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汽车离合器设计与计算可编辑
汽车离合器设计与计算（可编辑）
汽车离合器设计与计算
第1章绪论
1.1引言
以内燃机在作为动力的机械传动汽车中,离合器是作为一个独立的总成而存在的。
离合器通常装在发动机与变速器之间,其主动部分与发动机飞轮相连,从动部分与变速器相连。
为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器,实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。
离合器的主要功用是切断和实现发动机与传动系平顺的接合,确保汽车平稳起步;在换挡时将发动机与传动系分离,减少变速器中换档齿轮间的冲击;在工作中受到较大的动载荷时,能限制传动系所承受的最大转矩,以防止传动系个零部件因过载而损坏;有效地降低传动系中的振动和噪音。
1.2离合器的发展
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与发动机飞轮用螺栓紧固在一起,当膜片弹簧3被预加压紧,离合器处于接合位置时,由于膜片弹簧大端对压盘5的压紧力,使得压盘与从动盘6摩擦片之间产生摩擦力。
当离合器盖总成随飞轮转动时构成离合器主动部分,就通过摩擦片上的摩擦转矩带动从动盘总成和变速器一起转动以传递发动机动力
（1）接合位置
（2）分离位置
1-离合器盖2-铆钉3-膜片弹簧4-支撑环5-压盘
6-摩擦片7-分离轴承总成8-离合器踏板9-输出轴
图1.1膜片弹簧离合器的工作原理图
要分离离合器时,将离合器踏板8踏下,通过操纵机构,使分离轴承总成7前移推动膜片弹簧分离指,使膜片弹簧呈反锥形变形,其大端离开压盘,压盘在传动
片的弹力作用下离开摩擦片,使从动盘总成处于分离位置,切断了发动机动力的传递。
1.3.3膜片弹簧离合器的优点
膜片弹簧离合器与其他形式离合器相比,具有一系列优点:
1、膜片弹簧离合器具有较理想的非线性弹性特性;
2、膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用,结构简单、紧凑,轴向尺寸小,零件数目少,质量小;
3、高速旋转时,弹簧压紧力降低很少,性能较稳定;
4、膜片弹簧以整个圆周与压盘接触,使压力分布均匀,摩擦片接触良好,磨损均匀;
5、易于实现良好的通风散热,使用寿命长;
6、膜片弹簧中心与离合器中心线重合,平衡性好。
1.4设计内容
1、压盘设计。
2、离合器盖设计。
3、从动盘总成设计。
4、膜片弹簧设计。
1.5Pro/E软件的特点
Pro/Engineer是美国PTC公司开发的一套机械CAD/CAE/CAM集成软件,其技术领先,在机械、电子、航空、邮电、兵工、仿真等各行各业都有应用,在CAD/CAE/CAM领域中处于领先地位。
它集零件设计、大型组件设计、钣金设计、造型设计、模具开发、数控加工、运动分析、有限元分析、数据库管理等功能于
一身,具有参数化设计,特征驱动,单一数据库等特点,大大加快了产品开发速度。
本设计使用的Pro/EngineerWildfire3.0是Pro/Engineer的最新版本,其功能较以前的版本有了很大的提高,而且操作界面也更为好用,可以大大提高技术人员的工作效率。
1.6方案选择
本车设计采用单片膜片弹簧离合器。
本车采用的摩擦式离合器是因为其结构简单,可靠性强,维修方便,目前大多数汽车都采用这种形式的离合器。
而采用干式离合器是因为湿式离合器大多是多盘式离合器,用于需要传递较大转矩的离合器,而该车型不在此列。
采用膜片弹簧离合器是因为膜片弹簧离合器具有很多优点:
首先,由于膜片弹簧具有非线性特性,因此可设计成当摩擦片磨损后,弹簧压力几乎可以保持不变,且可减轻分离离合器时的踏板力,使操纵轻便;其次,膜片弹簧的安装位置对离合器轴的中心线是对的,因此其压力实际上不受离心力的影响,性能稳定,平衡性也好;再者,膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用,使离合器的结构大为简化,零件数目减少,质量减小并显著地缩短了其轴向尺寸;另外,由于膜片弹簧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,磨损均匀,也易于实现良好的散热通风等。
由于膜片弹簧离合器具有上述一系列的优点,并且制造膜片弹簧的工艺水平也在不断地提高,因而这种离合器在轿车及微型、轻型客车上已得到广泛的采用,而且逐渐扩展到载货汽车上。
从动盘选择单片式从动盘是一位其结构简单,调整方便。
压盘驱动方式采用传动片式是因为其没有太明显的缺点且简化了结构,降低了装配要求又有利于压盘定中。
选择拉式离合器是因为其较拉式离合器零件数目更少,结构更简化,轴向尺寸更小,质量更小;并且分离杠杆较大,使其踏板操纵力较轻。
综上本次设计选择单片拉式膜片弹簧离合器。
第2章基本尺寸参数选择
2.1离合器基本性能关系式摩擦片或从动盘的外径是离合器的重要参数,它对离合器的轮廓尺寸有决定性的影响,并根据离合器能全部传递发动机的最大转矩来选择。
为了能可靠地传递发动机最大转矩,离合器的静摩擦力矩应大于发动机最大转矩,而离合器传递的摩擦力矩又决定于其摩擦面数Z、摩擦系数f、作用在摩擦面上的总压紧力P?
与摩擦片平均摩擦半径Rm,即（2.1）
式中:
?
离合器的后备系数,见下表。
?
摩擦系数,计算时一般取0.25~0.30。
该车型发动机最大转矩为190N?
m,取摩擦系数为3.0可得离合器的静摩擦力矩为N?
m[1]。
2.2后备系数的选择
离合器的后备系数,选择时应考虑摩擦片磨损后仍能传递及避免起步时滑磨时间过长;同时应考虑防止传动系过载及操纵轻便等。
表2.1后备系数表
车型轿车轻型货车中、重型货车越野车牵引车
后备系数1.30~1.751.60~2.252.0~3.5
本设计是基于长城赛弗F1汽车的离合器设计,该车型属于越野车类型,故选择本次设计的后背系数β在2.0~3.5之间选择。
因为该车型为城市越野车,不需要太大的后备系数,取2.0。
2.3摩擦片外径的确定
摩擦片外径是离合器的基本尺寸,它关系到离合器的结构重量和使用寿命,它和离合器所需传递的转矩大小有一定关系。
显然,传递大的转矩,就需要大
的尺寸。
发动机转矩是重要的参数,当按发动机最大转矩来确定D时,可以查表
2.2来确定摩擦片外径D的尺。
表2.2离合器尺寸选择参数表
摩擦片外径D/mm发动机最大转矩Te/N?
m
单片离合器双片离合器重负荷中等负荷极限值
225?
130150170
250?
170200230
280?
240280320
300?
260310360
325?
320380450
350?
410480550
380?
510600700
410?
620720830
430350680800930
4503808209501100
所选的尺寸D应符合有关标准JB1457-74的规定。
表2.2给出了离合器
摩擦片的尺寸系列和参数。
另外,所选的D应符合其最大圆周速度不超过
65~70m/s的要求,且重型汽车不应超过50m/s。
表2.3离合器摩擦片尺寸系列和参数
外径内径厚度内外径之比单位面积
1601103.20.68710600
1801253.50.69413200
2001403.50.70016000
2251503.50.66722100
2501553.50.62030200
2801653.50.58940200
3001753.50.58346600
3251903.50.58554600
35019540.55767800
38020540.54072900
根据发动机参数该车型发动机最大转矩Te为190N?
m及表2.1可查出本车将使用单片式离合器,且离合器摩擦片外径为250mm。
再查表2.3即可得到摩擦片的具体参数,如下:
摩擦片外径D250mm
摩擦片内径d155mm
摩擦片厚度h3.5mm
摩擦片内外径比d/D0.620
单面面积F30200mm2
2.4摩擦片的Pro/E绘图过程
首先画出一个环形的盘体,先建立一个平面的俯视图样如图2.1所示,再将其拉伸成体如图2.2所示。
然后在盘体上剪切出孔如图2.3所示并进行阵列如图2.4所示。
图2.1摩擦片Pro/E建立过程1
图2.2摩擦片Pro/E建立过程2
图2.3摩擦片Pro/E建立过程3
图2.4摩擦片Pro/E建立过程4
2.5本章小结
本章对离合器的摩擦片进行了设计选择,确定了离合器摩擦片的外径尺寸,对以后其他多个部件总成的外形尺寸选择起了决定作用。
通过对摩擦片这个零件的设计选择,还可以间接确定离合器的外形尺寸等。
第3章主动部分设计
3.1压盘设计
3.1.1压盘参数的选择和校核
压盘形状较复杂,要求传热性好、具有较高的摩擦系数及耐磨。
故通常由灰铸铁HT200铸成,金相组织呈珠光体结构,硬度HB170~227。
另外可添加少量金属元素如镍、铁、锰合金等以增强其机械强度。
压盘的外径可根据摩擦片的外径
由结构确定。
为了使每次接合的温升不致过高,压盘应具有足够大的质量以吸收热量;为了保证在受热情况下不致翘曲变形,压盘应具有足够大的刚度且一般都较厚载货汽车的离合器压盘,其厚度一般不小于15mm。
此外,压盘的结构设计还应注意其通风冷却要好,例如在压盘体内铸出导风槽。
压盘的厚度初步确定后,应校核离合器一次接合的温升不应超过8?
~10?
温升τ的校核按式为:
τγL/mc（3.1）
式中:
γ?
传到压盘的热量所占的比率。
对单片离合器,γ0.5;
m?
压盘的质量,kg;
c?
压盘的比热容,铸铁的比热容为?
;
L?
滑磨功,J。
若温升过高,可适当增加压盘的厚度。
压盘单件的平衡精度应不低于15~20g?
cm。
选择压盘厚度为20mm,外径255mm,内径150mm。
代入公式（3.1）进行校核计算,τ6.732?
符合标准[2,3]。
3.1.2压盘的Pro/E绘图过程
首先画出压盘的盘体部分如图3.1所示再在盘体上画出突起并进行阵列如图3.2所示,最后画出凸耳如图3.3所示。
图3.1压盘Pro/E建立过程1
图3.2压盘Pro/E建立过程2
图3.3压盘Pro/E建立过程3
3.2离合器盖设计
一般采用厚2.5~5mm的低碳钢钢板冲压制造。
离合器盖的形状和尺寸由
离合器的结构设计确定。
在设计时要特别注意的是刚度、对中、通风散热等问题。
离合器盖的刚度不够,会产生较大变形,这不仅会影响操纵系统的传动效率,还可能导致分离不彻底、引起摩擦片早期磨损,甚至使变速器换档困难。
离合器盖内装有压盘、分离杠杆、压紧弹簧等,因此,其对于飞轮轴线的对中十分重要。
对中方式可采用定位销或定位螺栓以及止口对中。
为了加强通风散热和清除摩擦片的磨损粉末,在保证刚度的前提下,可在离合器盖上设置循环气流的入口和出口,甚至将盖设计成带有鼓风叶片的结构。
本设计离合器盖要求离合器盖内径大于离合器摩擦片外径,能将其他离合器上的部件包括其中即可[4]。
3.3传动片设计
压盘与飞轮通过弹性传动片连接时,则传动片应进行拉伸应力的强度校核;若通过凸块一窗孔、传力销或键连接时,则应进行挤压应力的强度校核:
（3.2）
式中:
?
考虑发动机转矩分配到压盘上的比例系数,单片离合器取;
?
力的作用半径见图3.4,m;
?
工作元件例凸块一窗孔、传动销、键的数目,这里取3组每组4片;
?
接触面积,mm2,这里取长为65mm,宽为20mm,所以F1300mm2。
计算得15.22符合标准[5]。
1-传力装置;2-分离杠杆中间支承;3-支承叉;4-调整螺母
图3.4压盘及分离杠杆计算用图
3.4本章小结
本章对离合器主动件进行了设计、计算、选择及校核。
主动件包括离合器盖、压盘等。
这些部件都是给离合器传递扭矩的部件,他们共同的特点是都要有良好的散热能力,有能有效把在主动部分的热传递出去的能力。
这些部件总成都是符合标准的部件,经过严格的校核计算,可以符合使用的标准,满足使用的需要。
第4章从动盘总成设计
4.1摩擦片设计
离合器表面片在离合器接合过程中将遭到严重的滑磨,在相对很短的时间内产生大量的热,因此,要求面片应有下列一些综合性能:
1、在工作时有相对较高的摩擦系数;
2、在整个工作寿命期内应维持其摩擦特性,步希望出现,摩擦系数衰退现象;
3、在短时间内能吸收相对高的能量,且有好的耐磨性能;
4、能承受较高的压盘作用载荷,在离合器接合过程中表现出良好的性能;
5、能抵抗高转速下大的离心力载荷而不破坏;
6、在传递发动机转矩时,有足够的剪切强度;
7、具有小的转动惯量,材料加工性能良好;
8、在整个正常工作温度范围内,和对偶材料压盘、飞轮等有良好的兼容摩擦性能;
9、摩擦副对偶面有高度的溶污性能,不易影响它们的摩擦作用;
10、具有良好的性能/价格比,不会污染环境。
鉴于以上各点,近年来,摩擦材料的种类增长极快。
挑选摩擦材料的基本
原则是:
1、满足较高性能标准;
2、成本最小;
3、考虑代替石棉。
本设计离合器摩擦片选用金属陶瓷材料。
它是由金属机体、陶瓷成分和润滑剂组成的一种多元复合材料。
金属基体的主要作用是以机体接合方式将陶瓷成分和润滑剂保持其中,形成具有一定机械强度的整体;陶瓷组分主要起摩擦剂作用;而润滑剂组分则主要起提高材料抗咬合性和抗战粘性的润滑作用,并使摩擦副工作平稳。
润滑剂组分和陶瓷组分一起共同形成金属陶瓷摩擦磨损性能调节剂。
这种材料能和好的的完成上边提到的各种要求,所以选择这种材料。
摩擦片的尺寸参数在第2.3节中已经查表得出,不再叙述[6]。
4.2从动盘毂设计
从动盘毅的花键孔与变速器第一轴前端的花键轴以齿侧定心矩形花键的动配合相联接,以便从动盘毅能作轴向移动。
花键的结构尺寸可根据从动盘外径和发动机转矩按GB1144-74选取见表4.1。
从动盘毅花键孔键齿的有效长度约为花键外径尺寸的1.0~1.4倍上限用于工作条件恶劣的离合器,以保证从动盘毅沿轴向移动时不产生偏斜。
表4.1GB1144-74
从动盘外径D/mm发动机转矩/Nm花键
齿数
n花键
外径
D/mm花键
内径
d/mm键齿宽
b/mm有效
齿长
l/mm挤压
应力
/MPa
16050102318320101807010262132011.820011010292342511.322515010322643011.525020010352843510.428028010353244012.730031010403254010.732538010403254511.635048010403255013.238060010403255515.241072010453656013.143080010453656513.545095010524166512.5
花键尺寸选定后应进行挤压应力MPa及剪切应力τjMPa的强度校核:
（4.1）（4.2）
式中:
?
分别为花键外径及内径,mm;
n?
花键齿数;
b?
分别为花键的有效齿长及键齿宽,mm;
z?
从动盘毅的数目;
?
发动机最大转矩,Nmm。
从动盘毅通常由40Cr,45号钢、35号钢锻造,并经调质处理,HRC28~32。
由表4.1选取得:
花键齿数n10;
花键外径D35mm;
花键内径D28mm;
键齿宽b4mm;
有效齿长l35mm;
挤压应力10.4MPa;
校核19.342MPa;
8.324MPa符合强度得要求。
4.3从动片设计从动片通常用1.3~2.0mm厚的钢板冲压而成。
有时将其外缘的盘形部分磨薄至0.65~1.0mm,以减小其转动惯量。
从动片的材料与其结构型式有关,整体式即不带波形弹簧片的从动片,一般用高碳钢50或85号钢或65Mn钢板,热处理硬度HRC38~48;采用波形弹簧片的分开式或组合式从动片,从动片采用08钢板,氰化表面硬度HRC45,层深0.2~0.3mm;波形弹簧片采用65Mn钢板,
热处理硬度HRC43~51。
4.4扭转减振器设计
4.4.1扭转减振器的功能
为了降低汽车传动系的振动,通常在传动系中串联一个弹性一阻尼装置,它就是装在离合器从动盘上的扭转减振器。
其弹性元件用来降低传动系前端的扭转刚度,降低传动系扭振系统三节点振型的固有频率,以便将较为严重的扭振车速移出常用车速范围当然,在实际中要做到这一点是非常困难的;其阻尼元件用来消耗扭振能量,从而可有效地降低传动系的共振载荷、非共振载荷及噪声[7]。
4.4.2扭转减振器的结构类型的选择
图4.1给出了几种扭转减振器的结构图,它们之间的差异在于采用了不同的弹性元件和阻尼装置。
采用圆柱螺旋弹簧和摩擦元件的扭转减振器见图4.1a-d得到了最广泛的应用。
在这种结构中,从动片和从动盘毅上都开有6个窗口,在每个窗口中装有一个减振弹簧,因而发动机转矩由从动片传给从动盘毅时必须通过沿从动片圆周切向布置的弹簧,这样即将从动片和从动盘毅弹性地连接在一起,从而改变了传动系统的刚度。
当6个弹簧属同一规格并同时起作用时,扭转减振器的弹性特性为线性的。
这种具有线性特性的扭转减振器,结构较简单,广泛用于汽油机汽车中。
当6个弹簧属于两种或三种规格且刚度由小变大并按先后次序进人工作时,则称为两级或三级非线性扭转减振器
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