2第二章离合器设计(更新版)

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复习1.离合器的功用？2.摩擦离合器的基本组成部件有哪些？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。第二节离合器的结构方案分析现代汽车上，应用最广泛的离合器是干式盘形摩擦离合器。按从动盘数目摩擦离合器分类单片双片多片按压紧弹簧布置形式圆周布置中央布置斜向布置按压紧弹簧形式圆柱螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧膜片弹簧按分离时所受作用力的方向拉式推式周布弹簧离合器定义：采用若干个螺旋弹簧作为压紧弹簧，并将这些弹簧沿压盘圆周分布的离合器称为周布弹簧离合器。周布弹簧离合器组成（1）主动部分飞轮离合器盖压盘（2）从动部分从动盘组件（3）压紧机构压紧弹簧（4）操纵机构：位于离合器壳外与驾驶室的部分略。分离杠杆分离轴承膜片弹簧离合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定义：采用膜片弹簧作为压紧弹簧的离合器。膜片弹簧材料：优质弹簧钢板，形状：碟状膜片弹簧作用：既是压紧弹簧，又是分离杠杆（在操纵机构的作用下，可使压盘与摩擦片分开一、从动盘数的选择图2-1单片离合器单片离合器结构简单，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。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。图2-2双片离合器双片离合器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。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。二、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。三、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：离合器盖压盘膜片弹簧支承环图2-6推式膜片弹簧单支承环形式压盘膜片弹簧图2-7推式膜片弹簧无支承环形式膜片弹簧压盘图2-8拉式膜片弹簧支承形式拉式膜片弹簧支承结构压盘膜片弹簧拉式膜片弹簧离合器特点：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，已经得以应用。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。四压盘的驱动方式压盘的驱动方式主要有凸块-窗孔式、传力销式、键块式和弹性传动片式多种。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。弹性传动片式是近年来广泛采用的结构(P76)。第三节离合器主要参数的选择ccfFZRT（2-1）离合器的静摩擦力矩Tc：压盘加在摩擦面上的工作压力摩擦面数，单片Z=2，双片Z=4摩擦片平均摩擦半径单片离合器，加在变速器第1轴上的力矩是由摩擦片两侧的摩擦力（矩）平衡的。32330rRfpT单个摩擦面上的摩擦力矩T（积分法）：摩擦面单位压力2R2r)()(422220rRFdDFp32330rRZfpZTTcZ个摩擦面的离合器，摩擦力矩Tc：32330rRZfpZTTc)()(422220rRFdDFp)32(2233rRrRfZFZTTcccfFZRT（2-1）（2-2）（2-3）2233223332)(3rRrRdDdDRc（2-4）（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。)1(12330cDfZpTc（2-6）Tc表示离合器能传递的力矩。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（2-7）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。离合器基本参数性能参数β和p0，尺寸参数D和d及摩擦片厚度b,结构参数摩擦面数Z，离合器间隙⊿t，摩擦因数f。一、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1.8~4.0二、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。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。三、摩擦片外径D、内径d和厚度b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（2-6）和式（2-7）即可估算出摩擦片尺寸。maxeDTKD（2-9）第四节离合器的设计与计算X=[x1x2x3]T=[FDd]T一、离合器基本参数的优化1设计变量(彼此无关，不重复、不遗漏，其它参数是设计变量的函数)压盘加在摩擦面上的工作压力后备系数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。式（2—8）单位压力p0也取决于F和D及d。式（2—2）224mindDxf2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，即目标函数为优化问题本质上是高等数学的极值！无约束优化即无条件极值。有约束优化问题即条件极值（问题）。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smDneD/75~6510603max（2－10）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:2——116)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224dDZW(2-12)2202221800graeiirmnW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（2－13）优化问题本质上是高等数学中的极值问题！无约束优化即无条件极值。有约束优化问题即条件极值（问题）。简单实例：y=x2-8x+98在[5,9]处的最小值。有约束优化问题即条件极值问题MATLAB编程求解示例：在MATLAB中，可调用库函数fmincon编程求解该类问题！MATLAB库函数fmincon描述：目标函数约束条件（等式、不等式）编程格式MATLAB库函数fmincon求解例：目标函数约束条件先编一个M文件再编一个M文件定义约束，先将不等式整理成的形式。第二个M文件为：程序：第二个M文件为（名称任意）：A=[-1-1-2122];b=[072];x0=[10;10;10];[x,fval]=fmincon(@gaohongfun,x0,A,b)第一个M文件（名称：gaohongfun）：functionf=gaohongfun(x)f=-x(1)*x(2)*x(3);运行结果:x=24.000012.000012.0000fval=-3456离合器基本参数优化的MATLAB求解程序如何编写？车辆专题课程设计……二、膜片弹簧的载荷变形特性子午线：过地面上一点的南北线。子午断面：膜片弹簧旋转体的母线！支承环离合器结合时，膜片弹簧预紧所受轴向载荷与预变形之间关系！2111111211211)2)(()()/ln()1(6hrRrRHrRrRH