轻型货车离合器设计本科学位论文.docx
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轻型货车离合器设计本科学位论文
摘要
离合器装在发动机与变速器之间，汽车从启动到行驶的整个过程中，经常需要使用离合器。
它的作用是使发动机与变速器之间能逐渐接合，从而保证汽车平稳起步；暂时切断发动机与变速器之间的联系，以便于换档和减少换档时的冲击；当汽车紧急制动时能起分离作用，防止变速器等传动系统过载，起到一定的保护作用。
所设计的离合器是膜片弹簧离合器，此设计说明书详细的说明了轻型汽车膜片弹簧离合器的结构形式，参数选择以及计算过程，按照离合器系统的设计步骤和要求，对摩擦片外径
的确定，离合器后备系数
的确定，单位压力
的确定,以及从动盘设计包括从动片设计和从动盘毂设计，主动部分的设计，包括压盘、离合器盖设计、弹性传动片设计，其中离合器盖的设计只是简单的设计，操纵机构的设计是大体上计算出踏板的行程、踏板力，是否符合人体工程学要求。
关键词：
离合器；设计；膜片弹簧；从动盘；压盘；摩擦片
ABSTRACT
Thecouplinginstallsbetweentheengineandthetransmissiongearbox,theautomobilefromthestarttothetravelentireprocess,needstousethecouplingfrequently.Itsfunctioniscausesbetweentheengineandthetransmissiongearboxcanjoingradually,thusguaranteedthattheautomobilestartssteadily;Shutsoffbetweentheengineandtransmissiongearbox'srelationtemporarily,isadvantageousshiftsgearsandreducesshiftsgearsthetimeimpact;Whenautomobileemergencybrakecanplaytheseparationrole,preventstransmissionsystemsandsoontransmissiongearboxtooverload,playscertainprotectivefunction.
Theclutchdesignedisdiaphragmspringclutch,thedesignmanualdetailedtheprocessofthediaphragmspringclutchdesigningoflightvehiclestructure,includingparameterselectionandcalculationprocess,thedeterminationoffrictionplatediameter,back-upclutchcoefficientdeterminationunittodeterminethepressure,aswellasthefollowerplatefollowerpiecedesignincludesthedesignandthedesignofthedrivenwheeldisc,partofthedesignoftheinitiative,includingthepressureplate,Clutchcoverdesign,flexibledrivechipdesign,whichcoveredthedesignoftheclutchisasimpledesign,isdesignedtomanipulatethewholebodyoutofthetrippedal,pedalpower,withtheergonomicrequirements.reversetheshockabsorberofthecoilspringdesign.
Keywords：
Clutch;Design；DiaphragmSpring;DrivenPlate;PressurePlate;FrictionDisc.
第1章绪论
1.1离合器的设计要求
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，保证汽车平稳地起步；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。
为了保证离合器具有良好的工作性能，设计离合器应满足在任何条件下行驶，既能可靠的传递的发动机最大转矩，并有适当的转矩储备,有能防止传动系过载，接合时要完全，平顺，柔和，保证汽车起动时没有抖动和冲击，分离时要迅速，彻底，从动部分转动惯量要小，以减轻换挡时的变速器齿轮间的冲击，便于换挡和减少同步器的磨损；应有足够的吸热能力和良好的通风能力，以保证工作时的温度不致过高，延长其使用寿命；应能避免和衰减传动系的扭转与振动，并且具有吸收振动，缓和冲击和降低噪声的能力；操纵轻便，准确，以减轻驾驶员的疲劳。
作用在从动盘的总压力和摩擦材料的摩擦因数在离合器工作过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能；具有足够的强度与动态平衡，以保证其工作可靠，使用寿命长；结构简单，紧凑，质量小，制造工艺性好，拆装，维修，调整方便等要求。
1.2离合器的工作原理
当离合器工作时，发动机飞轮是离合器的主动部件，带有摩擦片的从动盘和从动盘毂借滑动花键与变速器第一轴（离合器从动轴）相连。
压紧弹簧将从动盘紧在飞轮端面上。
发动机转矩即靠飞轮与从动盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘上，在由此经过变速器的第一轴和传动系统中一系列部件传给驱动轮。
压紧弹簧的压紧力越大，则离合器所能传递的转矩也越大。
由于汽车在行驶过程中需经常保持动力传递，而中断传动只是暂时的需要，所以汽车离合器的主动部分和从动部分应经常处于接合状态。
摩擦副之间采用弹簧作为压紧装置即是为了适应这一要求。
欲使离合器分离时，只要踩下操纵机构中的离合器踏板，套在从动盘毂环槽中的拨叉便拨动从动盘，克服压紧弹簧的压力向右移动而与飞轮分离，摩擦副之间的摩擦力消失，从而中断了动力传递。
当需要重新恢复动力传递时，为使汽车速度和发动机转速的变化比较平稳，应该适当控制放松离合器踏板的速度，使从动盘在压紧弹簧的压力作用下向左移动，与飞轮恢复接触，二者接触面间的压力逐渐增加，相应的摩擦力矩也逐渐增加。
当飞轮和从动盘接合还不紧密，摩擦力矩比较小时，二者可以不同步旋转，即离合器处于打滑状态。
随着飞轮和从动盘接合紧密程度的逐步增大，二者的转速也渐趋相等。
直到离合器完全接合而停止打滑时，汽车速度才与发动机转速成正比。
摩擦离合器所能传递的最大转矩取决于摩擦副间的最大静摩擦力矩，而后者又取决于摩擦间的压紧力、摩擦因数以及摩擦面的数目和尺寸。
因此，对于结构一定的离合器来说，最大静摩擦力矩是一个定值。
当输入转矩达到此值时，则离压合器出现打滑现象，因而限制了传给传动系统的转矩，以防止超载。
由上述工作原理可以看出，摩擦离合器主要由主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。
主、从动部分和压紧机构是保证离合器处于接合状态并能传递动力的基本结构，而离合器的操纵机构主要是使离合器分离的装置。
在保证可靠的传递发动机最大转矩的前提下，离合器的具体结构应能满足主、从动部分分离彻底，接合柔和，从动部分的转动惯量要尽可能小，散热良好，操纵轻便，良好的动平衡等基本性能要求。
1.3离合器的研究内容
早期的离合器结构尺寸大，从动部分转动惯量大，引起变速器换档困难，而且这种离合器在结合时也不够柔和，容易卡住，散热性差，操纵也不方便，平衡性能也欠佳。
本次设计的目的是克服上述困难，使离合器的尺寸减小，便于安装盒布置；减小从动部分的转动惯量，保证换挡容易，使用起来效果更好，而且具有稳定性好、操纵方便等优点。
膜片弹簧离合器，它的转矩容量大且较稳定，操纵轻便，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。
本设计是设计膜片弹簧离合器，在设计中确定出结构方案，再对离合器的各基本参数进行选择计算，设计出各零件，最终设计出适用于轻型货车的离合器。
第2章离合器的主要参数选择
现代各类汽车上应用最广泛的离合器是干式盘形离合器，可按从动盘数目不同、压紧弹簧布置形式不同、压紧弹簧结构形式不同和分离时作用力方向不同分类。
2.1设计参数和结构要求
选定车型的参数在表2.1中有详细描述。
表2.1选定车型的参数
名称
参数
发动机最大功率
75Kw
发动机最大转矩及转速
170N.m/4500r/mm
整备质量
4325kg
主减速比
6.17
变速器低档传动比
5.913
在离合器的结构设计时必须综合考虑以下几点：
（1）保证离合器结合平顺和分离彻底；
（2）离合器从动部分和主动部分各自的连接形式和支承；
（3）离合器轴的轴向定位和轴承润滑；
（4）运动零件的限位，离合器的调整。
2.2从动盘数的选取
对乘用车和最大总质量不超过6t商用车而言，发动机的最大转矩一般不大，在布置尺寸容许条件下，离合器通常只设有一个从动盘，本设计选取单片干式摩擦离合器，因为这种结构的离合器结构简单，调整方便，轴向尺寸紧凑，分离彻底，从动件转动惯量小，散热性好，采用轴向有弹性的从动盘结合平顺，广泛用于轿车及微、中型客车和货车上，在发动机转矩不大于1000N.m的大型客车和重型货车上也有所推广。
2.3压紧弹簧的结构形式及布置
离合器的压紧弹簧布置有：
沿圆周布置、中央布置、和斜置等布置形式。
本设计所选取的是膜片弹簧离合器。
作为压紧弹簧的所谓膜片弹簧，是由弹簧钢冲压成的，具有“无底碟子”形状的截锥形薄壁膜片，且自其小端在锥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。
膜片弹簧的两侧有支承圈，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，后支承圈则压膜片弹簧使其产生弹性变形，锥顶角变大，甚至膜片弹簧几乎变平，图2.1描述了膜片弹簧离合器的工作原理，同时在膜片弹簧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，分离轴承前移膜片弹簧压前支承圈并以其作为支点发生反锥形的转变，使膜片弹簧大端后移，并通过分离钩拉动压盘移到膜后移使离合器分离。
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，膜片弹簧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，膜片弹簧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，摩擦均匀，也易于实现良好的通风散热等。
（a）自由状态；（b）压紧状态；（c）分离状态
图2.1膜片弹簧离合器的工作原理图
膜片弹簧的安装有正装和反装。
正装应用于压式操纵机构，即离合器分离时膜片弹簧弹性杠压杆内端的分离指处是承受压力。
反装应用于拉式操纵机构，将支承圈在膜片弹簧的大端附近，原理如图2.2（b）,使结构简化，零件减少、装拆方便；膜片弹簧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，原理如图2.2（a）,设计选用压式操纵机构，即膜片弹簧正装。
（a）一般压式操纵（b）拉式操纵
图2.2拉式操纵机构与压式操纵机构的原理
2.4压盘的驱动方式
压盘是离合器的主动部分，在传递发动机转矩时它和飞轮一起带动从动盘转动，在不传递扭矩时，又应能够与从动盘脱离接触，所以这种连接应允许压盘在离合器分离过程中能自由的作轴向移动。
压盘与飞轮的连接方式或驱动方式有：
凸块—窗孔式、传力销式、键式以及弹性传动片式等多种。
如图2.3,近年来广泛采用弹性传动片式。
因为其他方式有一个共同的缺点，即连接之间有间隙。
这样在传动时将产生冲击和噪声，甚至可能导致凸块根部产生裂纹而造成零件的早期破坏。
另外，在离合器分离时，由于零件间的摩擦将降低离合器操纵部分的传动效率。
弹性传动片是由薄弹簧钢冲压而成（见图2.4e），其一端铆在离合器盖上，另一端用螺钉固定在压盘上，且一般用3~4组（每组2~3片）沿圆周切向布置以改善传动片的受力状况，这时，当发动机传动片时受拉，当由车轮滑行时反转受压。
这种利用传动片驱动压盘的方式不紧消除了上述缺点，而且简化了结构，降低了对装配精度的要求且有利于压盘的定中。
所以该离合器采用弹性传动片。
a—凸块窗孔式；b—键齿式；c—传力销式；d—键槽—指销式；e—弹性传动片式
图2.3压盘的驱动方式
2.5分离轴承的类型
分离轴承总成由分离轴承、分离套筒等组成。
分离轴承在工作中主要承受轴向力，在分离离合器时由于分离轴承旋转产生离心力，形成其径向力。
故离合器的分离轴承主要有径向止推轴承和止推轴承两种。
前者适合于高速低轴向负荷，后者适合于相反情况.常用含润滑油脂的密封止推球轴承;小型车有时采用含油石墨止推滑动轴承。
分离轴承与膜片弹簧之间有沿圆周方向的滑磨，当两者旋转中不同心时也伴有径向滑磨。
为了消除因不同心导致的磨损并使分离轴承与膜片弹簧内端接触均匀，膜片弹簧离合器广泛采用自动调心式分离装置结构原理如图2.4。
它有旋转轴承，轴承罩，波形片簧如图2.4中2，它由厚约为0.7㎜的65Mn钢带制成，油淬、模内回火度HRC43～51）及分离套筒组成。
由于轴承与套筒间都留有足够径向间隙以保证分离轴承相对于分离套筒可以径向移动1mm左右，所以当膜片相对分离套筒有偏斜时，由于波形片簧能够产生变形，允许分离轴承产生相对的偏斜，以保证膜片弹簧仍能被均匀的压紧，也防止了膜片弹簧分离指处的异常磨损并减少了噪音。
另外由于分离指与直径较小的轴承内圈接触，则增大了膜片弹簧的杠杆比。
分离套筒支撑着分离轴承并位于变速器第一轴轴承盖的轴颈上，可以轴向移动。
分离器结合后，分离轴承与分离杠杆之间一般有3~4mm间隙，以免在摩擦片磨损后引起压盘压力不足而导致离合器打滑使摩擦片以及分离轴承烧坏。
此间隙使踏板有段自由行程。
有的轿车采用无此间隙的内圈恒转式结构，用轻微的油压或弹簧力使分离轴承与杠杆端（多为膜片弹簧）经常贴合，以减轻磨损和减少踏板行程。
本设计采用自动调心分离轴承，其结构如图2.4所述。
1—分离轴承；2—波形弹簧；3—分离轴承罩；4—分离套筒
图2.4动调心轴承装置
2.6本章小结
本章根据车型的参数，对离合器的结构进行选择，包括从动盘数目干湿的选择，压紧弹簧的分布形式选择，压盘的驱动方式，分离轴承的类型等。
第3章离合器基本参数的确定
本章主要是对离合器的结构参数，如摩擦片内外径、后备系数单位工作压力等进行计算与确定，从而得到与符合设计的离合器参数。
3.1离合器基本参数的确定
离合器的基本参数主要有性能系数
和单位压力P,尺寸D、d和摩擦片厚度以及结构参数摩擦片面数Z和摩擦因数f等组成。
3.1.1后备系数的选取
后备系数
是离合器设计中的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度，同时它有助于减少汽车起步时的滑磨，提高了离合器的使用寿命。
但为了离合器的尺寸不致过大，减少传递系的过载，使操纵轻便等，后备系数又不宜过大。
在开始设计离合器时一般是参照统计质料，并根据汽车的使用条件，离合器结构形式等特点，初步选定后备系数
。
汽车离合器的后备系数的推荐值：
乘用车及最总大质量小于6t的商用车：
=1.20~1.75；
最大总质量为6~14t的商用车:
=1.50~2.25；
挂车:
=1.80~4.00。
本设计的是轻型载重货车用离合器，根据其质量与后背功率选定其后备系数
=1.5。
3.1.2单位压力的确定
单位压力P决定了摩擦表面的耐磨性，对离合器工作性能和使用寿命有很大影响，选取时应考虑离合器的共走条件、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及质量和后备系数等因素。
离合器使用频繁,工作条件比较恶劣,单位压力P较小为好。
当摩擦片的外径较大时也要适当降低摩擦片摩擦面上的单位压力P。
因为在其它条件不变的情况下，由于摩擦片外径的增加，摩擦片外缘的线速度大，滑磨时发热厉害，再加上因整个零件较大，零件的温度梯度也大，零件受热不均匀，为了避免这些不利因素，单位压力P应随摩擦片外径的增加而降低。
根据初选
=1.50运用公式（3.1）可以校核单位压力P：
T
=
PD
（1－
）
（3.1）
式中：
Z
对单片离合器取2；
为摩擦系数，可取
=0.25；
代入相关数据则得：
P=0.209MP。
又由表3.1中的查得：
石棉基材料（在后面设计中，摩擦片材料选择石棉基材料）单位压力[p]=0.15~0.25Mpa，也即是摩擦面上的单位压力P＜[P],没有超出允许范围。
因此上述各基本结构参数合适。
表3.1摩擦片单位压力
的取值范围
摩擦片材料
单位压力
/Mpa
石棉基材料
模压
0.15~0.25
编织
0.25~0.35
粉末冶金材料
铜基
0.35~0.50
铁基
金属陶瓷
0.70~1.50
3.1.3摩擦片外径、内径及厚度的确定
摩擦片的外径是离合器的重要参数，它对离合器的轮廓尺寸、质量和使用寿命有决定性的影响。
在确定外径时，可以根据以下经验公式（3.2）计算出：
D=
100
（3.2）
式中:
D——摩擦片外径，mm；
T
——发动机最大扭矩，N.m；
A——和车型及使用条件有关的常数。
将数据：
T
=170N.m，货车单片摩擦离合器A=46,代入式（3.1），则得：
D=229.97mm。
根据离合器摩擦片的标准化，系列化原则，由表3.2“离合器摩片尺寸系列和参数”获得有关摩擦片内外径的标准尺寸：
外径D=225㎜，径d=150mm厚度h=3.5mm内径与外径比值C′=0.667。
表3.2离合器摩擦片尺寸系列和参数
外径D/㎜
160
180
200
225
250
280
300
325
350
380
405
430
内径d/㎜
110
125
140
150
155
165
175
190
195
205
220
230
厚度/㎜
3.2
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
4
4
4
4
=d/D
0.687
0.694
0.700
0.667
0.589
0.583
0.585
0.557
0.540
0.543
0.535
0.532
1－
0.676
0.667
0.657
0.703
0.762
0.796
0.802
0.800
0.827
0.843
0.840
0.847
单位面积/
106
132
160
221
302
402
466
546
678
729
908
1037
3.1.4摩擦因数、摩擦面数和离合器间隙的选择
摩擦片的摩擦因数
取决于摩擦片所用的材料及其工作温度、单位压力和滑磨速度等因素。
摩擦片的材料主要有石棉基材料、粉末冶金材料和金属陶瓷材料等。
本设计采用石棉纤维编织，摩擦因数
=0.25。
摩擦面数Z为离合器从动盘数的两倍，决定于离合器所需传递转矩的大小及结构尺寸。
本设计为单片离合器设计，所以摩擦面数Z=2。
离合器间隙△t是指离合器处于正常接合状态，分离套筒被回位弹簧拉到后极限位置时，为保证摩擦片正常磨损过程中离合器仍能完全接合，在分离轴承和分离杠杆内端之间留有的间隙，该间隙一般为3~4mm。
3.2本章小结
本章根据公式计算出摩擦片的内外径尺寸，由标准尺寸表中选出合适的尺寸。
同时对离合器的后备系数、单位压力、摩擦因数、摩擦面数等进行选取和计算，找出适用于离合器的参数。
第4章离合器从动盘设计
离合器从动盘是离合器的从动部分，与变速器输入轴相连，动力最终经过从动盘传到变速器输入轴上。
从动盘对离合器的工作性能有着很重要的作用，是离合器不能缺少的一部分。
4.1从动盘结构总成和设计
从动盘是离合器的从动部分，主要由摩擦片，从动片，从动盘毂等组成。
图4.1具体说明了离合器从动盘的结构，由下图4.1可以看出，摩擦片1，10分别用铆钉铆在波形弹簧片上，而后者又和从动片铆在一起。
从动片3用限位销5和减振盘9铆在一起。
这样，摩擦片，从动片和减振盘三者就被连在一起了。
在从动片3和减振盘9上圆周切线方向开有6个均布的长方形窗孔，在在从动片和减振盘之间的从动盘毂6法兰上也开有同样数目的从动片窗孔，在这些窗孔中装有减振弹簧8，以便三者弹性的连接起来。
在从动片和减振盘的窗孔上都制有翻边，这样可以防止弹簧滑脱出来。
在从动片和从动盘毂之间还装有减振摩擦片4。
当系统发生扭转振动时，从动片及减振盘相对从动盘毂发生来回转动，系统的扭转能量会很快被减振摩擦片的摩擦所吸收。
1，10—摩擦片；2波形弹簧片；3—从动盘钢片；4—摩擦阻尼片；
5—铆钉；6从动盘毂；7—调整垫片；8—减震弹簧；9—减震盘
图4.1从动盘总成图
4.1.1从动片的选择
从动片要求质量轻，具有轴向弹性，硬度高，平面度要求高。
这是因为汽车在行驶中进行换档时，首先要分离离合器，从动盘的转速必然要在离合器换档的过程中发生变化，或是增速（由高档换为低档）或是降速（由低档换为高档）。
离合器的从动盘转速的变化将引起惯性力，而使变速器换档齿轮之间产生冲击或使变速器中的同步装置加速磨损。
惯性力的大小与冲动盘的转动惯量成正比，因此为了见效转动惯量，从动片都做的比较薄，通常是用1.3~2.0㎜厚的薄钢板冲压而成,为了进一步减小从动片的转动惯量,有时将从动片外缘的盘形部分磨至0.65～1.0㎜,使其质量更加靠近旋转中心。
为了使离合器结合平顺，保证汽车平稳起步，单片离合器的从动片一般都作成具有轴向弹性的结构，这样，在离合器的结合过程中，主动盘和从动盘之间的压力是逐渐增加的，从而保证离合器所传递的力矩是缓和增长的。
此外，弹性从动片还使压力的分布比较均匀，改善表面的接触，有利于摩擦片的磨损。
具有轴向弹性的的传动片有以下三种形式：
整体式的弹性从动片，分开式的弹性从动片、及组合式弹性从动片。
在本设计中，因为设计的是轻型货车的离合器，故可以采用整体式弹性从动片，图4.2说明了整体式从动片的结构，离合器从动片采用2㎜厚的的薄钢板冲压而成，其外径由摩擦面外径决定，在这里取D=225㎜，内径由从动盘毂的尺寸决定，由以后的设计取得d=43㎜。
为了防止由于工作温度升高后使从动盘产生翘曲而引起离合器分离不彻底的缺陷，还在从动刚片上沿径向开有几条切口。
由于其采用整体式弹性从动片，从动片沿半径方向开槽,其结构简图见下图4.2,将外圆部分分割成许多扇形,并将扇形部分冲压成依次向
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