关于轻型卡车离合器的故障和解决探析.docx
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关于轻型卡车离合器的故障和解决探析
摘要
离合器存在于汽车传动系中，它的质量直接关系到整车的经济性、乘坐舒适性和动力性等，其重要性不言而喻。
本文将研究重点放在了轻型卡车所常用的干式单膜片弹簧离合器上。
这种离合器集聚了诸多离合器之大成。
然而，随着车辆行驶里程的增加，离合器频繁地被使用，随之而来的磨损、消耗无可避免，技术条件也极易变差出现故障。
且在我国，占据运输市场半壁江山的轻型卡车多应用于城乡运输，工作环境尤其恶劣。
违规超载、经常走崎岖路段、使用者驾驶习惯恶劣等现象，层出不穷，再加上驾驶员对于轻卡离合器维护知识的缺乏，也导致离合器的故障现象更加频繁地出现。
本课题主要研究的是轻卡离合器的一些常见故障。
以离合器的结构、工作原理为基本入手点,对这些常见的故障现象进行了归类、探析。
整理出流程图后按着诊断流程对其原因进行了剖析,并总结前人的经验提出了一些基础的排除方法。
最后，为了提升故障解决探析的效果，着重对其中一项故障点进行有限元分析，通过与完整件的对比分析，得出模拟仿真结果。
并根据结果提出优化方案，之后再次进行有限元分析，验证优化后的有效性。
不仅让初学者对离合器有个初步的了解，也给使用者以及维修人员的日常检修以及后续对膜片弹簧离合器的设计和开发起到一个指导作用，并且在一定程度上能帮助延长离合器的使用寿命，减少使用者的损失。
关键词：
轻卡；膜片弹簧离合器；故障；探析；
ABSTRACT
Theclutchexistsintheautomobiletransmissionsystem,anditsqualityisdirectlyrelatedtotheeconomy,ridecomfortandpowerofthewholevehicle.Itsimportanceisself-evident.Afteracertaininvestigationandanalysisofthecurrentsituationoftheautomobilemarket,thispaperfocusesontheclutchusedinthelighttruck.Atpresent,thelighttrucksappearingonthemarketbasicallyusethedrysinglefrictiondiaphragmspringclutch.Thistypeofclutchaccumulatesalargenumberofclutches.However,asthemileageofthevehicleincreases,theclutchisfrequentlyused,andtheaccompanyingwearandconsumptionareinevitable,andthetechnicalconditionsareextremelylikelytodeteriorateandmalfunction.
InChina,lighttrucksoccupyinghalfofthetransportationmarketaremostlyusedforurbanandruraltransportation,andtheworkingenvironmentisparticularlyharsh.Violationofregulations,frequentruggedroads,andpoordrivinghabitsofusershaveemergedinanendlessstream.Coupledwiththelackofknowledgeofthedriver'smaintenanceoflighttruckclutches,thephenomenonofclutchfailureshasbecomemorefrequent.
Thistopicmainlystudiessomecommonfaultsofthediaphragmspringclutchcommonlyusedinlighttrucks.Takingthestructureandworkingprincipleoftheclutchasthebasicstartingpoint,thesecommonfaultphenomenaareclassifiedandanalyzed.Aftersortingouttheflowchart,thereasonisanalyzedaccordingtothediagnosisprocess,andsomebasicmethodsofeliminationareproposedbasedontheexperienceofthepredecessors.Finally,inordertoimprovetheeffectoffaultresolutionanalysis,finiteelementanalysisiscarriedoutononeofthefaultpoints,andthesimulationresultsareobtainedbycomparisonwiththecompleteparts.Accordingtotheresults,theoptimizationschemeisputforward,andthenthefiniteelementanalysisiscarriedoutagaintoverifytheeffectivenessoftheoptimization.Notonlydoesthebeginnerhaveapreliminaryunderstandingoftheclutch,butalsogiveusersandmaintenancepersonnelfordailyoverhaulandsubsequentdesignanddevelopmentofthediaphragmspringclutch,andtoacertainextentcanhelpextendtheuseoftheclutch.Lifeexpectancyandreduceuserlosses.
KeyWords：
Lighttruck;Diaphragmspringclutch;Hitch;Analysis
1引言
现如今，汽车已经与我们的生活融为一体，不可或缺。
站在现代化的角度看，汽车产业的规模大小及汽车产品的质量好坏，已经成为衡量一个国家技术水平高低的重要标准。
卡车，也就是载货汽车。
通常情况下，根据负载规格可以将卡车划分为四种类型：
重型、中型、轻型和微型[1]。
本文主要讨论的是轻型卡车。
为了更好地满足汽车的行驶需要，比如适应汽车起步条件、助力爬坡，帮助顺畅地通过各种状况路面或是无路区域等，汽车上专门装配了一套复杂的传动系统，即机械传动系统。
它主要是由离合器、传动轴、主减速器、变速器、差速器等部件组合而成[2]。
而在其中，离合器是重中之重。
它直接与发动机相连接，发挥着减速增扭、换向、切断或传递动力、防止过载等重要作用。
总的来说，轻卡是现阶段我国运输市场的中流砥柱，而离合器作为其中极为重要的一个部件，却由于这样那样的原因，导致其故障率居高不下。
随着21世纪的到来，人们对离合器的要求只升不降。
所以，本文就此问题以轻卡常用的膜片弹簧离合器为例对轻卡离合器的故障情况进行研讨、解析，以期达到用户要求。
1.1课题背景和意义
从汽车研发出来到现在，人们一直把汽车离合器技术作为研究的重头戏，希望能将汽车的速度、舒适性，还有安全可靠性都给提升上去，从而带给用户更为舒适的体验。
离合器主要由主、从动部分、压紧机构和操纵机构等四部分组成。
它的主动、从动部分依靠面与面之间的接触摩擦可以实现分离与接合，也可以借助液体或磁力传递扭矩。
在传动过程中，允许两部分相互转动，以此来保证汽车的起动和换档动作，避免传动系发生过载情况[3]。
在市场需求的影响下，卡车的市场竞争逐步从“中型卡车”向重型卡车、中型卡车、轻型卡车和微型卡车等领域的多竞争态势演变，轻卡在其中扮演的角色将越来越得到重视。
从一方面来说，在我国，轻卡更多地是作为城乡运输用车，这导致离合器的失效率居高不下，一跃成为“消耗型”零件。
另一方面，轻卡的一个定位不属于高端型，所以为了降低开发研究整个车辆的费用和售后维修的成本，对于离合器这类部件的投入一定不会太高，这也决定了在加工工艺、材料选取等方面将受到一定的限制[4]。
在这种环境下，将轻卡的关键部件作为突破口，进行根本性的研究，再通过归类离合器的故障现象，重点解析其故障原因，并总结现有的一些基础排除方法，用以优化离合器工艺，具有重大而又现实的意义。
1.2离合器发展史与现状
1.2.1历史背景
自1958年3月10日起，轻卡行业渐渐出现在人们的视野中。
在当时，轻卡在全国的年产量不足2万辆，但却对国民经济起到了巨大的推动作用。
之后也一直是处于供不应求的状态。
听从着时代的召唤，听从党的指引，在改革开放的政策实施后，轻卡工业茁壮成长起来。
1978年，年产量就已提升到了近15万辆；1993年至2000年稳定发展，保持着年产30万辆。
再往后，中国就如同乘上了火箭般、进入了一个迅猛发展的时期。
随着产品质量的提升以及产量、出口量的迅速攀升，中国实现了“鱼跃龙门”，变身轻卡制造大国。
更值得一提的是，我国轻卡工业的崛起，基本上都是依靠改革开放、去粗取精和自主创新来实现的。
到2017年，我国轻型卡车年产量已达到162万辆[5]。
展望2019年，还将在新政策的指引下实现新突破。
如今我国轻卡配套的离合器十有八九都是单片式的膜片弹簧离合器。
由于它相对于别的类型的离合器而言，结构更为紧凑，散热性更为优良，转动惯量也比较小，所以常被以内燃机为驱动源的汽车使用，特别是在研制出廉价的冲压离合器盖后更是如此。
1.2.2研究现状
随着各种智能技术的加入、升级，汽车离合器技术自始至终跟着时代的脚步不断向前。
在市场竞争的催化作用下，我国汽车离合器行业自发进行了改革，不但从国外引进新技术，自行消化、重组，更结合实际开拓创新。
不论是从行业规模、产品技术的角度出发，还是从企业管理层面等方面去看，都取得了良好的发展。
首当其冲的是离合器技术这一块领域。
在不懈努力地对产品结构进行调整后，我国生产的离合器的品种己经能囊括并能满足国内重、中、轻、轿、微及农用等车型的绝大部分需求[6]。
值得庆贺的是，我国研发使用的单片干式摩擦离合器在结构设计上已日益趋向于完善。
自从加入了具有轴向弹性的从动盘以后，更是提髙了其接合质量。
其中的扭转减振器，还能有效防止扭转共振，有效降低了噪声和动态载荷。
1.2.3发展方向
基于发展现状的基础上看，轻卡运输物品目前主要以家具家装、农副食品以及日用品等消费物资为主，与消费水平息息相关。
消费已成为我国经济的主要推动力，随之，对于轻卡的消费运输需求也将稳步增长。
预计2019年，将达到200万辆[7]。
随着科技进步，汽车种类日益增多，尤其是随着新技术的开发以及更多的新型材料被挖掘应用到技术更新上，汽车的故障诊断与排除变得愈加困难。
因此，对于故障这一块的研究比起提高离合器的功能性，显得更为迫切。
已成为离合器的发展趋势。
1.3本课题研究的内容和目的
轻卡的载重量较大，购置成本却相对较低，性价比相对中卡与微卡有优势，能够满足农村与三四线城市及城郊的物流货运需求，从而可以很好的替代农用货车与三轮汽车。
因此，轻卡市场在中国汽车行业中的比重将会逐步增大，对于产品的技术含量和竞争力的提升迫在眉睫。
非常有必要将研究重点放在其主要零件上。
其中，离合器首当其冲。
作为汽车上一个非常重要的部件，其技术含量和技术难度都是非常大的，可探索空间也相对较大。
有一句俗话流传了很久，落后就要挨打，只有进步才是永恒。
离合器只有越来越完善，才能紧跟时代步伐。
由于目前技术的局限性，以及离合器的频繁使用或不正确的操作，导致出现各种各样的故障，直接影响到汽车的正常运作。
使用者们由于相关知识的缺乏，无法准确得知离合器的故障点进行有效排除，通常是直接整个换新，使得离合器的淘汰率急剧升高，用户苦不堪言[8]。
所以本课题主要以轻型卡车当前主要使用的膜片弹簧离合器为例，通过剖析其结构，归纳其常见故障现象，分析故障点找出故障源头，且罗列出当前多采用的一些解决措施以起到参考作用。
然后针对重要故障元件进行3D建模，再利用仿真实验、有限元法，从应力、应变、形变量等三个方面对比分析故障点。
之后还需根据得出的结果总结出优化方案，提出优化后再次进行仿真分析，判断其改进后能否达到预定目标的效果。
2离合器概述
2.1离合器功用
在汽车结构上，离合器占据着无可取代的作用，基础功用归纳如下：
一、通过主、从动部分之间的摩擦作用，使发动机和传动系平稳结合，保证汽车能够平稳地起动。
这是离合器最最重要的作用。
二、变速时，主、从动件迅速分离，中断动力传递，以减轻换挡时齿轮间的冲击，提升换挡速率。
这也是相当重要的一个作用；
三、当传递扭矩超过其摩擦力矩（MAX）时，其主、从动件将产生相对滑动磨损。
这样，离合器就可以保护传动系，防止其过载[9]。
2.2离合器应满足要求
（1）不管在哪一种行驶条件下，稳妥地传递发动机的最大转矩，防止传动系过载，都是作为首要要求；
（2）踏板行程要适中，要能够迅速地复位，避免在接合时回位滞后，要使得接合时候足够彻底、且平顺柔和，减轻抖动和冲击；
（3）换挡时离合器分离要迅速、彻底。
否则会引发换挡困难、齿轮咔嚓作响等；
（4）从动件转动惯量要小，减少磨损；
（5）吸热能力和通风散热能力要优异，保持适宜的工作温度；
（6）应当具备吸收震动、缓和冲击和降低噪声的能力；
（7）机构中调整自由行程的装置要尽可能地简单，以减轻用户的劳动强度；
（8）压力值和摩擦因数在工作过程中变化要尽量小，工作性能保持稳定；
（9）结构简单，工艺精湛，检修方便等[10]。
2.3工作原理
如图2-1，膜片弹簧离合器主要是依靠面与面之间的摩擦来传递发动机动力的。
当脚踩踏板时，操纵机构使分离轴承往前移，推动膜片弹簧的分离指部分向飞轮烦方向运动，挤压压盘，与摩擦片分离。
从动盘总成与飞轮之间产生一个间隙，飞轮不能带着从动盘一起转动，发动机的动力就被切断，即，离合器分离。
当压紧力将从动盘压向飞轮，分离指朝着飞轮方向发生形变时，飞轮表面与摩擦片之间的摩擦作用会带动从动盘运转，就可以传递转矩，即，离合器接合。
具体行程如下：
1.未安装时的自由状态
如图2-2（a）所示，当离合器盖没有安装到飞轮上时，膜片弹簧不受力的作用。
正常情况下称之为，处于自由状态。
此时两者之间有一距离S。
2.安装后的接合状态
膜片弹簧是安装在离合器盖3和压盘2之间的，然后通过紧固螺栓安装在离合器上。
这时膜片弹簧在支承环处被预加压紧。
离合器工作时，发动机动力从曲轴借由飞轮1和压盘2之间的摩擦传递到从动盘，再通过从动轴传递给变速器。
分离指向着飞轮方向弹性变形，此时膜片弹簧外圆周开始挤压压盘，使扭矩传递，离合器结合。
如图2-2（b）所示。
3.离合器分离状态
当踏板被踩下时，膜片弹簧以支承环作为支点，外圆周向后翘起，克服压紧弹簧的力，通过分离轴承推动膜片弹簧远离飞轮运动，发动机的扭矩中断传递，离合器分离，如图2-2（c）所示。
图2-1某膜片弹簧离合器工作原理图
图2-2工作过程示意图
S--自由行程；1—飞轮；2—压盘；3—离合器盖；4—膜片弹簧；5—分离轴承；
（a）未安装的自由状态（b）安装后状态（c）离合器分离状态
2.4主要零部件
汽车离合器有摩擦式、液力变矩式，以及电磁式等几种。
其中，摩擦式的又按照不同的标准分为以下几类：
（1）按照膜片弹簧安装位置：
拉式、推式；
（2）按照弹簧布局形式分为：
中心弹簧、环向弹簧和斜向弹簧的布置形式；
（3）按照弹簧种类又划分为：
圆柱螺旋、锥形螺旋和膜片弹簧[11]。
总的来说，对于轻卡这种最大质量不超过6T的商用车，发动机的转矩（Max）一般不会太大。
在生产过程中，轻卡的载重量通常很大，会频繁地使用到离合器，对使用者来说，操作难度跟工作强度也比较大。
所以一般都是选用油气联合助力的干式单膜片弹簧离合器，结构示意如图2-3所示。
飞轮往外数分别是从动盘总成、压盘、膜片弹簧，然后离合器盖，中间还有分离轴承、分离拨叉等。
图2-3某膜片弹簧离合器结构示意图
2.4.1摩擦片
摩擦片结构详见图2-4。
为了使摩擦片，即便是长期处在极其恶劣的工作环境下也能稳定工作，它必须具备以下几方面的性能：
1.摩擦系数要稳定，不因温度、压力和滑磨速度等而发生太大改变；
2.要耐磨，且要有一定的机械强度，尤其在高温条件下工作时；
3.要有一定的热稳定性；
4.磨合能力要优良，避免刮伤零件的表面；
5.结合时应平顺，不剧烈抖动[12]。
图2-4摩擦片示意图
2.4.2膜片弹簧
最开始的时候，周置弹簧离合器的应用十分广泛，它的身影随处可见。
因为在当时有限的技术条件下，它的结构是相对简单的，而且制造工艺简单，适宜量产。
然而随着科技越来越发达，这种弹簧无法适应高要求、高速度的工作环境，就只能慢慢地被踢出舞台。
在高速离心力的作用下周置弹簧容易歪斜，严重时就不仅仅是降低压紧力了，还有可能直接断裂。
而且这种离合器的体型较大，从动部分传动惯量大，在结合时容易卡住，散热性差，平衡性能也略有欠佳。
因此，除了部分中、重型货车继续沿用这种离合器外，载货汽车多改用膜片弹簧离合器[13]。
其结构如下图2-5所示。
图2-5膜片弹簧示意图
膜片弹簧离合器所具有的优点罗列如下：
1.具有较理想的非线性弹性特性；
2.通风散热能力好，使用寿命长；
3.即便是高速旋转时，压紧力的变化也不会太大，性能较为稳定；
4.结构为盘式，压力分布均匀，与摩擦片接触面较大；
5.其中心与离合器中心线重合，平衡性能优良；
6.将压紧弹簧和分离杠杆的作用包揽于一身。
2.4.3压盘
2-6压盘示意图
压盘属于离合器的主动部分，结构如图2-6。
当发动机传递扭矩时，压盘与飞轮一起带动从动盘转动，传递中断时，又能与从动盘脱离接触。
这种特性允许它在离合器的分离状态下轴间运动。
近年来，弹性传动片式压盘被广泛采用。
这种压盘在传动时，冲击和噪声将大大减少，效率也有所提升。
而为了保证足够的热容量和更好地适应高温工作环境，避免产生弯曲变形，对于压盘的质量和刚度也有着一定的要求。
3常见故障诊断及解决对策
不论多小的故障，都是安全隐患，都可能在汽车行驶时对我们的生命安全造成一定的威胁。
本章主要归类了轻卡离合器的四种常见故障——即，分离不完全、异常噪音、打滑和发抖，在这几种故障类型的诊断过程中找到根源，制作出简洁明了的流程图，并统计排除方法。
3.1分离不完全
离合器分离不完全，可归结为以下两种现象：
（1）车辆刚开始启动时，就明显感觉到挂挡困难；此时就算能够成功挂入档，离合器踏板才抬起一点车子就突然一下子蹿出去或向后移，并且导致发动机熄火；
（2）在行驶过程中，将踏板踩到底，出现换挡困难或挂不上档的情况，并且可以听到变速器内传出类似齿轮间在干磨的清晰的金属撞击声。
3.1.1故障诊断及其产生原因
1、发生此类故障的常规诊断方法是：
把汽车开到平坦的路面上，挂空挡，一人将离合器踏板踩到底，另一人则打开检视窗口并使用诸如螺丝刀之类的工具去拨动从动盘，如果能够拨动,说明该离合器没有出现故障还能正常使用，如果拨不动，则表明该离合器已发生分离不彻底；如果只有一人的情况下，可以借助工具配合着将离合器踏板压下，并顶牢了使其保持不动，此时切记一定要拉起手刹，再用螺丝刀等工具推动离合器片，也能达到同样效果[14]。
2、离合器分离不完全的主要原因归类如下：
序号
故障原因
排除方法
1
压盘或飞轮从动盘表面不平整或形变
校正或更换有故障的零部件
2
离合器从动盘花键磨损或发卡
检修卡滞部件并加注润滑脂
3
压盘弹簧扭曲、损坏
更换压盘弹簧
4
膜片弹簧变形或折断
检查变形或折断原因，修理或更换故障部分
5
离合器踏板自由行程过大，作用行程过小
调整行程到规定的范围
6
离合器液体管路中有空气
排出管路中的气体
7
离合器油缸或助力器缺油或工作不正常
补油或修理故障部件
8
泄漏
检修泄露源或更换故障的部件
9
从动盘反装，分离指与从动盘轮毂存在干涉
按操作指导书正确顺序安装
表3-1故障原因及排除方法概述表
3.1.2排除故障流程
1）首先检查离合器自由行程是否超出规定值，自由行程是否过小；
2）若无，则详细检查每个部件的技术状况，例如，检查杠杆内端是否高低不一；新更换的摩擦片是否太厚；
3）如果还没能找到原因,则查看是否有泄漏源、油量是否控制在刻度线范围内，以及检测管路中是否存在堵塞情况或是否有空气[15]；
4）如果上述调整和检查无效，还可以检查从动盘压板还有飞轮是否存在翘曲变形现象，如果都没有，那故障大概率是因为从动盘在花键轴上移动困难才导致的。
图3-1离合器分离不彻底诊断流程图
3.2异响
表现为：
当离合器在接合或分离的时候，传出不正常的响声。
3.2.1常规诊断
1、诊断方法：
首先将车子开到一个相对安静的地方，让发动机进行怠速运转，拉动手刹，换到空档，踩下踏板消除自由行程，再缓速放开。
重复进行这个动作，并记录下你所听到的声响。
2、故障原因归类如下：
表3-2离合器存在异响的故障原因及排除方法统计表
序号
故障原因
排除方法
1
飞轮的支承轴承卡滞
更换轴承
2
分离轴承损坏或因缺少润滑剂发生干磨
更换轴承
3
离合器从动盘磨损
更换从动盘
4
离合器减振弹簧折断或疲劳失效
更换减振弹簧
5
变速器轴承或齿轮磨损
更换轴承或齿轮
6
膜片弹簧损坏或其支架磨损松动
更换膜片弹簧
7
从动盘摩擦片上铆钉松动或外露
紧固铆钉或调整
8
从动轮毂与从动轴结合处的花键松旷
紧固花键
9
异物混入摩擦表面
清除异物
3.2.2排除方法
先将车子驶到一个安静的地方。
轻微地踩下踏板，认真察听声音。
如果听到“沙沙沙沙”的声音，故障极有可能来源于分离轴承，缺油发生干磨。
那么就要先润滑分离轴承，上油润滑即可消除。
若加油后响声仍不消失，拆下离合器观察孔盖，离合踏板踩到底，继续察听声音，如果听到“哗哗哗”的金属声，甚至伴有火星出现，则大概率是分离轴承损坏；如果听到的是“吭哧”或者“咔咔啦啦”的响声，放松踏板后响声消除，则极有可能是减振弹簧扭曲或断裂、或是从动销与压板孔配合松旷。
如果在刚踩下或刚抬起时察听声音，离合器发出“咔哒咔哒”的碰撞声，或许是从动盘与花键套筒铆接松动；如果还不是，那就将车子加速或减速，仔细听，是否有“咔噔”的一声，这通常是从动盘花键孔与其轴配合松旷，或减振弹簧功能退化、疲劳或折断引起的[17]。
3.3离合器打滑
离合器打滑有以下三种现象：
（1）车辆起步时出现起
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