离合器设计

第二章离合器设计第二章离合器设计本章主要学习：（1）汽车离合器设计的基本要求；（2）各种形式汽车离合器的特点及应用；（3）离合器基本参数的选择及优化；（4）膜片弹簧主要参数的选择及优化；（5）扭转减振器的设计；（6）离合器的操纵。第二章离合器设计第一节概述第二节离合器的结构方案分析第三节离合器主要参数的选择第四节离合器的设计与计算第五节扭转减振器的设计第六节离合器的操纵机构第七节离合器的结构元件第一节概述1.离合器的功用？2.离合器的基本组成部件有哪些？1.复习内容：离合器的主要功能是切断和实现对传动系的动力传递。主要作用：(1)汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合，确保汽车平稳起步；(2)在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换挡齿轮之间的冲击；(3)限制传动系所承受的最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏；(4)有效地降低传动系中的振动和噪声。摩擦离合器基本组成摩擦离合器主要由主动部分（发动机飞轮、离合器盖和压盘等）、从动部分（从动盘）、压紧机构（压紧弹簧）和操纵机构（分离叉、分离轴承、离合器踏板及传动部件等）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。操纵机构是使离合器主、从动部分分离的装置。汽车离合器设计的基本要求1）在任何行驶条件下，能可靠地传递发动机的最大转矩。2）接合时平顺柔和，保证汽车起步时没有抖动和冲击。3）分离时要迅速、彻底。4）从动部分转动惯量小，减轻换挡时变速器齿轮间的冲击。5）有良好的吸热能力和通风散热效果，保证离合器的使用寿命。6）避免传动系产生扭转共振，具有吸收振动、缓和冲击的能力。7）操纵轻便、准确。8）作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，保证有稳定的工作性能。9）应有足够的强度和良好的动平衡。10）结构应简单、紧凑，制造工艺性好，维修、调整方便等。第1节结束第二节离合器的结构方案分析汽车离合器多采用盘形摩擦离合器。按其从动盘的数目单片双片多片根据压紧弹簧布置形式圆周布置中央布置斜向布置等根据使用的压紧弹簧形式圆柱螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧膜片弹簧离合器根据分离时所受作用力的方向拉式推式摩擦离合器的工作原理周布弹簧离合器中央压紧弹簧周布弹簧离合器离合器盖离合器从动部分从动盘组件从动盘本体（钢片）从动盘毂扭转减震器从动盘及扭转减振器飞轮离合器壳（飞轮壳）压盘及离合器盖膜片弹簧分离轴承变速器输入轴1．从动盘数的选择单片离合器（图2-1）结构简单，尺寸紧凑，散热良好，维修调整方便，从动部分转动惯量小，在使用时能保证分离彻底、接合平顺。图2-1单片离合器对轿车和轻型、微型货车而言，发动机的最大转矩不大，在布置尺寸允许的条件下，离合器通常只设有一片从动盘。双片离合器与单片离合器相比，由于摩擦面数增加一倍，因而传递转矩的能力较大。双片离合器（图2-2）传递转矩的能力较大，径向尺寸较小，踏板力较小，接合较为平顺。但中间压盘通风散热不良，分离也不够彻底。图2-2双片离合器多片离合器多为湿式，它有分离不彻底、轴向尺寸和质量较大等缺点，主要用于行星齿轮变速器换挡机构中。它具有接合平顺柔和、摩擦表面温度较低、磨损较小，使用寿命长等优点，主要应用于重型牵引车和自卸车上。2．压紧弹簧和布置形式的选择周置弹簧离合器的压紧弹簧采用圆柱螺旋弹簧，其特点是结构简单、制造容易，因此应用较为广泛。当发动机最大转速很高时，周置弹簧由于受离心力作用而向外弯曲，使离合器传递转矩能力随之降低。中央弹簧离合器的压紧弹簧，布置在离合器的中心。可选较大的杠杆比，有利于减小踏板力。通过调整垫片或螺纹容易实现对压紧力的调整，多用于重型汽车上。斜置弹簧离合器的显著优点是摩擦片磨损或分离离合器时，压盘所受的压紧力几乎保持不变。具有工作性能稳定、踏板力较小的突出优点。此结构在重型汽车上已有采用。膜片弹簧离合器（图2-3）的优点：图2-3膜片弹簧离合器1）膜片弹簧具有较理想的非线性特性；2）结构简单，轴向尺寸小，零件数目少，质量小；3）高速旋转时，压紧力降低很少，性能较稳定；4）压力分布均匀，摩擦片磨损均匀；5）易于实现良好的通风散热，使用寿命长；6）平衡性好；膜片弹簧的制造工艺较复杂，对材质和尺寸精度要求高。近年来，由于材料性能的提高，制造工艺和设计方法的逐步完善，膜片弹簧离合器不仅在轿车上被大量采用，而且在轻、中、重型货车以及客车上也被广泛采用。3．膜片弹簧支承形式图2-5推式膜片弹簧双支承环形式推式膜片弹簧支承结构按支承数目不同分为三种：图2-6推式膜片弹簧单支承环形式图2-7推式膜片弹簧无支承环形式图2-8拉式膜片弹簧支承形式拉式膜片弹簧离合器（图2-4）具有如下特点：1）结构简单，零件数目更少，质量更小；2）膜片弹簧的直径较大，提高了传递转矩的能力；3）离合器盖的变形量小，分离效率高；4）杠杆比大，传动效率较高，踏板操纵轻便。5）在支承环磨损后不会产生冲击和噪声。6）使用寿命更长。拉式膜片弹簧需专门的分离轴承，结构较复杂，安装和拆卸较困难，且分离行程略比推式大些。但由于拉式膜片弹簧离合器综合性能优越，它已经得以应用。图2-4拉式膜片弹簧离合器5压盘的驱动方式压盘的驱动方式主要有凸块-窗孔式、销钉式、键块式和传动片式多种。前三种的共同缺点是在连接键之间都有间隙，在驱动中将产生冲击和噪声，而且在零件相对滑动中有摩擦和磨损，降低了离合器传动效率。传动片式是近年来广泛采用的结构。第2节结束第三节离合器主要参数的选择离合器的静摩擦力矩根据摩擦定律可表示为假设摩擦片上工作压力均匀，则有摩擦片的平均摩擦半径Rc根据压力均匀的假设，可表示为（2-3）当d/D≥0.6时，Rc可相当准确地由下式计算将式（2-2）与式（2-3）代入式（2-1）得ccfFZRT4)(2200dDpApF)(32233dDdDRc4dDRc（2-1）（2-2）（2-4）摩擦片正面摩擦片背面式中，c为摩擦片内外径之比，c=d/D，一般在0.53～0.70之间。)1(12330cDfZpTc（2-5）式中，c为摩擦片内外径之比，c=d/D，一般在0.53～0.70之间。为了保证离合器在任何工况下都能可靠地传递发动机的最大转矩，设计时Tc应大于发动机最大转矩，即Tc=βTemax（2-6）式中，Temax为发动机最大转矩。β为离合器的后备系数，定义为离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动机最大转矩之比，β必须大于1。)1(12330cDfZpTc（2-5）离合器基本参数的选择基本参数主要有性能参数β和p0，尺寸参数D和d及摩擦片厚度b。1．后备系数β后备系数β是离合器一个重要设计参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。在选择β时，应保证离合器应能可靠地传递发动机最大转矩、要防止离合器滑磨过大、要能防止传动系过载。因此，在选择β时应考虑以下几点：1）为可靠传递发动机最大转矩，β不宜选取太小；2）为减少传动系过载，保证操纵轻便，β又不宜选取太大；3）当发动机后备功率较大、使用条件较好时，β可选取小些；4）当使用条件恶劣，为提高起步能力、减少离合器滑磨，β应选取大些；5）汽车总质量越大，β也应选得越大；6）柴油机工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的β值应比汽油机大些；7）发动机缸数越多，转矩波动越小，β可选取小些；8）膜片弹簧离合器选取的β值可比螺旋弹簧离合器小些；9）双片离合器的β值应大于单片离合器。车型β轻货车、轿车1.20~1.75中、重、载货车1.5~2.25越野车、牵引车1.8~4.02．单位压力p0单位压力p0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工作条件，发动机后备功率大小，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，p0应取小些；当摩擦片外径较大时，为了降低摩擦片外缘处的热负荷，p0应取小些；后备系数较大时，可适当增大p0。3．摩擦片外径D、内径d和厚度在离合器结构形式及摩擦片材料选定、其他参数已知或选取后，结合式（2-1）和式（2-5）即可估算出摩擦片尺寸。摩擦片外径D（mm）也可根据如下经验公式选用（2-7）式中：KD为直径系数，轿车：KD=14.5；轻、中型货车：单片KD=16.0～18.5，双片KD=13.5～15.0；重型货车：KD=22.5～24.0。摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三种。maxeDTKD第3节结束第四节离合器的设计与计算一、离合器基本参数的优化1设计变量后备系数β取决于离合器工作压力F和离合器的主要尺寸参数D和d。单位压力p0也取决于F和D及d。因此，离合器基本参数的优化设计变量选为X=[x1x2x3]T=[FDd]T2目标函数离合器基本参数优化设计追求的目标是在保证离合器性能要求条件下，使其结构尺寸尽可能小，即目标函数为224mindDxf3约束条件1)摩擦片的外径D(mm)的选取应使最大圆周速度υD不超过65～70m／s，即（2－7）2)摩擦片的内外径比c应在0.53～0.70范围内，即0.53≤c≤0.703)为保证离合器可靠传递转矩，并防止传动系过载，不同车型的β值应在一定范围内，最大范围β为1.2～4.0，即1.2≤β≤4.04)为了保证扭转减振器的安装，摩擦片内径d必须大于减振器弹簧位置直径2Ro约50mm，即d2Ro+505)为反映离合器传递转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许用值，即smDneD/75~6510603max3约束条件3约束条件6)为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，单位压力p0对于不同车型，根据所用的摩擦材料在一定范围内选取，最大范围p0为0.10～1.50MPa，即0.10MPa≤p0≤1.50MPa7)为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨，防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤，每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值，即（2－9）224dDZW2202221800graeiirmnWW为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功(W)，可根据下式计算（2－10）二、膜片弹簧的载荷变形特性注：可以略去不讲三、膜片弹簧的强度校核问题：试着对膜片弹簧受力分析并进行强度校核？图２-９膜片弹簧的主要参数注：可以略去不讲膜片弹簧1.膜片弹簧载荷变形特性膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使得离合器结构简化，质量减小，并缩短了离合器的轴向尺寸；由于膜片弹簧与压盘以整个圆周接触，是压力分布均匀，摩擦片的接触良好，磨损均匀；膜片弹簧所具有的非线性特性胜过螺旋弹簧2111111211211)2)(()()/ln()1(6hrRrRHrRrRHrRrREhF2.弹簧特性计算公式H—内截锥高度E—弹性模量E=21×104N/mm2泊松比μ=0.3四、膜片弹簧主要参数的选择膜片弹簧的主要参数：膜片弹簧自由状态下碟簧部分的内截锥高度H；膜片弹簧钢板厚度h；自由状态下碟簧部分大端半径R；自由状态下碟簧部分小端半径r；自由状态时碟簧部分的圆锥底角α；分离指数目n等，见图２－９。图２-９膜片弹簧的主要参数1.比值H／h和h的选择H/h对膜片弹簧弹性特性的影响比值H／h对膜片弹簧的弹性特性影响极大。由右图可知，当H／h时，F1=ƒ(λ1)为增函数；H／h=时，F1=ƒ(λ1)有一极值，该极值点恰为拐点；H／h时，F1=ƒ(λ1)有一极大值和一极小值；当H／h=2时，F1=ƒ(λ1)的极小值落在横坐标上。2222为保证离合器压紧力变化不大和操纵轻便，汽车离合器膜片弹簧的H/h一般为1.6—2.2，板厚为2—4mm.2.比值R／r和R、r的选择根据结构布置和压紧力的要求，R／r一般为1.20～1.35。为使摩擦片上压力分布较均匀，推式膜片弹簧的R值应取为大于或等于摩擦片的平均半径Rc，拉式膜片弹簧的r值宜取为大于或等于Rc。3.α的选择膜片弹簧自由状态下圆锥底角α与内截锥高度H关系密