基于有限元分析的离合器设计Word格式文档下载.docx

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AssociateProf.ZhaoYuyang

HeilongjiangInstituteofTechnology

2009-06·

Harbin

摘要

离合器是汽车传动系统中的重要组成，离合器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。

在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。

本文主要是对轿车的膜片式弹簧离合器进行设计。

根据车辆使用条件和车辆参数，按照离合器系统的设计步骤和要求，主要进行了以下工作：

选择相关设计参数主要为：

摩擦片外径的确定，离合器后备系数的确定，单位压力的确定。

并进行了总成设计主要为：

分离装置的设计，以及从动盘设计和圆柱螺旋弹簧设计等。

并通过有限元软件对设计离合器进行结构分析，根据分析结果对离合器进行改进设计得出合理的设计方案。

关键词：

离合器；

膜片弹簧；

摩擦片；

有限元分析；

设计

ABSTRACT

Theclutchisanintegraloftheautomotivetransmissionsystem,Clutchintheengineandgearboxbetweentheflywheelshell,withscrewwillbefixedintheclutchassemblyaftertheplaneoftheflywheel,clutchgearboxoutputshaftistheinputshaft.Intheprocessofmovingvehicle,thedrivermayneedPedalorreleasetheclutchpedalsothattheengineandgearboxtemporaryseparationandprogressivejoint,tocutofftheengineortransmissiontothetransmissioninputpower.

Thispaperisthesalooncarthecaspringclutchdesign.Accordingtotrafficconditionsandvehicleparameters,inaccordancewiththeclutchsystemofstepsandrequirements,mainlyforthefollowingwork：

Selectthedesignforthemainparameters:

thedeterminationoffriction-diameter,thedeterminingfactorclutchreserve,thepressureontheunitsidentified.Andthedesignofthemainassembly:

theseparationdevicedesign,setdesignandfollowerandcylindricalcoilspringdesign.Andthroughthedesignoffiniteelementsoftwareforstructuralanalysisofclutch,Basedonanalysisresults,theimprovedfrictionaldesign.preferreddesignoption,canthereforebeattained.

Keywords：

Clutch;

Thecaspring;

Frictiondisc;

Finiteelementanalysis;

Design

AbstractⅡ

第1章绪论

1.1课题研究的目的意义

离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件，其主要作用是：

传递和切断发动机传给传动系的动力，以保证汽车的平稳起步、停车和换挡；

当传给离合器的转矩超过它所能传递的最大摩擦转矩时，离合器主、从动部分之间产生滑磨，从而对传动系统起到保护作用。

此外，离合器还可以有效地降低传动系中的振动和噪声。

课题研究对象是应用最广泛的膜片弹簧离合器，具有结构简单紧凑、操纵轻便、传动可靠、传递准确以及效率高等特点。

主要零件包括膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等，这些关键零部件的设计对整个离合器性能具有很大的影响。

传统设计是设计工程师根据自己的理论知识和丰富的工程设计经验首先针对用户的需求进行概念设计，定出结构的类型和形式，选择材料，按规定要求和标准给出受力情况，提出初始设计方案，然后进行结构分析，再根据分析结果进行各个方面的校核;

如果不符合经济和安全的要求，则修改初始设计，再进行结构的重分析，重校核，直到满足为止。

这种设计的一个主要缺点是难以找到材料的合理分布，因而不易做出比较理想的既经济又安全的设计方案。

采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。

在此基础上，再进行离合器设计不但可以获得最佳的离合器基本参数，还可以大大缩短离合器总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。

1.2课题的研究现状

在早期研发的离合器结构中，锥形离合器最为成功。

它的原型设计曾装在1889年德国戴姆勒公司生产的钢制车轮的小汽车上。

它是将发动机飞轮的内孔做成锥体作为离合器的主动件。

采用锥形离合器的方案一直延续到20世纪20年代中叶，对当时来说，锥形离合器的制造比较简单，摩擦面容易修复。

它的摩擦材料曾用过骆毛带、皮革带等。

那时曾出现过蹄-鼓式离合器，其结构有利于在离心力作用下使蹄紧贴鼓面。

蹄-鼓式离合器用的摩擦元件是木块、皮革带等，蹄-鼓式离合器的重量较锥形离合器轻。

无论锥形离合器或蹄-鼓式离合器，都容易造成分离不彻底甚至出现主、从动件根本无法分离的自锁现象。

现今所用的盘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。

多片离合器最主要的优点是，汽车起步时离合器的接合比较平顺，无冲击。

早期的设计中，多片按成对布置设计，一个钢盘片对着一青铜盘片。

采用纯粹的金属的摩擦副，把它们浸在油中工作，能达到更为满意的性能。

浸在油中的盘片式离合器，盘子直径不能太大，以避免在高速时把油甩掉。

此外，油也容易把金属盘片粘住，不易分离。

但毕竟还是优点大于缺点。

因为在当时，许多其他离合器还在原创阶段，性能很不稳定。

石棉基摩擦材料的引入和改进，使得盘片式离合器可以传递更大的转矩，能耐受更高的温度。

此外，由于采用石棉基摩擦材料后可用较小的摩擦面积，因而可以减少摩擦片数，这是由多片离合器向单片离合器转变的关键。

20世纪20年代末，直到进入30年代时，只有工程车辆、赛车和大功率的轿车上才使用多片离合器。

早期的单片干式离合器由与锥形离合器相似的问题，即离合器接合时不够平顺。

但是，由于单片干式离合器结构紧凑，散热良好，转动惯量小，所以以内燃机为动力的汽车经常采用它，尤其是成功地开发了价格便宜的冲压件离合器盖以后更是如此。

实际上早在1920年就出现了单片干式离合器，这和前面提到的发明了石棉基的摩擦面片有关。

但在那时相当一段时间内，由于技术设计上的缺陷，造成了单片离合器在接合时不够平顺的问题。

第一次世界大战后初期，单片离合器的从动盘金属片上是没有摩擦面片的，摩擦面片是贴附在主动件飞轮和压盘上的，弹簧布置在中央，通过杠杆放大后作用在压盘上。

后来改用多个直径较小的弹簧，沿着圆周布置直接压在压盘上，成为现今最为通用的螺旋弹簧布置方法。

这种布置在设计上带来了实实在在的好处，使压盘上的弹簧的工作压力分布更均匀，并减小了轴向尺寸。

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摩擦离合器，因为它具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点，而且由于在结构上采取一定措施，已能做到接合盘式平顺，因此现在广泛采用于大、中、小各类车型中。

如今单片干式离合器在结构设计方面相当完善。

采用具有轴向弹性的从动盘，提高了离合器的接合平顺性。

离合器从动盘总成中装有扭转减振器，防止了传动系统的扭转共振，减小了传动系统噪声和载荷。

随着人们对汽车舒适性要求的提高，离合器已在原有基础上得到不断改进，乘用车上愈来愈多地采用具有双质量飞轮的扭转减振器，能更好地降低传动系的噪声。

对于重型离合器，由于商用车趋于大型化，发动机功率不断加大，但离合器允许加大尺寸的空间有限，离合器的使用条件日酷一日，增加离合器传扭能力，提高使用寿命，简化操作，已成为重型离合器当前的发展趋势。

为了提高离合器的传扭能力，在重型汽车上可采用双片干式离合器。

从理论上讲，在相同的径向尺寸下，双片离合器的传扭能力和使用寿命是单片的2倍。

但受到其他客观因素的影响，实际的效果要比理论值低一些。

近年来湿式离合器在技术上不断改进，在国外某些重型车上又开始采用多片湿式离合器。

与干式离合器相比，由于用油泵进行强制冷却的结果，摩擦表面温度较低（不超过93℃），因此，起步时长时间打滑也不致烧损摩擦片。

查阅国内外资料获知，这种离合器的使用寿命可达干式离合器的5-6倍，但湿式离合器优点的发挥是一定要在某温度范围内才能实现的，超过这一温度范围将起负面效应。

目前此技术尚不够完善。

1.3膜片弹簧离合器的结构及其优点

1.3.1膜片弹簧离合器的结构

膜片弹簧离合总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等部分组成。

1、离合器盖

离合器盖一般为120°

或90°

旋转对称的板壳冲压结构，通过螺栓与飞轮联结在一起。

离合器盖是离合器中结构形状比较复杂的承载构件，压紧弹簧的压紧力最终都要由它来承受。

2、膜片弹簧

膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周表面上开有许多均布的长径向槽，在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔，可以穿过支承铆钉，这部分称之为分离指；

从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其截面为截圆锥形，称之为碟簧部分。

3、压盘

压盘的结构一般是环形盘状铸件，离合器通过压盘与发动机紧密相连。

压盘靠近外圆周处有断续的环状支承凸台，最外缘均布有三个或四个传力凸耳。

4、传动片

离合器接合时，飞轮驱动离合器盖带动压盘一起转动，并通过压盘与从动盘摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动；

在离合器分离时，压盘相对于离合器盖作自由轴向移动，使从动盘松开。

这些动作均由传动片完成。

传动片的两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联接，一般采用周向布置。

在离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转；

在离合器分离时，可利用它的弹性恢复力来牵动压盘轴向分离并使操纵力减小。

5、分离轴承总成

分离轴承总成由分离轴承、分离套筒等组成。

分离轴承在工作时主要承受轴向分离力，同时还承受在高速旋转时离心力作用下的径向力。

目前国产的汽车中多使用角接触推力球轴承，采用全密封结构和高温铿基润滑脂，其端面形状与分离指舌尖部形状相配合，舌尖部为平面时采用球形端面，舌尖部为弧形面时采用平端面或凹弧形端面。

1.3.2膜片弹簧离合器的工作原理

由图1.1可知，离合器盖1与发动机飞轮用螺