汽车摩擦片设计

沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计11.离合器概述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。1.1离合器设计的基本要求：1)在任何行驶条件下，既能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备，又能防止过载。2)接合时要完全、平顺、柔和，保证起初起步时没有抖动和冲击。3)分离时要迅速、彻底。4)从动部分转动惯量要小，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换档和减小同步器的磨损。5)应有足够的吸热能力和良好的通风效果，以保证工作温度不致过高，延长寿命。6)操纵方便、准确，以减少驾驶员的疲劳。7)具有足够的强度和良好的动平衡，一保证其工作可靠、使用寿命长。1.2技术参数:车型：轿车发动机功率：Pemax=70KW/5200r/min发动机转矩：Temax=170N.m/3000r/min飞轮工作面：D/d=240mm/130mm1.3膜片弹簧离合器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沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计2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。1.4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1.5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)，就沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计3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。2.离合器摩擦片参数的确定2.1摩擦片参数的选择2.1.1初选摩擦片外径D、内径d、厚度b摩擦片外径是离合器基本尺寸，它关系到离合器的结构重量和寿命，它和离合器所需传递转矩大小有一定关系。根据文献[1]式(3.2.1)，D=mmmmATe3.14747102100100max式中，maxeT为发动机最大转矩，取mNT102max；A为不同结构和使用条件对D的影响系数，对于小轿车取A=47。根据文献[1]表3.2.1中摩擦片标准系列尺寸，取mm140,dmm200Dmm5.3b700.0c。沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计42.1.2后备系数β后备系数保证了离合器能可靠地传递发动机扭矩，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。由于所设计的离合器为膜片弹簧离合器，在使用过程中其摩擦片的磨损工作压力几乎不会变小（开始时还有些增加），再加上小轿车的后备功率比较大，使用条件较好，宜取较小值，故初取β=1.6。2.1.3离合器传递的最大静摩擦力矩TC根据文献[2]式（2－7）cT=1026.1Tmaxe163.2mN2.1.4单位压力P0摩擦面上的单位压力P的值和离合器本身的工作条件,摩擦片的直径大小,后备系数,摩擦片材料及质量等有关。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。选取时应考虑离合器的工作条件、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。根据文献[1]式3.2.1)1(123330DdZDfpTc)2001401(20023.02.16312)1(123333330DdZDfTpcaMP.1980式中，f为摩擦因数取0.3；0p为单位压力（aMP）Z为摩擦面数取2；D为摩擦片外径取200mm；d为摩擦片内径取140mm；沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计5根据文献[2]表2-2和表2-4摩擦片材料选择石棉基材料，0p为单位压力0.25aMP，f为摩擦因数取0.3。2.1.5摩擦片的材料选取摩擦片的工作条件比较恶劣，为了保证它能长期稳定的工作，根据汽车的的使用条件，摩擦片的性能应满足以下几个方面的要求：⑴应具有较稳定的摩擦系数，温度，单位压力和滑磨速度的变化对摩擦系数的影响小。⑵要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。⑶要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好⑷热稳定性要好，要求在高温时分离出的粘合剂较少，无味，不易烧焦⑸磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面⑹油水对摩擦性能的影响应最小⑺结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象由以上的要求,目前车用离合器上广泛采用石棉塑料摩擦片，是由耐热和化学稳定性能比较好的石棉和粘合剂及其它辅助材料混合热压而成，其摩擦系数大约在0.3左右,在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦片。2.2离合器基本参数的校核2.2.1最大圆周速度根据文献[2]式（2－10）知，smsmDnveD/70/6810200650060106033max式中，Dv为摩擦片最大圆周速度（m/s）；maxen为发动机最高转速取6500r/min；D为摩擦片外径径取200mm；故符合条件。2.2.2单位摩擦面积传递的转矩c0T根据文献[2]式（2－11）知沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计60cT=)(422dDZTc)140200(22.1634220051.0(N·m/2mm)式中，cT为离合器传递的最大静摩擦力矩163.2mN；根据文献[2]表（2－5）知，当摩擦片外径D210mm时，][0cT=0.28N·m/2mm0.0051N·m/2mm，故符合要求2.2.3单位压力0P为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，选取单位压力0P的最大范围为0.15～.35Mpa，由于已确定单位压力0P＝0.25Mpa，在规定范围内，故满足要求2.2.4单位摩擦面积滑磨功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，离合器每一次结合的单位摩擦面积滑磨功w应小于其许用值[w]。根据文献[2]式（2－13）汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)为：W=1800n2e2π(2g202raiirm)ziyou=1800200014.322(2223.09051.40.2861145)=10566(J)式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)ma为汽车总质量取1145kg；rr为轮胎滚动半径0.286m；ig为汽车起步时所用变速器档位的传动比4.51；i0为主减速器传动比3.090；ne为发动机转速(r/min),乘用车ne取2000r/min;根据文献[2]式（2－12）w=)(422dDZWπ=)140200(214.310566422=0.32式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功取10566J沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计7满足w[w]=0.40J/mm2要求。摩擦片的相关参数如表1表1摩擦片外径D摩擦片内径d后备系数β厚度b单位压力Po200mm140mm1.63.50.25MPa3.膜片弹簧的设计3.1膜片弹簧的基本参数的选择3.1.1截锥高度H与板厚h比值hH和板厚h的选择为了保证离合器压紧力变化不大和操纵轻便，汽车离合器用膜片弹簧的hH一般为1.5～2.0，板厚h为2～4mm故初选h=2.3mm,hH=1.6则H=1.6h=3.68mm.3.1.2自由状态下碟簧部分大端R、小端r的选择和rR比值当6.0Dd时，摩擦片平均半径Rc=)(8541402004mmdD，对于拉式膜片弹簧的R值，应满足关系rRc=85mm故取R=90,再结合实际情况取R/r=1.26,则r=70mm。3.1.3膜片弹簧起始圆锥底角的选择＝arctanH/(R-r)=arctan4/(113-90)≈10.43°，满足9°～15°的范围。3.1.4分离指数目n的选取取为n=18。3.1.5切槽宽度δ1、δ2及半径er取δ1＝3.2mm,δ2=10mm,er满足r-er=δ2,则er=r-δ2=70-10=60mm故取er＝65mm.3.1.6压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定根据文献[1]知，R1和r1需满足下列条件：711RR沈阳理工大学2005届车辆工程课程设计8610rr故选择R1＝96mm，r1＝75mm.3.1.7膜片弹簧材料制造膜片弹簧用的材料，应具有高的弹性极限和屈服极限，高的静力强度及疲劳强度，高的冲击强度，同时应具有足够大的塑性变形性能。按上述要求，国内常用的膜片弹簧材料为硅锰钢60Si2MnA。3.2膜片弹簧的弹性特性曲线假设膜片弹簧在承载过程中，其子午线刚性地绕上地某中性点转动。设通过支承环和压盘加载膜片弹簧上地载荷P1(N)集中在支承点处，加载点间的相对轴向变形为x1(mm),则膜片弹簧的弹性特性如下式表示：222)1121)(111()11()/ln()1(61)1(1hrRrRxHrRrRxH