接受，故仍选择石棉摩擦片的从动盘总成作为基本配套；（7）间隙补偿措施，由功能分析可知，当公用碟形弹簧独立操作式双作用离合器处于双作用状态时。副离合器从动盘是浮动定位，主、副离合器的分离质量较难控制，此时最容易出现的问题是离合器分离不彻底，而且由于使用过程中摩擦元件的磨损减薄，分离间隙随之减小，该问题会更加突出。为此，除提高制造和使用质量要求外，应设法提高最小分离间隙保证水平。此时，最简单的办法是放大分离间隙，提高对弹簧的变形量要求。但是，实践中碟形弹簧许用变形范围较窄，用于双作用离合器时，变形能力并不充裕，况且还要受到其它诸多因素的制约。因此,，在前述结构条件下，在离合器盖安装面上增加调整垫片，缩小碟形弹簧工作压力点变化范围，提高最小分离间隙保证水平，倒是一个两全其美的办法。由于公用碟形弹簧要同时承担两套摩擦元件磨损间隙的补偿任务，在现有结构条件下，要保证产品全周期使用，碟形弹簧的变形能力已不能满足需要，也以增加调整垫片给予补偿为宜，考虑到主、副离合器不同工况下的不同磨损水平，预选调整垫片的总厚度按单套从动盘摩擦副的许用磨损量确定。2 拖拉机的分类及基本组成2.1 拖拉机分类拖拉机可分为农业用和工业用两大类型。农业用拖拉机按照其用途、功率结构分类如下：（1）通用型拖拉机，主要适用于耕、耙、播、收等项农田作业，也可用于运输和固定作业，但不适于中耕和其他行间作业，如铁牛一650(654)型和东方红一802(1002)型拖拉机。（2）中耕型拖拉机具有较高的农田地隙、较窄的行走器，且轮距可调。它主要是通用型的变型，如高地隙小四轮拖拉机。（3）园艺型拖拉机主要用于果园和菜园的各项作业。特点是机身矮、体积小、功率小。驱动型和兼用型手扶拖拉机均属此类。（4）特殊型拖拉机适用于某些特殊的工作条件，如山地拖拉机、棉田中耕拖拉机和机耕船等。由于其需求量不多，往往是其他类型拖拉机的变型。（5）轮式拖拉机由于其性能的改进，已成为当代拖拉机的主流。一般为两轮驱动的四轮拖拉机(4x2)。四轮驱动的拖拉机(4、4)具有更好的牵引附着性能，其基本型为专门设计的，其变型多由两轮驱动型变型而成。前者功率较大，四轮尺寸相同，常为折腰转向。（6）履带式拖拉机其行走器接地面积较大，对耕地比压小，对土壤结构破坏较轻，防陷性、牵引附着性好，但因其金属消耗量大，制造成本高，而其在农业生产中的主要优点已被改进型(宽轮胎、辅加轮、半履带等)、造价低廉的轮式拖拉机所具备，所以在现代农业生产中它己处于劣势。（7）手扶拖拉机原本只有用于旋耕的园艺型(即驱动型)，后来才开发出带尾轮的牵引型和可旋耕又可牵引的兼用型。其功率较小，东风一12型手扶拖拉机即属兼用型。（8）船式拖拉机也称机耕船，是手扶拖拉机的变型，采用船体支承整机，用水田轮推动船体滑行，并利用尾轮导向。2.2 拖拉机的基本组成拖拉机主要组成部分包括：发动机、传动系统、转向系统、制动系统、行走系统、工作装置(包括液压悬挂装置、牵引装置和动力输出轴及皮带轮)和电器设备。这些部分中，除发动机和电器设备外，习惯地称之为底盘。发动机是动力源，拖拉机发动机均为柴油机，转向系统用以控制和改变拖拉机的行驶方向，制动系统的功用是使机车能迅速减速或停车，拖拉机常采用后轮可以分侧制动的结构，所以还有协助转向的作用，行走系统的功用是支承整机、保证行驶，把发动机传到驱动轮上的转矩变为驱动整机前进的推动力，工作装置的作用，是以直接牵引或悬挂牵引以及旋耕方式，向工作机械输出牵引力或驱动转矩。电器设备的功用，是实现机车的电照明、电信号、辅助设备、汽油机的电点火和发动机的电启动等。传动系统是指发动机与驱动轮间所有传动件的总称，其基本功用是：减速增扭、变速变扭、逆转传动实现车辆倒驶、切断与平顺接合动力、改变动力旋转平面、将动力传给驱动轮8。拖拉机传动系统有机械式和液力式两种。采用前者较为普遍。2.2.1 轮式拖拉机传动系统的组成轮式拖拉机传动包括离合器、变速箱、中央传动及最终传动等4个部分，通常将中央传动、最终传动和位于同一壳体中的差速器统称为后桥，有些拖拉机的离合器与变速箱间还设有挠性联轴节。2.2.2 履带式拖拉机传动系统的特点常用履带式拖拉机传动系统的传动路线与轮式拖拉机基本相同，主要差别是后桥中没有差速器，而是在中央传动两侧与最终传动之间设有离合器式转向机构。3 离合器主要参数设计3.1 离合器主要参数的计算摩擦离合器的主要参数是：离合器储备系数、摩擦面所受压紧力Q、摩擦面外径D2 和内径D1、摩擦面对数i。3.2 离合器的储备系数储备系数是离合器的最大摩擦转矩与发动机标定转矩之比，可写成： （3.1） 储备系数的大小对离合器的工作性能影响很大：太小，在压紧力或摩擦系数降低时，就会出现传递扭矩能力不够的情况，使离合器不能可靠地传递发动机全部转矩，并会使滑磨功增加。增大可减少滑磨功，减轻发热和磨损，但却使瞬时发热量增大，并离合器尺寸变大，传动系过载保护减弱，操纵功增加9。对于弹簧压紧式和带有补偿弹簧的杠杆式干式离合器，一般=2.5。对于刚性杠杆压紧式离合器=33.5；对于干式、弹簧压紧式、主离合器，=2.42.6；湿式离合器=1.52.0。双作用离合器中的副离合器的储备系数因结合次数少，稍小，但不宜小于1.3。在工作繁重、离合频繁或发动机转速高时，应取较大些。如果摩擦系数和压紧力能保持稳定而很少变化，则可取小些。另外，当实际有效压紧力和名义压紧力的差值增大时，应取较大的。为了符合某型拖拉机的实际工作情况，选择主离合器的储备系数为=2.61，副离合器的储备系数=1.42。已知：发动机功率22.1kW，转速2500r/min，根据公式：9550P=TnP=功率单位KW，T=转矩单位Nm，n分=每分钟转速单位转/分钟得出转矩=84.422 Nm。从而得到主离合器的最大摩擦转矩=220.341Nm，副离合器的最大摩擦转矩=119.879Nm。3.3 摩擦压盘外径D2和内径D1摩擦件是摩擦离合器的主要组成元件，其工作表面材料的物理性质和机械性能直接影响离合器的工作性能。对材料的主要要求是：摩擦系数大而且稳定，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，还要求使用寿命长，容易加工和价廉等。常用的摩擦面材料有粉末冶金材料石棉基材料和纸基材料。粉末冶金材料：表面许用温度许用压力高温下摩擦系数和寿命都较高。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。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，石棉衬片有较高的摩擦系数、比重小、能保证必要的机械强度、价格低、制造容易，石棉衬片是目前使用最为广泛的摩擦件。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10。对于某型拖拉机离合器，选用性能较好，成本较低的石棉基材料作为摩擦件。摩擦片的工作条件比较恶劣，为了保证它能长期稳定的工作，根据拖拉机的的使用条件，摩擦片的性能应满足以下几个方面的要求：（1）应具有较稳定的摩擦系数，温度，单位压力和滑磨速度的变化对摩擦系数的影响小；（2）要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨；（3）要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好；（4）热稳定性要好，要求在高温时分离出的粘合剂较少，无味，不易烧焦；（5）磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面；（6）油水对摩擦性能的影响应最小；（7）结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象。由以上的要求，目前车用离合器上广泛采用石棉塑料摩擦片，是由耐热和化学稳定性能比较好的石棉和粘合剂及其它辅助材料混合热压而成，其摩擦系数大约在0.3左右，在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦片。对于采用石棉衬面的单片干式离合器，摩擦衬面外径D2（mm）可参考经验公式 ： （3.2） 式中 直径系数。查手册可得到某拖拉机的值为54。所以有：当摩擦片外径D2确定后，摩擦片内径D1可根据D1/ D2在0.530.70之间来确定当D1/ D2=0.54时，求得D1=120.648mm，根据离合器内部和压盘的内径大小，我们取D1=128mm 。以上计算确定的是某拖拉机主离合器的内外径。对于副离合器，取副离合器外径D2 =236mm。取副离合器的D1/ D2 =0.60，则副离合器内径D1 =142mm。当发动机标定转矩较大，按上式初选的D2受到飞轮结构尺寸的限制难以实现时，可考虑采用双片结构，以发动机标定转矩之半即代入上式，值可取较大值以初选D2。3.4 压紧力（N）的确定 （3.3）式中 摩擦合力作用半径（mm）。 代入主离合器数据：D2 =236mm , D1=128mm,可得RP91mm。i摩擦面对数，单片i=2，双片i=4； 摩擦系数，通常干式石棉摩擦衬面取=0.3 见下表3.1。将以上数据代入上式有主离合器压紧力N。对于副离合器：D2 =236mm， D1=142mm，可得RP95mm。将以上数据 D2 =236mm，D1=142mm，RP95mm代入有副离合器压紧力N。表3.1 摩擦系数和许用单位压力摩擦副材料 (Mpa)干式湿式干式湿式钢、铸铁对钢0.150.180.030.080.250.400.61.0钢、铸铁对石棉0.250.30.080.150.100.250.20.5钢、铸铁对粉末冶金0.250.40.060.120.400.601.22.0钢、铸铁对纸基衬面0.100.130.52.53.5 离合器磨损验算离合器摩擦衬面的磨损与单位压力q有关，单位面积压力： （3.4）式中 S每个环状摩擦面的面积； 许用单位面积压力。当摩擦衬面直径较大时，相对滑磨速度大，应取小些。对于主离合器代入公式可知： q=0.131Mpa对于副离合器代入公式可知： q=0.124Mpa查表3.1可知：主离合器和副离合器的单位面积压力q均在0.100.25的合理范围内，符合要求。3.6 滑磨功的验算离合器结合过程中由于主、从动片转速不同，产生相对滑磨，滑磨产生的热量使离合器的摩擦元件温度升高，摩擦系数降低，传递转矩的能力下降，甚至导致摩擦衬面因过热而烧损11。可见离合器结合过程中，滑动功产生的热量是影响离合器寿命的重要因素。滑磨功W（J）用下式计算： （3.5） 式中 发动机标定角速度（rad/s）； 转动惯量（kgm2）； 换算到主动盘上的发动机转动惯量。 （3.6）式中 D环大径； d环小径； b厚度； 密度，=7900Kg/； 换算到离合器轴上的拖拉机机组的转动惯量（kgm2）。 （3.7） 式中 满载拖车质量； 拖拉机机组质量； 驱动轮的动力半径（m）； 传动系总传动比。对于主离合器： 对于副离合器：因滑磨功不能作为不同等级拖拉机离合器磨损的比较指标，为了使不同等级拖拉机具有可比性，引入单位面积滑磨功概念，并对其进行验算：(J/) （3.8）式中 i摩擦面对数。对主离合器：对副离合器：主、副离合器均符合要求。3.7 离合器发热验算离合器结合过程的滑磨功转化为热量，使零件温度升高。过高的温度会使摩擦表面的摩擦系数降低，加剧磨损。为了降低摩擦表面的温度，应加强散热通风。对于频繁结合的离合器则应采用在高温下性能较稳定的摩擦材料，必要时可采用湿式离合器。离合器的每次接合，都会因摩擦而升温，一般接合一次的温升应小于5C，计算t的公式如下： （3.9）式中 热量传给验算零件的百分比； 验算零件的质量（kg）； 比热容，钢、铁比热容为481.5J/kgC 。 应验算受热最严重的零件在离合器接合一次中的温升。当采用石棉衬面时，应验算压盘（单片式）或中间压盘（双片或多片式）的温升。单片式=0.5；双片或多片式的中间压盘=。如果t过大，应采取结构措施加强通风散热，或加大零件的热容量以降低它的瞬时温升。干式离合器通常采用的散热措施有：在离合器罩上开较大的通风口；在压盘上铸出散热和鼓风的筋片、采用平板形飞轮、加强空气在离合器壳中的流动，采用分段形的摩擦衬片而不采用环形的摩擦衬面等12。3.8 离合器实际压紧力的影响因素在实际使用过程中，弹簧出现永久变形以及因摩擦衬面磨损引起的弹簧的预加变形变小，都使实际压紧力降低。另外，分离杠杆上装有反压弹簧用来保证分离轴承处的间隙，以防止离心力使分离杠杆内端后移，这个弹簧力将抵消摩擦衬面上的部分压紧力。为了克服离心力，有的结构中把反压弹簧设计得很强，个别结构中因此而使压紧力减少26%，这个因素值得设计时重视13。合理的办法是使分离杠杆的重心尽量靠近它的转动支点，减小离心力的力臂，同时采用较弱的反压弹簧。另一个因素是在离合器片被压紧的过程中，驱动销和压盘之间、从动盘轮毂和花键轴之间，因在传递圆周力的同时有轴向移动，出现的轴摩擦阻力，它抵消弹簧部分压紧力。同样尺寸同样压紧力的双片离合器所传递扭矩只是单片式的1.71.8倍。在多片离合器中，压紧力因轴向摩擦阻力而减弱的比例更大。在离合器接合后，由于振动或其他原因，轴向摩擦阻力可能减弱或消失。但在接合初期，也正是离合器滑磨时期，摩擦阻力造成压紧力减少的影响是值得注意的。在多片式离合器设计中，选择储备系数时应考虑到这点。设计的主副离合器摩擦片如图3.1和3.2。图3.1 主离合器摩擦片图3.2 副离合器摩擦片4 离合器主要零件的结构与设计4.1 离合器轴的计算离合器轴的结构取决于离合器的类型和传动系的布置。一般单作用离合器采用实心轴；双作用离合器则有实心轴和空心套管轴。离合器轴的扭转（剪切）强度：离合器在接合和完全接合时其轴都处于受扭状态，因此设计时必须对离合器轴进行扭转强度计算。在危险断面处扭转（剪切）强度： （4.1）式中 抗扭转断面系数。实心轴为： 空心轴为： 式中 D大径; d小径。 花键空心轴： ，式中 花键轴大径； 轮毂的花键小径； d孔径； K危险断面处的应力集中系数。对于该款离合器的主离合器轴：4.2 蝶形弹簧的计算 根据功能分析，在不考虑结构因素影响条件下，对公用碟形弹簧的要求和现在联动操纵式双作用离合器上主离合器弹簧要求相当，为弱化弹簧刚度，提高离合器工作稳定性，国外已普遍使用膜片弹簧，但相对于国内本行业生产技术现状和用户接受水平，碟形弹簧已能满足要求，为此，也有产品使用双片碟形弹簧结构，但从经济性考虑，此处仍然选择单片碟形弹簧结构并按照双作用离合器主离合器弹簧设计规范进行设计计算14。碟簧部分和分离指部分，与开槽碟型弹簧的主要区别除分离指比舌形弹簧片长得多外，两种弹簧的加载位置不同，弹簧的加载点是在碟簧部分的大小端部，分离指只在分离时受力，而开槽碟型弹簧的舌形片始终受力。弹簧的设计比较复杂,必须利用反求工程原理进行,即按照参考样件或先期的经验初步选定膜片弹簧的结构尺寸,然后对其工作弹性、应力强度等作出分析,最终经过优选定出其合理的结构尺寸。根据双作用离合器工作要求，需要碟形弹簧翻转变形，因而要在弹簧和压盘支承面上增加支承面结构设计。此时，随着弹簧支承点的改变，其载荷一变形关系将随之发生显著的变化，特别是弹簧的工作变形区间被缩小15。所以，不但要对压盘支承台阶尺寸提出严格要求，而且要对弹簧的实际工作范围进行调整。根据查找的资料碟形弹簧变形理论有了新的发展，所以在碟形弹簧设计时，按下列公式进行设计计算。 （4.2）式中 P单个碟形弹簧的轴向载荷； NE弹性模量,对弹簧钢E=206GPa； t、D、h碟形弹簧板厚、外径和极限行程，mm； F单个弹簧的变形量； A与D/d比值有关的辅助值。设计工作载荷（有支撑面时）P1L/L1 P （4.3）4.3 离合器其它主要部件的结构设计4.3.1 从动盘毂的设计从动盘毂是离合器中承受载荷最大的零件，它几乎承受由发动机传来的全部转矩。它一般采用齿侧对中的矩形花键安装在变速器的第一轴上，花键的迟钝可根据摩擦片的外径D与发动机的最大转矩T，花键尺寸表如表4.1。表4.1 花键尺寸表摩擦片外径 D/mm发动机最大转矩T/(Nm)齿数n外径D/mm内径d/mm齿厚t/mm有效尺长l/mm挤压应力/MPa232220125025725 21.1从动盘毂的零件图如图4.1和图4.2。图4.1 主离合器从动盘毂图4.2 副离合器从动盘毂4.3.2 从动片的设计从动盘对离合器工作性能影响很大，本次设计初选从动片厚度为4mm，设计时应满足如下要求：（1）从动盘的转动惯量应尽可能小，以减小变速器换挡时轮齿间的冲击；（2）从动盘应具有轴向弹性，使离合器结合平顺，便于起步，而且使摩擦面压力均匀，以减小磨损；（3）应安装扭转减振器，以避免传动系共振，并缓和冲击。从动片的零件图如图4.3和图4.4。图4.3 主离合器从动片图4.4 副离合器从动片4.3.3 离合器盖结构设计乘用车离合器盖一般用08、10钢等低碳钢板，本次设计初选08钢板厚度为3mm，离合器盖结构设计时应满足如下要求：（1）应具有足够的刚度，否则影响离合器的工作特性，增大操纵时的分离行程，减小压盘升程，严重时使摩擦面不能彻底分离；（2）应与飞轮保持良好的对中，以免影响总成的平衡和正常的工作；（3）盖的双作用式单盘支承处应具有高的尺寸精度；（4）为了便于通风散热，防止摩擦表面温度过高，可在离合器盖上开较大的通风窗孔，或在盖上加设通风扇片等。4.3.4 压盘的设计压盘形状较复杂，要求传热性好，具有较高的摩擦因数，通常采用灰铸铁，一般采用HT200、HT250、HT300，硬度为170227HBS，对压盘结构设计的要求:（1）压盘应具有较大的质量，以增大热容量，减小温度，防止其产生裂纹和破碎，有时可设置各种形状的散热筋或鼓风筋，以帮助散热通风。中间压盘可铸出通风槽，也可以采用传热系数较大的铝合金压盘；（2）压盘应具有较大刚度，使压紧力在摩擦面上的压力分布均匀并减小受热后的翘曲变形，以免影响摩擦片的均匀压紧及与离合器的彻底分离，厚度约为1525 mm；（3）与飞轮应保持良好的对中，并要进行静平衡，压盘单件的平衡精度应不低于1520 gcm；（4）压盘高度(从承压点到摩擦面的距离)公差要小。4.3.5 压盘的结构设计与选择 （4.4） （4.5） 式中 为拖拉机起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功； 为传到压盘的热量所占的比例，对单片离合器压盘，=0.5； M为压盘质量(kg)； V为压盘估算面积； 为压盘的比热容，铸铁：C=481.4 J/(kg)； 为铸铁密度，取7800 kg/m； 为摩擦片外径取232； 为摩擦片内径取140； H为压盘厚度，取h=15 mm； T为压盘温升（）。中间压盘的零件图如图4.5。图4.5 中间压盘4.3.6 离合器设计的注意事项双作用状态下的可靠性问题根据结构分析，这种公用碟形弹簧式离合器，当离合器处于双作用状态时，作为基准面的压盘也处于浮动定位状态，其定位精度和支承刚度都将随之下降，必然导致操作过程中工作稳定性下降，摩擦磨损和发热量增加，甚至会出现离合器分离不彻底等质量问题，直接影响到离合器的可靠性水平。当然如前所述，正确操作时，独立操纵式离合器双作用工况是发生在拖拉机配套机组的空载运行状态，其影响相对较小，如果是联动操纵式双作用离合器，则其双作用工况经常发生于负载状态下，而且该时主、副离合器之间还存在着一个互动过程，这种影响就更加显著16。对此，我们缺少研究，也没找到可利用的参考资料，需要进一步的研究探讨。对于碟形弹簧，碟形弹簧技术已推广应用多年，生产技术日趋成熟，不仅单作用离合器，就连双作用离合器也已广泛使用，一般双作用离合器都要求碟形弹簧翻转变形，并且具有较大的翻转变形量，以增大其使用范围，提高产品的技术经济性，有些产品双作用离合器碟形弹簧单作用分离点即已翻转，要求双作用分离点变形量已超过碟形弹簧载荷一变形曲线上载荷极小值点t的值。但是查阅很多手册、资料，仍然是以碟形弹簧压平点u(也称拐点，变形量为内锥高度H)为极值点，质量考核也以点变形量H值作为衡量指标17。然而，从强度理论来考察，弹簧的许用范围大很多，现以东风300拖拉机离合器碟形弹簧为例，查手册已知该弹簧许用应力范围是1400一1540MPa。设取许用应力为1400Pa，按照强度理论，将该弹簧的许用范围扩大到t点，许用变形量放大至7.22mm，仍可放心，但按照目前质量指标来衡量，却无法评价其可靠性水平。因此，研究碟形弹簧的实际许用范围及其可靠性水平（建议研究弹簧变形最小载荷点t点的许用条件及可靠性水平），用以指导企业生产，具有很大现实意义18。综上所述，公用碟形弹簧独立操纵式双作用离合器在功能发挥方面完全是双作用，而其操作控制方式又简化为单作用，但仍存在着一些有待解决的问题，两种双作用离合器性能特点。根据东风300拖拉机离合器开发实践，公用碟形弹簧独立操纵式离合器虽然增加了一套操纵机构，增加生产成本近百元，但是减少了一只碟形弹簧和一只离合器固定压盘19。因此，减少离合器壳体净重4.3kg，在不增加成本条件下增加功能，提高了产品农艺适应性，优化了离合器性能。5 总结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。并进行了总成设计主要为，分离装置的设计，从动盘设计（从动盘毂的设计）和独立操纵式双作用设计等。本文主要是对某微型货车离合器总成设计，确定了以推式独立操纵式双作用离合器作为设计目标。根据拖拉机总体设计及推式独立操纵式双作用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、操纵机构和压紧装置四部分。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。大多数离合器已经标准化或规格化，设计时，只需要参考有关手册对其进行类比设计或选择即可。结构设计时，离合器要有防衬面油污的结构措施；加强散热通风；防止压紧弹簧退火；防止运动零件运动干涉；调整方便，可靠；选择合适的压盘驱动方式；要有结构措施保证装配时各零件对中准确、可靠；分离杠杆要有反压弹簧或采用平衡块保证分离间隙，但分压弹簧压力不能过大，否则将使离合器压紧力降低
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