膜片弹簧离合器设计.docx

1、膜片弹簧离合器设计 目 录第1章 绪论.1 1.1 引言.11.2 离合器的发展.21.3 膜片弹簧离合器的结构及其优点.21.4 设计内容41.5 Pro/E软件的特点.4第2章 方案论证.52.1 离合器车型的选定.52.2 方案选择.5第3章 设计计算及参数的选择. 63.1 离合器主要参数的选择.63.2 膜片弹簧设计.93.3 离合器盖总成设计.133.4 离合器主要零件的设计计算.15致谢.19参考文献.20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

2、。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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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。1.5 Pro/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

13、、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/Engineer Wildfire3.0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。第2章 方案论证2.1 离合器车型的选定该车主要参数如下表：表2-1 离合器设计主要参数使用工况乡间总质量（kg）9550发动机型号Ca6102发动机最大转矩（Nm/(r/min)）373/1300变速器一档传动比7.640主减速器传动比5.77驱动轮类型与规格8.

14、25-202.2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

15、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

16、较轻。综上本次设计选择单片拉式膜片弹簧离合器。第3章 设计计算及参数的选择3.1 离合器主要参数的选择离合器摩擦片在性能上应满足如下要求：1） 摩擦因数较高且稳定，工作温度、单位压力、滑磨速度的变化对其影响要小；2） 有足够的机械强度与耐磨性；3） 密度小，以减小从动盘的转动惯量；4） 热稳定性好，在高温下分离出的粘合剂少，无味，不易烧焦；5） 磨合性能好不致刮伤飞轮和压盘表面；6） 接合时应平顺，不产生“咬合”或“抖动”现象；7） 长期停放后，摩擦面不发生“粘着”现象。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

17、地传递发动机的最大的转矩Temax，离合器的静摩擦力矩TC应大于发动机的最大转矩Temax，而离合器传递的最大静摩擦力矩TC又取决于其摩擦面数Z、摩擦系数f、作用在摩擦面上的总压紧力P与摩擦片平均半径RC，即=式中离合器的后备系数离合器的基本参数主要有性能参数有后备系数和单位压力参数P0，尺寸参数D和d及摩擦片厚度。3.11后备系数后备系数是离合器设计时用到的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机转矩的可靠程度。在选择时应考虑以下几点：1) 摩擦片在使用中磨损后，离合器还应能可靠地传递发动机的最大转矩；2) 要防止离合器滑磨过大；3) 要能防止传动系过载。显然，为了可靠地传递发动机最大转矩和防

18、止离合器滑磨过大，不宜选取太小；为了使离合器尺寸不致过大，减少传动系过载，保证操纵轻便，又不能选取太大；当发动机后备功率较大，使用条件较好时，可选择小些；当使用条件恶劣，需要拖带挂车时，为提高起步能力，减少离合器磨损，应选取大些；货车总质量越大，也应选得越大；采用柴油机时，由于工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的值应比汽油机大些；发动机缸数越多，转矩波动越小，可选取小些；膜片弹簧离合器由于摩擦片磨损后压力保持较稳定，选取的值可以比螺旋弹簧的小些；双片离合器的值应大于单片离合器。各类汽车值的选取范围通常为：轿车和微型车、轻型货车=1.201.75中型和重型货车=1.502.25越野车、带拖挂的重型

19、汽车和牵引汽车=1.804.00根据上述原因及所选车型，选取=1.8。3.1.2摩擦片外径D、内径d和厚度h的确定摩擦片外径是离合器的重要尺寸之一，它直接影响离合器所能传递的转矩大小，也关系到离合器的结构重量和使用寿命。在确定尺寸D时，发动机最大转矩参数必须是已知的。在结构空间允许的情况下，尽量选用比较大的D尺寸，这样既可保证使用性能，也可提高离合器的使用寿命。初步确定D的方法有两种。按发动机的最大转矩(N.m)来初选D,可参考下列公式D=100首先确定离合器的基本结构为单片式，系数K反映了不同结构和使用条件对D的影响，根据前面的该车基本数据可知该车为一般载货车，所以K=36，且=373 N/

20、m带入数据可得D=321.88 mm在结构空间允许的情况下，尽量选用比较大的D尺寸，这样既可保证使用性能，也可提高离合器的使用寿命。所以D=325 mm摩擦片尺寸D应符合有关标准（JB1457-74），的规定，表3-1给处了离合器摩擦片的尺寸系列和参数。表3-1 离合器摩擦片尺寸系列和参数外径D（mm）内径d(mm)厚度h（mm）内外径之比d/D单位面积F（mm2）3251903.50.585546所以由所计算的D值去参照表3-1，最后选定摩擦片的尺寸为下表：表3-2选定的摩擦片的尺寸外径D（mm）内径d(mm)厚度h(mm)C=1-单位面积F（mm）3251903.50.5850.80054

21、63.1.3单位压力P0单位压力对离合器工作性能和使用寿命有很大的影响，选取时应考虑离合器的工作条件，包括发动机的后备功率大小，摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。离合器使用频繁，发动机后备系数较小时，应取小些；当摩擦片外径缴大时，为了降低摩擦片外缘处的热负荷，应取小些；后备系数较大时，可适当增大。当摩擦片采用不同材料时，按下列范围选取：石棉基材料： =0.100.35MPa粉末冶金材料： =0.350.60MPa金属陶瓷材料： =0.701.5Mpa验算单位压力1.取R= 时 =ZPA 因为是单片的，所以摩擦盘工作面数Z=2。初选摩擦材料为石棉基摩擦材料 查表可取摩擦系数=0.3代入数

22、据得p0.155(MPa)2取R 时 ZPA 代入数据得p0.158(MPa)单位压力P在容许范围之内，认为所选离合器尺寸 参数合适。对于小轿车，D=380480时，P约为0.14mpa又因小汽车的离合器都采用莫片弹簧离合，在使用过程中其摩擦片的磨损工作压力几乎不会变小，轿车的后备功率较小，使用条件较好，所以宜取小值。 根据上述原因及所选车型，选取=0.14 MPa3.2 膜片弹簧设计在汽车膜片弹簧离合器中，膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用 它的特性决定了离合器的主要工作性能。因此，在离合器的开发中，膜片弹簧的设计尤为重要。3.2.1膜片弹簧的结构特点膜片弹簧由弹簧钢板冲压而成（如图3-1

23、所示）。膜片弹簧在结构上分两部分，在膜片弹簧弹簧大端处为一完整的截面，它的形状象一个无底的碟子和一般机械上用的碟形弹簧完全一样，故称为碟簧部分（如3-2所示）。膜片弹簧起弹性作用的正是碟簧部分。碟形弹簧的弹性作用是这一面沿其轴线方向加载，碟簧受压变平，卸载后又恢复原形。可以说膜片弹簧是碟形弹簧的一种特殊结构形式。所不同的是，在膜片弹簧上还包含有径向开槽部分，膜片弹簧分离指与碟簧部分交接处的径向槽较宽呈长方圆孔，这样一方面可以减少分离指根部应力集中，一方面又可用来安置销钉以固定膜片弹簧。 图3-1 膜片弹簧 图3-2 碟形弹簧3.2.2膜片弹簧的弹性变形特性膜片弹簧起弹性作用的部分是其碟簧部分。

24、碟簧部分的弹性变形特性和螺旋弹簧的不一样。它是一种非线性的弹性，其特性和碟簧部分的原始内截锥高度H及弹簧厚度h之比值有关。不同的H/h值可以得到不同的弹簧变形特性。一般可分为四种情况（图3-1）：（1）时曲线1所示。载荷的增加，变形总是不断增加。这种弹簧的刚度很大，可以承受很大的载荷，适合于作为缓冲装中的行程限制器。（2）时如曲线2所示。弹簧的特性曲线在中间是异端平直的线，变形的增加，载荷几乎维持不变。此种弹簧叫做零刚度弹簧。图3-3 H/h对膜片弹簧弹性特性的影响（3）如曲线3所示。弹簧的特性曲线中有一段负刚度区域，即变形增加时，载荷反面减少。具有这种特性的膜片弹簧很适用于作为离合器的压紧弹

25、簧。因为可利用其负刚度区达到分离离合器时载荷下降，操纵省力之目的。但负刚度过大也不适宜，以免弹簧工作位置略微变动造成弹簧压紧力变化过大。（4）如曲线4所示。则特性曲线的极小点落在横坐标轴上。（5）如曲线5所示。该特性曲线具有更大的负刚度区且具有载荷为负值的区域。这种弹簧适用于汽车液力传动中的锁止机构。3.2.3膜片弹簧设计计算的基本公式假设膜片弹簧在承载过程中，其子午断面刚性地绕过断面上的某中性点O转动（图3-2）。通过支承环和压盘加在膜片弹簧上的载荷F1（N）集中在支承点处，加载点间的相对轴向变形为1（mm）（图），则膜片弹簧弹簧特性如下式表示： （3-2-1）式中：E为材料的弹性模量（MP

26、a），对于钢：E=2.1105 MPa； 为材料的泊松比，对于钢：=0.3； H为膜片弹簧自由状态下碟簧部分的内截锥高度（mm）； h为膜片弹簧钢板厚度（mm）； R ，r分别为压盘加载点和支承环加载点半径（mm）； R1 ，r1分别为压盘加载点和支承环加载点半径（mm）。图3-4 子午断面绕中性点的转动a） b） c)图3-5 膜片弹簧在不同工作状态时的变形a）自由状态b）压紧状态c)分离状态当离合器分离时，膜片弹簧的加载点将发生变化（图3-3c）。设分离轴承对分离指端所加载荷为F2（N），相应作用点变形为2（mm）；另外，在分离与压紧状态下，只要膜片弹簧变形到相同的位置，其子午端面从自由状

27、态也转过相同的转角，则有如下关系： （3-2-2） （3-2-3）式中，为分离轴承与分离指的接触半径（mm）。将式（3-2-2）和式（3-2-3）代入式（3-2-1），即可得F2与2的关系式为： （3-2-4）同样，将式（3-2-2）和式（3-2-3）分别代入式（3-2-1）同样可分别得到F1与2和F2与1的关系式。如果不计分离指在F2作用下的弯曲变形，则分离轴承推分离指的移动行程2f（图3-3c）为： （3-2-5）式中，1f为压盘的分离行程。（图3-3b、3-3c）。3.2.4膜片弹簧基本参数的确定（1）比值H/h的选择该比值对膜片弹簧的弹性特性影响极大，因此，要利用H/h对弹簧特性的影响

28、，正确地选择该比值，以得到理想的特性曲线及获得最佳的使用性能。为保证离合器压紧力变化不大和操纵轻便，汽车的膜片弹簧离合器的H/h一般取系 -3 _：板厚一般为24mm，本设计取： h=3mm则取H/h=2，代入h=3 得到： H=6mm（2）R及R/r的选择膜片弹簧的大端半径R应根据结构要求和摩擦片的尺寸来确定。比值R/r的选定影响到材料的利用效率。R/r越小，则弹簧材料的利用效率越好。碟形弹簧储存弹簧性能的能力在R/r=1.82.0为最大，用于缓冲冲击、吸收振动等需要储存大量弹性能的碟簧最佳。但对汽车离合器膜片弹簧来说，并不要求储存大量的弹性能，应根据结构布置及压紧力的需要，通常R/r=1.

29、21.3（即1.25左右）。根据本设计所选车型，选取R/r=1.2。根据RRC=(D+d)/4=135mm（RC为膜片弹簧的平均半径），取R=140mm，则r=110mm。（3）膜片弹簧在自由状态下的圆锥底角膜片弹簧在自由状态下的圆锥底角与内截锥高度H关系密切，=arctanH/(R-r)H/(R-r),一般在10151范围内选择。本设计之锥角为：6/（140-110）111835.76。落在1015的范围内，因此设计合理。（4）支承圈平均半径r1和和膜片弹簧与压盘的接触半径R1 。r1与R1的取值将影响膜片弹簧的刚度。r1 应略大于r且尽量接近r；R1 应略小于且尽量接近R。根据以上所述及已知R和r的值，本设计选取r1=115mm，R1=135mm 。（5）分离指的数目n和切槽宽1 、2的确定。（如图3-5）N多取为18；1=3.24mm；2=912mm；re的取值应满足（r-re）2 。本设计选取1=4，2=12。（6）膜片弹簧小端半径及分离轴承作用半径。值主要由结构决定，其最小值应大于变速器第1轴花键的外径以便安装。分离轴承作用半径大于。根据结构可以定两个参数分别为， =27 =293.3 离合器盖总成设计离合器总成除了压紧弹簧外，还有离合器盖、压盘、传动片、分离杠杆装置及支承环等。