【汽车设计-过学迅】第2章 离合器设计

第2章 离合器设计
2.1 概述 2.2 离合器结构方案的确定 2.3 离合器基本参数的设计计算 2.4 压紧弹簧的设计 2.5 扭转减振器的设计 2.6 离合器操纵机构的设计 习题
第2章 离合器设计
[主要内容]本章介绍汽车传动系统中主要部件 离合器的结构形式及设计计算方法。 本章要求: 1.了解离合器结构方案的确定；
离合器压紧弹簧有螺旋弹簧和膜片弹簧等型式。
推式膜片弹簧离合器
拉式膜片弹簧离合器
2.2.3 压盘的驱动方式
压盘的驱动方式有凸块—窗孔式、销钉式、键块式和钢带 式多种，可根据压盘结构和压紧弹簧形式选取。
2.2.4 压盘和中间压盘
压盘和中间压盘一般做成圆环形的盘状，压盘的外径应略 大于或等于摩擦片的外径，内径略小于或等于摩擦片的内径。
(2-20) 式中:Ｒc—摩擦片上摩擦合力作用半径。 (３)计算膜片弹簧的厚度ｈ。 (2-21) 式中:ｑ—高厚比。 ｋλ—工作点位置比。
(４)按式(2-14)求得载荷特性曲线Ｐ1 － λ1，并求取凸点、拐点、 凹点和工作点、磨损点、分离点等各点的载荷Ｐ1和位移λ1值。 (５)通过式(2-15)和式(2-16) 可求得分离特性曲线Ｐ2-λ1，并求取 工作点和分离点的载荷Ｐ2和位移λ1值。 膜片弹簧离合器在摩擦片 磨损后，分离力达到最大，将λ1M点的Ｐ1值代入式(2-16)，可得 到磨损后的分离力Ｐ2最大值。 (６)按式(2-17)校核各个角点的应力，计算值不得大于许用值。
踏板行程Ｓ由自由行程Ｓ0和工作行程Ｓg两部分组成,即: (2-29) 式中:Ｓ0f—分离轴承自由行程。 Ｚ—摩擦面数。单盘：Z＝２， 双盘：Ｚ＝４。 ΔＳ—离合器分离时，对偶摩 擦面间的间隙。 ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ—杠 杆尺寸。 ｄ1、ｄ2—操纵机构主缸和工 作缸直径。
离合器液压操纵机构示意图
分离轴承应有的总行程ＳTf为: (2-30) 式中:Ｓｆ—分离轴承的有效工作行程。 δ—系数。可取1.25左右。
２.踏板力
式中:Ｐ２—离合器分离时,压紧弹簧对压盘的总压力。 η—机械效率。 ｉΣ—操纵机构总传动比 Ｐｓ—克服复位弹簧1、2的拉力所需踏板力。
习
题
１.离合器设计应满足哪些基本要求？ ２.什么是离合器的后备系数？影响该值大小的因素有 哪些？ ３.膜片弹簧离合器有何优缺点？ 影响其弹性特性的主 要因素有哪些？
(2-9)
式中:Ｃ—旋绕比。Ｃ=Ｄ2/ｄ，为弹簧中径Ｄ2与钢丝直径ｄ之 比。 [τ]—弹簧钢丝材料许用剪切应力。 Ｋ—考虑剪力和簧圈曲率影响的曲度系数
4. 弹簧的工作(有效)圈数ｎ
(2-11)
式中:Ｇ—弹簧材料的切变模量。 ｋ—弹簧刚度。
5.弹簧在离合器工作点状态的剪切应力τ校核
(2-13)
式中:Ｄ2—弹簧圈平均直径(即中径)。 ｄ—弹簧钢丝直径。 Ｃ—弹簧旋绕比。 Ｋ—弹簧曲度系数。
式中:Ｄ—摩擦片的外径。
(2-7)
2.4 压紧弹簧的设计
2.4.1 周置弹簧离合器的圆柱螺旋压紧弹簧设计
１.弹簧数ｉ
周布弹簧离合器所需要的弹簧数ｉ与离合器摩擦片外径和 选取的弹簧刚度及钢丝直径有关，弹簧数ｉ可参照下表选取。
2.确定单个弹簧的工作点载荷Ｐ
(2-8)
3.选择弹簧钢丝直径ｄ和材料、关设计问题的考虑
(１)高厚比Ｈ/ｈ的选择。 (２)膜片弹簧工作点位置的选择。 (３)外内径比Ｒ/ｒ。 (４)膜片弹簧在自由状态时圆锥底角α一般在10°~13.5°。
Ｈ/ｈ对膜片弹簧的特性影响
膜片弹簧的载荷特性曲线
4.膜片弹簧的设计计算要点
(１)初选相关尺寸和参数:膜片弹簧高厚比Ｈ/ｈ、外内径比Ｒ/ｒ 和Ｒ、ｒ工作点位置比、压盘加载点半径Ｒ1，支撑环加载点半径 ｒ1 。 (２)确定膜片弹簧的工作载荷Ｐ。
２.膜片弹簧的应力计算
(2-17) 式中: φ—碟簧部分子午断面的转角(从自由状态初始位置算起)。 α—碟簧部分自由状态的圆锥底角。 ｅ—碟簧部分子午断面内中性点的半径。 式中:Ｄ2—弹簧圈平均直径(即中径)。 ｄ—弹簧钢丝直径。 Ｃ—弹簧旋绕比。 Ｋ—弹簧曲度系数。
切向应力在碟簧子午断面的分布
(2-18) 可求出σtc达到极大值时的转角φＰ,即:
2.2.5 从动盘
从动盘由摩擦片、从动钢片、扭转减振器和从动盘毂等零 件组成。
离合器从动盘 １摩擦片 ２从动钢片 ３扭转减振器 ４从动盘毂 带扭转减振器的从动盘零件分解图
2.2.6 分离杠杆
膜片弹簧离合器的分离杠杆就是与碟形弹簧一体的分离指。 分离杠杆的支撑常采用滚针轴承、滚销和刀口支撑等型式。
2.2.7 离合器的通风散热
(１)在压盘上设散热筋或鼓风筋。 (２)在离合器盖上开较大的通风，在离合器外壳上设通风窗。 (３)在双盘式离合器的中间压盘内铸出通风槽。 (４)将离合器盖和分离杠杆制成特殊的叶轮形状，用以鼓风。
2.3 离合器基本参数的设计计算
2.3.1 静摩擦力矩的计算
摩擦式离合器在接合状态时是靠离合器的摩擦面间的摩擦 力矩来传递发动机转矩的。摩擦面间的静摩擦力矩可按下列方 法计算，设压盘施加在摩擦面上的压力是均匀分布，摩擦面上 的总压力为ＰΣ，则有: (2-1) 式中:P0———单位面积上的压力，MPa。 A———摩擦面的面积，mm２。 D———摩擦片的外径，mm。 d———摩擦片的内径，m。
2.3.2 滑动摩擦力矩计算
滑动摩擦力矩Ｔcμ可用下式计算: (2-3) 式中:ｆμ—滑动摩擦系数。
2.3.3 滑动摩擦力矩计算 1.后备系数
后备系数β是离合器的一个重要参数,它反映离合器传递发动 机最大转矩的可靠程度,离合器的静摩擦力矩Ｔc应大于发动机的 最大输出转矩Ｔe max ，即: (2-4) 式中:β—离合器的后备系数，须大于１。 在选择离合器后备系数时，应考虑以下几点: (１)摩擦片在使用中磨损后，确保离合器仍能传递发动机的最 大转矩。 (２)应能避免离合器在车辆起步过程出现过量的滑磨。 (３)应能防止传动系统过载。
2.单位压力
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 。
(2-25)
4.阻尼摩擦转矩Ｔμ
(2-26)
５.预紧转矩Ｔｐ
(2-27)
６.减振弹簧的分布半径Ｒ0
(2-28) 式中:ｄ—离合器摩擦片内径。
单级线性减振器的扭转特性
７.减振弹簧的个数ｎ
2.5.2 减振弹簧的材料
减振弹簧的疲劳寿命可按106循环次数考虑，材料宜选用硅 锰类、铬硅或铬钒类油淬火回火弹簧钢丝,减振弹簧须经强化抛 丸和强压，减振弹簧的载荷和应力计算与压盘圆柱螺旋弹簧相同, 其计算的剪切应力可按经验控制在760MPa 内。
根据式(2-14)，可作出膜片弹簧的Ｐ1-λ1曲线，既载荷特性曲线。
膜片弹簧在不同工作状态时的变形
在分离与压紧两种加载情况下，只要膜片弹簧变形到相同的 位置，即其碟簧部分的子午断面从自由状态的初始位置转过相同 的转角φ，便有如下的对应关系:
(2-15) (2-16) 式中:ｒf—膜片弹簧分离指与分离轴承接触圆的半径。
５.膜片弹簧的材料和制造工艺关键
膜片弹簧应采用合金弹簧钢板制造ꎬ 其碟簧部分的尺寸精 度要高，国内、外常用的膜片弹簧材料为50CrVA。
2.5 扭转减振器的设计
扭转减振器是现代汽车离合器从动盘的必备部件。它主要 由弹性元件和阻尼元件组成。
2.5.1 弹簧扭转减振器参数设计 １.极限转矩Ｔlim
(2-22) 式中:系数对轿车取2, 对货车取1.5。 Ｔe max ———发动 机的最大输出转矩。
2.3.4 摩擦片主要尺寸的确定
摩擦片的主要尺寸有两个：摩擦片的外径Ｄ 和内径ｄ。
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，结合前面公式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：
D KD Te max
式中：KD为直径系数。 内径ｄ：
(2-6)
d (0.53 ~ 0.7) D
2.1.2 离合器设计的一般步骤
1. 获取或确定与计算相关的参数 2. 获取及确定前后连接件的接口参数 3. 结构方案确定 4. 设计计算 5. 其他机构设计
2.2 离合器结构方案的确定
2.2.1 从动盘数选择
盘式离合器按从动盘数目可分为单片式、双片式和多片式三种。
单片式离合器
双片式离合器
2.2.2 压紧弹簧型式选取
减振器尺寸简图
2.极限转角φlim ３.扭转角刚度ｋφ
对应于极限转矩,从动片相对从动盘毂的极限转角φlim 取3°~12°。 减振器的扭转角刚度取决于减振弹簧的线刚度及结构尺寸。 (2-23) (2-24) 式中:ｋ—单个减振器弹簧的线刚度。 ｎ—减振弹簧的数目。 Ｒ0—减振弹簧分布半径。 如将极限转矩Ｔlim 和极限转角 φlim 代入上式,可反求出弹簧的线 刚度ｋ,依此决定弹簧的尺寸。
在摩擦面上取一微元面积dＡ，则在微元面积上所受的正 压力Ｎ＝ｐ０dＡ＝２πｐ０ＲｄＲ，则离合器摩擦面上总的静 摩擦力矩为:
(2-2) 式中: ｚ—摩擦面数。单盘式离合器ｚ=２，双盘式离合器ｚ=４。 ｆ—摩擦面间的静摩擦系数。计算时一般取0.25 ~0.35。 Ｃ—内外径之比。Ｃ=ｄ/Ｄ。
摩擦片受力计算简图
2.6 离合器操纵机构的设计
离合器的操纵机构由离合器踏板、传动部件、分离拨叉、 分离轴承组成。
2.6.1 对操纵机构的要求
(１)踏板力要小。 (２)踏板行程应在80~150mm,最大不超过180mm。 (３)应具有踏板自由行程调整机构。 (４)应具有踏板行程限位器。 (５)不因发动机的振动以及车架和驾驶室的变形而引起操纵机构 的运动干涉。
2.6.2 分离轴承
在汽车离合器中采用的分离轴承主要有径向止推轴承和止 推轴承两种。前者适用于高转速、低轴向负荷的情况，后者则 适用于低转速、高轴向负荷的情况。
2.6.3 离合器操纵机构型式的选择 １.机械式操纵机构 ２.液压式操纵机构 ３.机械和液压操纵的助力器 ４.气压式操纵机构
2.6.4 离合器操纵机构的计算 １.踏板行程Ｓ
2.4.2 膜片弹簧的设计 １.膜片弹簧的载荷与变形的关系
(2-14)
式中:Ｅ—弹性模量。 μ—泊松比。 ｈ—膜片弹簧的厚度。 Ｈ—膜片弹簧在自由状态下，碟 簧部分的内截锥高度。 Ｒ、ｒ—膜片弹簧在自由状态下， 碟簧部分的大端和小端半径。 Ｒ１、ｒ１—压盘加载点和支撑 环加载点半径。
膜片弹簧子午断面绕中性点的转动
2.掌握离合器基本参数的设计计算；
3.掌握压紧弹簧的设计；
4.掌握扭转减振器的设计；
5.了解离合器操纵机构的设计。
2.1 概述
离合器的功能是将发动机的动力从飞轮传递到变速器。 此外，它还必须具备以下功用：在汽车起步时将发动机与传动 系统平顺地接合，使汽车平稳起步，在换挡时将发动机与传动 系统分离，减少变速器中齿轮之间的冲击，便于换挡，在工作 中受到大的动载荷时，能通过打滑来保护传动系统，防止其受 过大的载荷。 离合器由主动件、从动件、操纵机构三部分组成。 (１)主动件:离合器压盘、压紧弹簧及盖总成。 (２)从动件:从动盘总成。 (３)操纵机构:离合器踏板、传动部件及助力装置、分离叉、分 离轴承。
2.1.1 离合器设计的基本要求
(１)在汽车规定的工况下能可靠地传递发动机的最大转矩,且传 递转矩的能力有适当的储备。 (２)分离时要彻底迅速。 (３)接合时要平顺柔和，以保证汽车起步平稳，没有抖动和冲 击。 (４)离合器从动部分的转动惯量要小，以减轻换挡时齿轮间的 冲击，并便于换挡。 (５)应使汽车传动系统避免危险的扭转共振，具有吸收振动、 缓和冲击和减少噪声的能力。 (６)离合器压盘应有足够的热容量，并且散热通风良好，以防 止工作温度过高。 (７)操纵轻便，以减轻驾驶人的疲劳。 (８)在离合器使用过程中，作用在摩擦片上的正压力和摩擦系 数变化要小，力求使离合器工作性能保持稳定、可靠，工作寿 命长。