2022年毕业设计《离合器设计》.

1 第 1 章绪论1.1 选题的目的本次设计，我力争把离合器设计系统化，为离合器设计者提供一定的参考价值。抛弃传统的推式膜片弹簧离合器，设计新式的拉式膜片弹簧离合器是本次设计的主要特点。1.2 离合器发展历史1近年来各国政府都从资金、技术方面大力发展汽车工业，使其发展速度明显比其它工业要快的多，因此汽车工业迅速成为一个国家工业发展水平的标志。对于内燃机汽车来说，离合器在机械传动系中作为一个独立的总成而存在，它是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成。目前，各种汽车广泛采用的是摩擦式离合器，它是利用摩擦副间的摩擦力来传递转矩的离合器。在早期研发的离合器中，锥形离合器最为成功。现今所用的盘片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。进入30 年代时，只有工程车辆、赛车和大功率的轿车上才采用多片离合器。多年的实践经验和技术上的改进使人们逐渐趋向于首选单片干式离合器1。随着汽车发动机转速、功率不断提高和汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求越来越高。从提高离合器工作性能的角度出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式膜片弹簧离合器结构发展，传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和延长其使用寿命，适应发动机的高转速，增加离合器传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。随着计算机的发展，设计工作已从手工转向电脑，包括计算、性能演示、计算机绘图、制成后的故障统计等等。1.3 离合器概述按动力传递顺序来说，离合器应是传动系中的第一个总成。顾名思义，离合器是“离”与“合”矛盾的统一体。离合器的工作，就是受驾驶员操纵，或者分离，或者接合，以完成其本身的任务。离合器是设置在发动机与变速器之间的动力传递机构，其功用是能够在必要时中断动力的传递，保证汽车平稳地起步；保证传动系换档时工作平稳；限制传动系所能承受的最大扭矩，防止传动系过载。为使离合器起到以上几个作用，目前汽车上广泛采用弹簧压紧的摩擦式离合器，摩擦离合器所能传递的最大扭矩取决于摩擦面间的工作压紧力和摩擦片的尺寸以及摩擦面的表面状况等。即主要取决于离合器基本参精选学习资料 -名师归纳总结-第 1 页，共 16 页2 数和主要尺寸。膜片弹簧离合器在技术上比较先进，经济性合理，同时其性能良好，使用寿命长，结构简单、紧凑，操作轻便，在保证可靠地传递发动机最大扭矩的前提下，有以下优点2：（1）结合时平顺、柔和，保证汽车起步平稳；（2）离合器分离彻底；（3）从动部分惯量小，以减轻换档时齿轮副的冲击；（4）散热性能好；（5）大大简化并显著地缩短了离合器的轴间尺寸；（6）避免汽车传动系共振，具有吸收震动、冲击和减小噪声能力；（7）操纵轻便；（8）工作性能（最大摩擦力矩maxeT和后备系数）保持稳定；（9）使用寿命长。1.3.1 离合器的功用离合器可使发动机与传动系逐渐接合，保证汽车平稳起步。如前所述，现代车用活塞式发动机不能带负荷启动，它必须先在空负荷下启动，然后再逐渐加载。发动机启动后，得以稳定运转的最低转速约为300500r/min，而汽车则只能由静止开始起步，一个运转着的发动机，要带一个静止的传动系，是不能突然刚性接合的。因为如果是突然的刚性连接，就必然造成不是汽车猛烈攒动，就是发动机熄火。所以离合器可使发动机与传动系逐渐地柔和地接合在一起，使发动机加给传动系的扭矩逐渐变大，至足以克服行驶阻力时，汽车便由静止开始缓慢地平稳起步了。虽然利用变速器的空档，也可以实现发动机与传动系的分离。但变速器在空档位置时，变速器内的主动齿轮和发动机还是连接的，要转动发动机，就必须和变速器内的主动齿轮一起拖转，而变速器内的齿轮浸在黏度较大的齿轮油中，拖转它的阻力是很大的。尤其在寒冷季节，如没有离合器来分离发动机和传动系，发动机起动是很困难的。所以离合器的第二个功用，就是暂时分开发动机和传动系的联系，以便于发动机起动4。汽车行驶中变速器要经常变换档位，即变速器内的齿轮副要经常脱开啮合和进入啮合。如在脱档时，由于原来啮合的齿面压力的存在，可能使脱档困难，但如用离合器暂时分离传动系，即能便利脱档。同时在挂档时，依靠驾驶员掌握，使待啮合的齿轮副圆周速度达到同步是较为困难的，待啮合齿轮副圆周速度的差异将会造成挂档冲击甚至挂不上档，此时又需要离合器暂时分开传动系，以便使与离合器主动齿轮联结的质量减小，这样即可以减少挂挡冲击以便利换档。精选学习资料 -名师归纳总结-第 2 页，共 16 页3 离合器所能传递的最大扭矩是有一定限制的，在汽车紧急制动时，传动系受到很大的惯性负荷，此时由于离合器自动打滑，可避免传动系零件超载损坏，起保护作用。1.3.2 现代汽车离合器应满足的要求根据离合器的功用，它应满足下列主要要求5：（1）能在任何行驶情况下，可靠地传递发动机的最大扭矩。为此，离合器的摩擦力矩（cT）应大于发动机最大扭矩（m axeT）；（2）接合平顺、柔和。即要求离合器所传递的扭矩能缓和地增加，以免汽车起步冲撞或抖动；（3）分离迅速、彻底。换档时若离合器分离不彻底，则飞轮上的力矩继续有一部分传入变速器，会使换档困难，引起齿轮的冲击响声；（4）从动盘的转动惯量小。离合器分离时，和变速器主动齿轮相连接的质量就只有离合器的从动盘。减小从动盘的转动惯量，换档时的冲击即降低；（5）具有吸收振动、噪声和冲击的能力；（6）散热良好，以免摩擦零件因温度过高而烧裂或因摩擦系数下降而打滑；（7）操纵轻便，以减少驾驶员的疲劳。尤其是对城市行驶的轿车和公共汽车，非常重要；（8）摩擦式离合器，摩擦衬面要耐高温、耐磨损，衬面磨损在一定范围内，要能通过调整，使离合器正常工作。1.3.3 离合器工作原理如图 1.1 所示，摩擦离合器一般是由主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。离合器在接合状态时，发动机扭矩自曲轴传出，通过飞轮2 和压盘借摩擦作用传给从动盘 3，最后通过从动轴传给变速器。当驾驶员踩下踏板时，通过拉杆，分离叉、分离套筒和分离轴承8，将分离杠杆的内端推向右方，由于分离杠杆的中间是以离合器盖5 上的支柱为支点，而外端与压盘连接，所以能克服压紧弹簧的力量拉动压盘向左，这样，从动盘 3 两面的压力消失，因而摩擦力消失，发动机的扭矩就不再传入变速器，离合器处于分离状态。当放开踏板，回位弹簧克服各拉杆接头和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。此时压紧弹簧就推动压盘向右，仍将从动盘3 压紧在飞轮上 2，这样发动机的扭矩又传入变速器7。精选学习资料 -名师归纳总结-第 3 页，共 16 页4 1-轴承2-飞轮3-从动盘4-压盘5-离合器盖螺栓6-离合器盖7-膜片弹簧8-分离轴承9-轴图 1.1 离合器总成1.3.4拉式膜片弹簧离合器的优点与推式相比，拉式膜片弹簧离合器具有许多优点：取消了中间支承各零件，并不用支承环或只用一个支承环，使其结构更简单、紧凑，零件数目更少，质量更少；所谓拉式膜片弹簧，其特征是膜片弹簧和压盘上安装有弹性圆柱销，压盘、离合器盖和传动片的一端由限位装置安装在一起，从动盘总成的从动盘为三片从动盘依次叠加安装在一起；拉式离合器压紧模块的压盘上均匀设有散热筋。提高了压紧力与传递转矩的能力，且并不增大踏板力，在传递相同的转矩时，可采用尺寸较小的结构；在接合或分离状态下，离合器盖的变形量小，刚度大，分离效率更高；拉式的杠杆比大于推式的杠杆比，且中间支承减少了摩擦损失，传动效率较高，踏板操纵更轻便，拉式的踏板力比推式的一般可减少约%30%25；无论在接合状态或分离状态，拉式结构的膜片弹簧大端与离合器盖支承始终保持接触，在支承环磨损后不会形成间隙而增大踏板自由行程，不会产生冲击声；使用寿命更长10。第 2 章离合器的结构设计2.1 离合器种类选择精选学习资料 -名师归纳总结-第 4 页，共 16 页5 离合器有摩擦式，电磁式，液力式三种类型。离合器大都根据摩擦原理设计的。摩擦式应用广泛。摩擦式工作表面形状包括锥形、鼓形和盘形，锥形和鼓形的缺点是其从动部分转动惯量太大，引起变速器换档困难，且结合不够柔和，易卡住。故选择盘形摩擦式离合器2.2 从动盘数选择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。对于 1260kg 的轿车，本次设计选择单片离合器2.3 压紧弹簧和布置形式选择离合器压紧装置可分为周布弹簧式、中央弹簧式、斜置弹簧式、膜片弹簧式等。其中膜片弹簧的主要特点是用一个膜片弹簧代替螺旋弹簧和分离杠杆。膜片弹簧与其他几类相比又有以下几个优点9：（1）由于膜片弹簧有理想的非线性特征,弹簧压力在摩擦片磨损范围内能保证大致不变，从而使离合器在使用中能保持其传递转矩的能力不变。当离合器分离时，弹簧压力不像圆柱弹簧那样升高，而是降低，从而降低踏板力；（2）膜片弹簧有压紧弹簧和分离杠杆的作用，使结构简单紧凑，轴向尺寸小，零件数目少，质量小；（3）高速旋转时，压紧力降低很少，性能较稳定；而圆柱弹簧压紧力明显下降；（4）由于膜片弹簧大断面环形与压盘接触，故其压力分布均匀，摩擦片磨损均匀，可提高使用寿命；（5）易于实现良好的通风散热，使用寿命长；（6）平衡性好；（7）有利于大批量生产，降低制造成本。但膜片弹簧的制造工艺较复杂，对材料质量和尺寸精度要求高，其非线性特性在生产中不易控制，开口处容易产生裂纹，端部容易磨损。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，膜片弹簧的制造已日趋成熟。因此，我选用膜片弹簧式离合器。2.4 压盘驱动形式选择由于传统的凸台式连接方式、键式连接方式、销式连接方式存在传力处之间有间隙的缺点，故选择已被广泛采用的传力片传动方式，简化了压盘的结构，有利于压盘的定精选学习资料 -名师归纳总结-第 5 页，共 16 页6 中。为了改善传力片的受力状况，它们沿圆周切向布置，一般有34 组，每组 34 个弹性薄片组成，片厚一般为11.2mm。但它们的正反向特性不相同。故选择传动片式。2.5 扭转减震器它能降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，调谐传动系扭振固有频率，增加传动系扭振阻尼，抑制扭转共振响应振幅，并衰减因冲击而产生的瞬态扭振，控制动力传动系总成怠速时离合器与变速器的扭振与噪声，缓和非稳定工况下传动系的扭转冲击载荷和改善离合器的接合平顺性。故要有扭转减振器。2.6 设计要求及其技术参数基本要求8：（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。技 术 参 数:车 型：日 产 轩 逸1.6 XV 整 车 质 量（kg）：1260 最 大 扭 矩/转 速（Nm/rpm）：189/4400 主 减 速 比：4.072 一 档 速比：4.832 滚 动 半 径：320mm 第 3 章离合器主要参数的选择3.1 后备系数后备系数是离合器设计中的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩精选学习资料 -名师归纳总结-第 6 页，共 16 页7 的可靠程度。在选择时，应保证离合器仍能可靠地传递发动机最大转矩、防止离合器滑磨时间过长、防止传动系过载以及操纵轻便等因素。乘用车选择：1.20 1.75 ，本次设计取 =1.2。3.2 摩擦因数 f、摩擦面数 Z和离合器间隙 t 摩擦片的摩擦因数f 取决于摩擦片所用的材料及其工作温度、单位压力和滑磨速度等因素。摩擦因数f 的取值范围见下表。表 3-1 摩擦材料的摩擦因数f 的取值范围摩 擦 材 料摩擦因数f石棉基材料模压0.200.25 编织0.250.35 粉末冶金材料铜基0.250.35 铁基0.350.50 金属陶瓷材料0.701.50 本次设计取 f=0.30。摩擦面数 Z为离合器从动盘数的两倍，决定于离合器所需传递转矩的大小及其结构尺寸。本次设计取单片离合器 Z=2。离合器间隙 t 是指离合器处于正常结合状态、分离套筒被回位弹簧拉到后极限位置时，为保证摩擦片正常磨损过程中离合器仍能完全结合，在分离轴承和分离杠杆内端之间留有的间隙。该间隙t 一般为 34mm。本次设计取 t=3 mm。3.3 单位压力 p0单位压力 p0决定了摩擦表面的耐磨性，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、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。p0取值范围见表 3-2。表 3-2 摩擦片单位压力p0的取值范围摩擦片材料单位压力p0/Mpa 石棉基材料模压0.150.25 精选学习资料 -名师归纳总结-第 7 页，共 16 页8 编织0.250.35 粉末冶金材料铜基0.350.50 铁基金属陶瓷材料0.701.50 p0选择：0.10 MPa p0 1.50 MPa，本次设计取 p0=0.3MPa。3.4 摩擦片外径 D、内径 d 和厚度 b 摩擦片外径是离合器的重要参数，它对离合器的轮廓尺寸、质量和使用寿命有决定性的影响。D=330)1(12maxcfZpTe 188mm 取 D=225 mm当摩擦片外径 D确定后，摩擦片内径d 可根据 d/D 在 0.530.70 之间来确定。取 c=d/D=0.667，d=0.667D=150.075 mm，取 d=150mm 摩擦片厚度 b 主要有 3.2 mm、3.5 mm、4.0 mm三种。取 b=3.5 mm。Tc=Temax=1.2189=227 N.m 第 4 章离合器的设计与计算4.1 离合器基本参数的优化设计离合器要确定离合器的性能参数和尺寸参数，这些参数的变化直接影响离合器的工作性能和结构尺寸。这些参数的确定在前面是采用先初选、后校核的方法。下面采用优化的方法来确定这些参数13。（1）摩擦片外径 D（mm）的选取应使最大圆周速度vD不超过 6570m/s，即vD=60nemaxD103=604400 225 103=51.81m/s 65 70m/s 符合要求。式中,vD为摩擦片最大圆周速度(m/s);nemax为发动机最高转速(r/min)。（2）摩擦片的内、外径比c 应在 0.53 0.70 范围内，本次设计取c=0.667。精选学习资料 -名师归纳总结-第 8 页，共 16 页9（3）为了保证离合器可靠地传递发动机的转矩，并防止传动系过载，不同的车型的值应在一定范围内，最大范围为1.2 4.0，本次设计取=1.20。（4）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2R0约50mm，即 d 2R0+50 mm（5）为降低离合器滑磨时的热负荷,防止摩擦片损伤,对于不同车型,单位压力 p0根据所用的摩擦材料在一定范围内选取，p0的最大范围为 0.10 1.50 Mpa。本次设计取 p0=0.3 MPa。（6）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。汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)为：W=1800n2e2(2g202raiirm)=7522.1(J)式中，ma为汽车总质量(kg)；rr 为轮胎滚动半径(m)；ig为汽车起步时所用变速器档位的传动比；i0为主减速器传动比；ne为发动机转速(r/min)；乘用车 ne取 2000 r/min。w=)(422dDZW=)150*150225*225(*2*14.31.7522*4=0.17350 精选学习资料 -名师归纳总结-第 12 页，共 16 页13 Zj46 68 810 10 摩擦片外径 D=225mm，选取 Zj=4（7）减振弹簧总压力 F当限位销与从动盘毂之间的间隙1或2被消除，减震弹簧传递的转矩达到最大值Tj时，减震弹簧受到的压力F 为F=Tj/R0=378000Nmm/45=8400 N （8）极限转角j本次设计j取 10。5.2 从动盘总成的设计5.2.1 从动盘毂从动盘毂是离合器中承受载荷最大的零件，它几乎承受由发动机传来的全部转矩。动盘本体和减振器盘又通过六个减振器弹簧把转矩传给了从动盘毂。因为有弹性环节的作用，所以传动系受的转动冲击可以在此得到缓和。传动系中的扭转振动会使从动盘毂相对于动盘本体和减振器盘来回转动，夹在它们之间的阻尼片靠摩擦消耗扭转振动的能量，将扭转振动衰减下来6。它一般采用齿侧对中的矩形花键安装在变速器的第一轴上，花键的迟钝可根据摩擦片的外径 D与发动机的最大转矩Tmaxe由表 3-1 选取。表 5-2 从动盘毂花键的尺寸摩擦片外径 D/mm 发动机最大转矩Tm axe/(Nm)花键尺寸挤 压 应 力c/MPa 齿数 n 外径D/mm 内径d/mm 齿厚t/mm 有效齿长l/mm 160 49 10 23 18 3 20 9.8 180 69 10 26 21 3 20 11.6 200 108 10 29 23 4 25 11.1 225 147 10 32 26 4 30 11.3 250 196 10 35 28 4 35 10.2 280 275 10 35 32 4 40 12.5 精选学习资料 -名师归纳总结-第 13 页，共 16 页14 300 304 10 40 32 5 40 10.5 本次设计 D=225mm，Tmaxe=189 Nm 故选择花键类型为：5.2.2 从动片的设计从动盘对离合器工作性能影响很大，设计时应满足如下要求5：（1)从动盘的转动惯量应尽可能小，以减小变速器换挡时轮齿间的冲击。（2)从动盘应具有轴向弹性，使离合器结合平顺，便于起步，而且使摩擦面压力均匀，以减小磨损。（3)应安装扭转减振器，以避免传动系共振，并缓和冲击。5.2.3 摩擦片的设计摩擦片应满足以下要求：（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)具有足够的机械强度与耐磨性（3)密度要小，以减少从动盘的转动惯量。（4)热稳定性要好（5)磨合性要好，不至刮伤飞轮和压盘表面5.3 离合器盖总成的设计5.3.1 离合器盖结构设计的要求6：（1)应具有足够的刚度，否则影响离合器的工作特性，增大操纵时的分离行程，减小压盘升程，严重时使摩擦面不能彻底分离。（2)应与飞轮保持良好的对中，以免影响总成的平衡和正常的工作。（3)盖的膜片弹簧支承处应具有高的尺寸精度。（4)为了便于通风散热，防止摩擦表面温度过高，可在离合器盖上开较大的通风窗摩 擦 片外径D/mm 发动机最大转矩Tmaxe/(N m)花键尺寸挤压应力c/MPa 齿数 n 外径D/mm 内径d/mm 齿厚t/mm 有 效 齿长 l/mm 225 189 10 32 26 4 30 11.3 精选学习资料 -名师归纳总结-第 14 页，共 16 页15 孔，或在盖上加设通风扇片等。乘用车离合器盖一般用08、10 钢等低碳钢板。5.3.2 压盘的设计对压盘结构设计的要求10:（1)压盘应具有较大的质量,以增大热容量，减小温度，防止其产生裂纹和破碎，有时可设置各种形状的散热筋或鼓风筋，以帮助散热通风。中间压盘可铸出通风槽，也可以采用传热系数较大的铝合金压盘。（2)压盘应具有较大刚度，使压紧力在摩擦面上的压力分布均匀并减小受热后的翘曲变形，以免影响摩擦片的均匀压紧及与离合器的彻底分离，厚度约为1525 mm。（3)与飞轮应保持良好的对中，并要进行静平衡，压盘单件的平衡精度应不低于1520 g cm。（4)压盘高度(从承压点到摩擦面的距离)公差要小。压盘形状较复杂，要求传热性好，具有较高的摩擦因数，通常采用灰铸铁，一般采用 HT200、HT250、HT300，硬度为 170227HBS。5.4 压盘的结构设计与选择t=mcW=481.4m1.75225.0m取 3.5kg 带入 t=2.3，所以符合要求式中，t 为压盘温升(),不超過 810；c 为压盘的比热容，铸铁：c=481.4 J/(kg)；m为压盘质量(kg)；为传到压盘的热量所占的比例，对单片离合器压盘.结 论本设计根据给出的设计要求和原始设计参数，以及拉式膜片弹簧离合器及其操纵机构的工作原理和使用要求，通过对其工作原理的阐述、结构方案的比较和选择、相关零件参数的计算，大致确定了离合器及其操纵机构的基本结构和主要尺寸以及制造相关零部件所用的材料。结构方面：根据设计要求，考虑到使用条件和其显著的优点，选用带扭转减振器的精选学习资料 -名师归纳总结-第 15 页，共 16 页16 单片拉式膜片弹簧离合器。计算方面：确定了离合器的主要参数，P0,D,d，结果按照基本公式运算得出并通过约束条件，检验合格。根据膜片弹簧基本参数之间的约束关系，初步确定了膜片弹簧的尺寸参数，并通过优化程序得出了膜片弹簧尺寸的优化值，并进一步确定了膜片弹簧的工作点，同时进行了强度校核。确定了扭转减振器和变速器的主要尺寸。选材方面：摩擦片选用编织石棉基材料，保证其有足够的强度和耐磨性、热稳定性、磨合性，不会发生粘着现象。膜片弹簧采用 65Si2MnA，其中所含硅成分提高了机件的弹性，所含錳，加强了耐高温性；传动片采用80 刚，满足其强度需要；压盘采用HT200，提高了耐磨性；离合器盖从用铸铁，提高了散热能力。综上所述，本次设计遵从了：（1）分离彻底；（2）接合柔和；（3）操纵轻便，工作特征稳定；（4）从动部分转动惯量小的设计要点，数据全部通过约束条件检验，原件所使用的材料基本上符合耐磨，耐压和耐高温的要求，而且离合器尺寸合适，适宜安装，能最高效率传递发动机扭矩，符合计划书及国家标准。由于水平有限，我在设计中不免出现偏颇和错误，希望老师批评指正。精选学习资料 -名师归纳总结-第 16 页，共 16 页