汽车离合器的设计计算与选型.ppt

1、汽车离合器的设计计算与选型,一、综述,由于本公司目前已经拥有了较完善的产品系列，覆盖了从150430各种规格的单片、双片，以及拉式、推式膜片弹簧、螺旋弹簧离合器。因此，我们通常的做法是：先根据发动机的主要参数，在已有的离合器规格中初选，然后再根据具体的整车参数、使用工况、预期寿命等进行一系列的校核计算后，作出选型决定，最后进行实际装车路试验证。,二、具体步骤,第一步：主机厂与配套厂商定离合器的结构形式 第二步：主机厂提供发动机主要参数及装车用途，配套厂初定离合器规格尺寸。 第三步：基本参数的选择和确定 第四步：单位面积许用压力的校核 第五步：单位面积发动机功率的校核 第六步：单位面积车辆总质量

2、的校核 第七步：离合器热负荷的校核，包括滑磨功W和起步温升t的计算、校核。 最后，如果有必要的话，还可以进行预期寿命的计算,第一步：主机厂与配套厂商定离合器的结构形式,是用膜片式还是螺旋式？ 是用拉式还是推式？ 是用单片式还是双片式？,一般来说膜片式离合器较螺旋式离合器有以下优点：,a、结构紧凑，尤其是轴向尺寸较小； b、散热通风性能好。当轴向尺寸相同时，可以设计出更厚重的压盘，且断面比较均匀，易于布置散热筋等。以上因素可以有效降低离合器的使用温度，延长使用寿命； c、高速性能好。高速运转时，周置螺旋弹簧会在离心力的作用下产生横向挠曲变形，甚至严重鼓出，从而降低离合器的有效压紧力和转矩容量；而

3、膜片弹簧由于其结构上的特点，受离心力影响较小。有研究表明：在5000转/分的高速下，螺旋弹簧离合器的压紧力会下降约30%，而膜片弹簧离合器仅降低5%左右；,膜片式离合器的优点(续）,d、使用寿命更长。膜片弹簧离合器的压紧力在整个使用过程中，随着摩擦片的磨损，几乎不会下降（一定范围内甚至有所上升），而螺旋弹簧离合器的压紧力会随着摩擦片的磨损而不断下降，加上前者散热通风良好，压盘热容量较大等因素，膜片弹簧离合器具有更长的使用寿命； e、操纵更加轻便。在相同压紧力的条件下，膜片弹簧离合器的操纵力可比螺旋弹簧离合器降低25%35%左右；,但是膜片式离合器较螺旋式离合器也存在一些缺点：,膜片弹簧离合器的

4、技术要求较高，市场售价较贵； 螺旋弹簧离合器的生产厂家较多，价格相对低廉； 膜片弹簧离合器在摩擦片磨损后压紧力增加，但同时分离力也相应增加； 螺旋弹簧离合器在摩擦片磨损后压紧力下降，但同时分离力也相应下降；,与推式膜片弹簧离合器相比较拉式膜片弹簧离合器的性能更为优越：,a、结构更加紧凑、重量更轻； b、扭矩容量更大，结构尺寸更小（同样尺寸时，扭矩可增20%50%）； c、分离效率更高、操纵更加轻便（在同样转矩容量时，操纵力可减少20% 35%）； d、冲击和噪声较小（由于结构上的特点，拉式膜片弹簧离合器能自补偿支承环等零件磨损后产生的间隙，从而减小冲击和噪声）； e、使用寿命更长。在相同轴向尺

5、寸时，由于拉式离合器没有中间支承，因此可以采用比推式更厚的压盘，且便于布置更多的散热筋，盖中间的窗孔也可以做得更大，因此压盘的散热通风条件更好，从而可以有效提高离合器的使用寿命。,但 是,拉式膜片弹簧离合器对分离轴承的要求很高（其轴承为常接触式，且长期工作在高温环境下，寿命得不到有效保证），目前售价也更贵，各主机厂宜根据自身实力和产品档次选用。,另 外一般情况下，我们不推荐使用双片式离合器,这是因为： a、结构较为复杂，故障率相对较高; b、中间主动盘散热通风较差，摩擦片寿命较低。 只有在径向尺寸受到严格限制，或扭矩容量很大，用单片式离合器难以达到时，才考虑选用。,第二步：主机厂提供发动机主要

6、参数及装车,通常情况下，单片推式膜片弹簧离合器规格尺寸可参考表1进行初定。 表1： 单片推式膜片弹簧离合器规格尺寸初选表,用途，配套厂初定离合器规格尺寸,表1： 单片推式膜片弹簧离合器规格尺寸初选表(续),备注： 1、一般轿车和主要以跑高速公路为主的城际巴士可 按轻负荷考虑； 2、中、轻型货车和一些客货两用车可按中负荷考虑； 3、重型车、牵引车和城市公交车等可按重负荷考虑。 4、如果选用螺旋弹簧离合器，通常规格宜放大一号； 5、而采用拉式膜片弹簧离合器时，规格可缩小一号。,第三步：基本参数的选择和确定,1、离合器的基本规格确定后，可根据不同的工况，选择相应的储备系数，并计算离合器扭矩容量和所需

7、压紧力。 表2： 各种车型储备系数参照表,备注： 缸数越少，应越大； 对于汽油机可取偏小值，对于柴油机要取偏大值（工作较粗暴）。 对于螺旋弹簧离合器，由于磨损后压紧力会下降，应取大一些。,2、储备系数选定后，可按下式计算离合器所需扭矩和压紧力： Tcmax =Temax=f F1RmZ 其中： f为摩擦系数。对于单片式离合器、普通无石棉摩擦材料，可取f=0.25；对于较好的摩擦材料，非恶劣工况时可取f=0.3。对于双片式离合器，由于散热较差，温度较高，一般只能取f=0.2； F1为离合器的工作压紧力； Rm为摩擦半径。为简化起见，可取Rm= (即摩擦片平均半径)； Z为摩擦面数目。对于单片式离

8、合器，Z=2；,第四步：单位面积许用压力的校核,按第三步计算求得工作压紧力F1后，按下式计算单位面积压力：,考虑到不同摩擦材料的承压能力，一般按上式计算的p不应大于下表的规定： 表3：不同摩擦材料在干摩擦条件下的许用单位压力p,如果计算值大于上表中的数值或接近上限，就应考虑适当加大离合器的规格，并重新计算压紧力和单位压力。对于离合器使用频繁、工况比较恶劣的（如城市公交、自卸卡车等），其许用值应按上表的下限选取。,P =,第五步：单位面积发动机功率的校核,单位面积发动机功率 Peo=,(kw/cm2),式中Pemax为发动机最大功率；Z为摩擦面数目；A为摩擦片面积。 表4: 各种车辆许用单位面积

9、发动机功率Peo (kw/cm2) (高档无石棉材料）,车型,离合器,第六步：单位面积车辆总质量的校核,单位面积车辆总质量 mo=,(kg/cm2),式中ma为车辆总质量 表5 各种车辆许用单位面积车辆总质量mo (kg/cm2)（无石棉材料）,城市营运车 (公交车等),车型,离合器, 由于摩擦材料配方的不同，各种配方的许用值往往存在较大的差异。,第七步：离合器热负荷的校核包括滑磨功W和起步温升t的计算、校核。,离合器在接合过程中所产生的滑磨功不仅消耗一部分发动机功率，引起摩擦面的磨损，而且还转化为热量使离合器的温度升高。而一般摩擦材料的性能会随着工作温度的升高而逐渐变坏摩擦系数u下降、磨损率

10、Kw增大。 而摩擦系数下降后摩擦片更容易打滑，滑磨后温度更升高，温度更高后摩擦系数更下降如此恶性循环，会极大地降低离合器的扭矩容量，缩短离合器的使用寿命，甚至引起压盘热变形、龟裂或断裂，摩擦片翘曲变形或烧损等严重后果。 因此，对在重载条件下工作的车辆：如城市公交、工地上的自卸车、超载的大货车等，这些影响尤为严重。所以在设计、选型时要充分考虑离合器的通风、散热条件，同时必须进行滑磨功W和起步温升t的计算。,我们知道，通常车辆起步时离合器主、从动部分的转速差较大，而换档时转速差较小，因此我们只需要分析车辆起步时离合器的接合过程。 车辆起步时离合器的结合过程大致可以分为两个阶段： 第一阶段：从离合器

11、主、从动部分的摩擦面开始接触（Tc=0）起，直到Tc逐渐增大到等于车辆行驶阻力矩Tn，经历时间0t1。 在这一阶段中，因TcTn，离合器虽然已经开始滑磨，但从动盘尚未转动（n=0），车辆仍处于静止状态。第一阶段滑磨功：,W1=,-,式中Tc为摩擦力矩；e为发动机角速度； 第二阶段：从TcTn ，使离合器从动部分开始转动，直到n逐步增大到与发动机转速e相等为止，经历时间由t1t2。第二阶段滑磨功：,W2=,(e-n)dn-,=,1.滑磨功W的计算,Tn=ma g rr (f+i)/igio -,式中：ma为车辆总质量；g为重力加速度；rr为车轮滚动半径；f为滚动阻力系数；i为坡度阻力系数（通常设

12、定为8%坡度）； ig为主减速器速比; ig为车辆常用起步档速比（轿车取一档，货车非重载时一般取二档）； 当车辆在平坦的良好路面上起步时，f 和 i 都很小，为简化计算取Tn0 t10，于是得总滑磨功,W=W1+W2Jn,-,式中： na为离合器滑磨结束，主、从动部分同步时转速。 为进一步简化计算，我们假设起步时发动机转速始终不变，即e=na，此时总滑磨功：,W=,-,其中道路阻力矩：,总滑磨功 W=,-,上式中：e为起步时发动机角速度,e=,-,（对于中、小型货车来说，通常取ne=1500转/分） Jn为当量转动惯量，忽略传动系从动部分本身的转动惯量时，,Jn,-,将上述二式、代入式，得总滑

13、磨功：,W,-,一般情况下，对单片式离合器来说，受热最严重的是压盘和飞轮的摩擦面(当然也包括摩擦材料），由于飞轮质量要远远大于离合器压盘质量，因此我们只需计算压盘的起步温升即可。,t =,-,式中： K为传给压盘的热量比例，单片式离合器一般取K=0.5； m为所验算的压盘质量（）; C为压盘材料的比热容，铸铁为C=544J/（） 按照我们的经验，按式和式计算所得的理论温升值不应大于68（有的标准要求不大于10）。这是因为： a、式中我们忽略了滚动阻力和坡道阻力的影响。对重载的大货车来说，当车辆在较陡的坡道上起步时，阻力的影响有可能会使滑磨功增加一倍以上；,2、离合器起步温升的计算,b、式中我们

14、未考虑储备系数和驾驶员操纵技能、操作习惯的影响。有研究表明：当储备系数降低30%时，滑磨功W有可能增加60%80%，滑磨时间也将大大延长，从而使压盘温度迅速升高，摩擦材料性能变坏，大大加快摩擦片的磨损，缩短使用寿命。另外，驾驶员的操纵习惯也会对滑磨功W产生很大的影响（如大油门起步时ne增加，W将随ne的二次方而迅速增加）。 需要特别指出的是：对于行驶在较为拥堵的城市道路上的营运客车来说，我们推荐的理论温升值t一般不应大于46。这是因为：上述车辆需要极其频繁地起步每公里起步频次可能达到10次以上。这样，如果单次起步温升过高、整车设计时离合器的通风散热条件又不是太好的话，一个班次下来，压盘的摩擦面

15、实际温度就有可能达到300以上，从而极大地缩短摩擦片的使用寿命，甚至造成烧损等严重后果。,最后，如果有必要的话，还可以进行预期寿命的计算,汽车离合器的预期寿命通常以行驶里程来表示，其计算一般可分为以下几个步骤： 1、摩擦材料磨损率的测定。摩擦材料的磨损率涉及到的因素很多：如对偶件的材料和表面状态、实际使用温度、摩擦材料本身的性能等等，因此目前难以进行理论计算。通常只能采用实验方法进行测定。 在对偶件与外界条件不变的情况下，不同摩擦材料的磨损率Kw与温度的关系曲线如图所示：,由图可以看出，低档石棉基摩擦材料在温度200左右，磨损率Kw明显增大；温度到达250左右时，Kw急剧变大（同时摩擦系数也急

16、剧降低）；而高档无石棉摩擦材料要温度到达近300时，磨损率才增大至0.510-73/Nm以上，最高可用至350左右；金属陶瓷材料的磨损率Kw能始终保持在一个较低的水平（但它对偶件损伤较大）。,2、摩擦片容许总磨损量的计算：V=AZS,摩擦片容许总磨损量 V=AZS 式中：摩擦片单面面积A= ； Z为摩擦面数量，对于单片式离合器Z=2； S 为摩擦片单面允许磨损量，它要参考二方面的因素决定。 一方面是摩擦片的材料、大小、厚度及摩擦片铆钉沉入摩擦面的深度。为了保证磨损后摩擦片的强度和不至于露出铆钉头，通常可取S1=0.61.5（视摩擦片具体情况而定）； 另一方面是考虑到摩擦片磨损后压紧力不至于下降太多（通常要求下降值不超过10%）。可根据压板总成的载荷特性曲线来定。不同大小的产品，其允许总磨损量一般在1.23之间（单片式离合器即2S2）。 综合考虑上述两方面因素后，可确定一个合理的S设计值。,3、离合器起步频度n的选取,表6 各种车辆在不同使用条件下的起步频度n（次/km）,使用条件,起步频度,车辆类型,离合器的起步频度n与车辆类型及各国具体的使用条件（道路状况等）有关。可参考表6选取。,4、离合器预期寿命L的计算,离合器在上述特定条件下的预期