某普通级轿车膜片弹簧离合器的设计与分析

毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 某普通级轿车膜片弹簧离合器的设计与分析 学生姓名：二级学院：班级：提交日期： 目 录目 录某普通级轿车膜片弹簧离合器的设计与分析IIAbstractI1 绪论21.1离合器的发展22膜片弹簧离合器的结构方案选取32.1膜片弹簧离合器结构及工作原理3图1-1 膜片弹簧离合器工作原理示意图32.2膜片弹簧材料及制造工艺42.3离合器设计的基本要求42.4离合器结构设计52.4.1摩擦片的选择52.4.2压紧弹簧布置形式的选择62.4.3压盘的驱动方式73离合器基本结构参数的确定83.1摩擦片主要参数的选择83.2离合器后备系数的确定93.3单位压力P0的确定94 离合器从动盘的设计104.1从动盘结构介绍104.2从动盘设计104.2.1 从动片的选择和设计114.2.2 从动盘毂的设计114.2.3摩檫片的材料选取及与从动片的固紧方式134.3摩擦片的约束计算145 离合器压盘设计165.1压盘的传力方式的选择165.2压盘的几何尺寸的确定165.3压盘传动片的材料选择175.4离合器盖的设计176离合器分离装置设计186.1分离杆的设计186.2离合器分离套筒和分离轴承的设计187 离合器膜片弹簧设计207.1 膜片弹簧的结构特点207.2 膜片弹簧的变形特性和加载方式207.3 膜片弹簧的弹性变形特性207.4 膜片弹簧的参数尺寸确定227.4.1 H/h比值的选取227.4.2 R及R/r确定237.4.3 膜片弹簧起始圆锥底角237.4.4 膜片弹簧小端半径rf及分离轴承的作用半径rp237.4.5 分离指数目n、切槽宽1、窗孔槽宽2、及半径re238 离合器壳设计249 绘制典型零部件图和装配图以及Proe三维建模2510 动力学分析3011 结论33致 谢3542 摘要某普通级轿车膜片弹簧离合器的设计与分析摘 要离合器作为汽车传动系的重要组成部分，它的结构特点和传动系紧密相关，本文根据某款普通级轿车的具参数，设计一款拉式膜片弹簧离合器并对其进行分析。首先根据初始参数确定摩擦片外径尺寸，计算确定了膜片弹簧、压盘、离合器盖、传动片等多个零部件的相关参数，并对摩擦片外径进行了校核。接着对从动盘、离合器盖进行了设计。对所有零部件进行了校核，满足强度和刚度要求。本文对弹簧膜片在压紧过程中的弹性特性曲线进行分析，满足使用要求。最后绘制了典型零部件图和装配图，井进行了三维建模。 关键词：普通级轿车；离合器；膜片弹簧； 绪论The Structure Design of Changcheng Saifu auto clutch AbstractAbstractClutch as an important component of the automobile drive train, its structural characteristics and transmission are closely related, according to a common cars parameters, design a pull type diaphragm spring clutch and carries on the analysis. First of all, according to the initial parameters to determine the friction disc diameter size, calculate and determine the diaphragm spring, pressure plate, clutch cover, transmission, and other related parameters of the parts and components and friction disc diameter for the check. Then the design of the moving plate and the clutch cover was carried out. Check all parts for strength and stiffness. In this paper, the elastic characteristic curve of spring diaphragm is analyzed, and the demand is met. Finally, the typical parts and assembly drawings were plotted and the well was modeled in three dimensions.Key words: Ordinary cars; Clutch; Diaphragm spring 第1章 绪论1 绪论1.1离合器的发展自汽车诞生以来，经过100多年的改进创新，大多数汽车零部件都发生了复杂的变化。变化突出体现在汽车行业的硬性目标的提升，如零件可靠性、原材料生产成本、维护便利性和节能减排性等方面。为了更好达成这些目标，提升汽车性能，汽车工程师们不断精益求精，开发并完善解决方案。最初一代离合器的原型诞生于工业社会初期，灵感来源于使用机械装置的工厂。工程师们将带式变速器中的皮带应用于汽车动力系统，皮带轮一张一紧的过程中，张紧作用将发动机的输出转矩传递到驱动齿轮上。调节滚轮让皮带松弛打滑，就相当于现代离合器的分离过程。但是经过一段时间的操作，人们发现这种 采用调节滚轮来达到使皮带松弛的方法会导致皮带加速磨损，便实验出了另一种方法：使用与驱动皮带轮相同尺寸的惰轮，通过扳动杠杆，将传动带从惰轮转到驱动轮上。但是这种传动装置有如下缺点，一方面是传动效率低，容易磨损，尤其是如下雨天传动动力不足时；另一方面，变速器也需要不断增加档位，以应对随之变化的发动机转矩。这两种缺陷促使汽车工程师们不断探索和研究来寻找更好的方法来取代这种离合器。之后百年，各式各样的离合器被发明出来，其中基于摩擦原理的离合器是现代离合器的雏形。一个转盘在曲轴末端与另一个静止的转盘衔接，在接触的过程中便自然产生摩擦，又随着紧压力的提高，驱动盘带动从动盘转速不断提高，当两个转盘转速达到一致时变速器开始正常工作。随着发动机转速的提高，离合器的在汽车机械装置中的地位尤为重要。由于作用于分离杠杆的分离轴承一直处在高度受压状态下,离合器外罩经常和轴承发生摩擦，从而慢慢造成机械磨损。当发动机处于高转速换档状态时，这种磨损将会更加严重。为了克服磨损问题，膜片弹簧离合器应运而生。1936年，膜片弹簧离合器诞生于通用汽车的研究实验室中，并紧接着在十九世纪三十年代后期，膜片弹簧离合器美国开始投入大批量生产阶段，经过不断改进与发展，六十年代末至今几乎所有的汽车制造商都一直采用膜片弹簧离合器。我国的自动离合器技术也走在世界的前列，武汉工大莱斯康研发的手动挡车智能化解决方案，离合自动控制器（AutomaticClutchController,简称ACC）也就是汽车自动离合器。由先进的微电子系统控制，模拟最优秀的驾驶技术，根据车辆状态（车速.转速.刹车.换挡信号）结合驾驶员意图，以最佳的挡位模式导引匹配操作，使离合器快速分离与平稳操作，达到起步与换挡舒适平顺。从而克服手动挡车频繁踩离合、油门离合挡位难配合的麻烦，避免堵车、坡起、红路灯、避让行人的状态下行驶易空油、熄火、倒溜、不安全等问题。实现手自一体，自控语音提示，操作自如。从而达到方便乘驾、减轻驾驶疲劳、减低油耗、保护发动机的目的。这一新技术的发展应用能有效缓解中国的能源问题，还能促进手动挡汽车的发展。随着汽车发动机转速和功率的不断提升、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，传统的推式膜片离合器结构正在逐渐的向拉式膜片弹簧离合器结构发展，传统的操作形式正向自动操纵形式发展。因此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和简化操作，已成为离合器的发展趋势。1.2主要研究内容和意义首先确定摩擦片外径尺寸，然后根据该尺寸对其他部件总成进行了计算和设计。通过计算校核摩擦片外径尺寸，计算选择出其他部件的外形尺寸，再对其进行校核，确定是否能达到设计要求。设计包括对从动盘总成的设计校核，对压盘的设计校核，对离合器盖的设计校核及离合器盖的设计校核和优化。具体设计计算了摩擦片、扭转减振器、膜片弹簧、压盘、离合器盖、传动片等多个部件总成。延长拉式膜片弹簧离合器的使用寿命，积极适应发动机的高转速的同时提高它的运转可靠性，以及加强离合器传递转矩的能力和简化操作过程，这些都是是离合器目前的发展趋势和亟待开发研究的领域，也是市场与客户需求。 第3章 离合器基本结构参数的确定2 膜片弹簧离合器的结构方案选取2.1膜片弹簧离合器结构及工作原理离合器是汽车传动系中与发动机产生直接关联和接触的汽车零部件，它的主动部分和从动部分可以暂时分离，又可以逐渐接合，并且在传动过程中尽可能产生相对转动，从而通过主动和从动两部分之间接触的相互作用，把发动机的动力扭距传递给驱动系统，来实现汽车的起步、换挡等功能1。离合器的主要作用可以总结为三个：一是使汽车的起步平稳，二是保证传动系的顺利换挡，三是防止汽车传动系的过载。摩擦式离合器是目前市场上使用的汽车离合器中应用最为广泛的。摩擦式离合器可以按结构分为主动部分（包括飞轮、离合器盖和压盘）、从动部分（从动盘总成）、压紧机构（压紧弹簧）和操纵机构（包括分离叉、分离轴承、分离踏板和传动部件）。在膜片弹簧离合器中，膜片弹簧的作用是压紧弹簧和分离杠杆，因此膜片弹簧离合器的结构设计主要包括从动盘总成、膜片弹簧和压盘总成三个部分2。安装前位置 安装后 分离位置 图1-1 膜片弹簧离合器工作原理示意图1飞轮； 2摩擦片； 3离合器盖； 4分离轴承； 5压盘； 6膜片弹簧； 7支撑环膜片弹簧的形状呈现为碟形，其上开有若干个径向开口，从而构成若干个弹性杠杆；弹簧的中部有钢丝支承圈，铆钉将支承圈固定在离合器盖上。当离合器盖尚未固定在飞轮上时，离合器盖与飞轮接合面之间有一定的距离，因而膜片弹簧处于自由状态。当用螺栓将离合器盖固定在飞轮上时，膜片弹簧中部由于离合器盖通过后钢丝支承圈的作用向前移动了一段距离。由于膜片弹簧外端相对位置没有改变，所以膜片弹簧被压缩变形了。膜片弹簧外缘通过压盘把从动盘压靠在飞轮后端面上，这时离合器便为接合状态。在分离离合器时，分离轴承前移，膜片弹簧将以前钢丝支承圈为支点，外缘向后移动，在分离钩的作用下，压盘离开从动盘后移，离合器即变为分离状态。2.2膜片弹簧材料及制造工艺在材料的选择上，国内膜片弹簧一般采用和等优质高精度钢板材料。通常为了保证其硬度、几何尺寸、金相组织、载荷特性和表面质量等要求，需要进行一系列热处理。为了提高膜片弹簧的承载能力，要对膜片弹簧进行强压处理，即沿膜片弹簧在分离状态中的运动位移方向，在超过彻底分离点后继续施加过量位移，并且在过量位移38次后，使其产生一定的塑性形变，从而使膜片弹簧的表面产生与使用状态反方向的残余应力，这样就能达到增强膜片弹簧承载能力的目的。一般来说，同样的工作条件下，经过强化处理后的膜片弹簧可提高5%30%的疲劳寿命。另外，如果对膜片弹簧的凹面或双面进行喷丸处理，也可以提高承载能力和疲劳强度。处理过程为，高速弹丸流喷射到膜片表面，表面随之产生塑性形变，从而形成一定厚度的表面强化层，即起到冷作硬化的作用。在提高其分离指的耐磨性角度，对离合器前端部分进行高温淬火、喷镀铬和镀镉或四氟乙烯，并在压盘接触处与膜片弹簧施加挤压处理，可以防止在拉应力的作用下的裂纹的产生，从而消除应力源。膜片弹簧表面有毛刺、裂纹、划痕、锈蚀等缺陷是不被允许和接受的。碟簧部分的硬度一般在4550HRC，分离指端硬度一般为5562HRC，同一膜片、同一范围的硬度差要求不应该大于3个单位。碟簧部分应为均匀的回火屈氏体和少量的索氏体。单面脱碳层的深度一般不得超过厚度的3%。膜片弹簧的内、外半径公差通常认为是H11和h11，厚度公差为0.025mm，初始底锥角公差为10。膜片弹簧上下表面的表面粗糙度为1.6，地面的平面度一般要求小于0.1mm。特别的是，当膜片弹簧处于接合状态时，其分离指端的相互高度差一般要求小于0.81.0mm。2.3离合器设计的基本要求为了保证离合器具备有良好的工作性能，设计离合器时通常应满足以下要求： 1) 在任何行驶条件下，离合器都能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备用以防止传动系过载。 2) 如果要尽可能避免汽车起步时异常的抖动和冲击，则要求离合器在接合时要完全、平顺、柔和。3) 在分离时要求迅速和彻底。 4) 为了方便换挡并降低同步器的磨损，从动部分转动惯量要求尽量小，以求降低换挡时变速器齿轮之间的冲击。4) 从动部分转动惯量尽量小，以降低换挡时变速器齿轮间的冲击，方便换挡，并降低同步器的磨损。 5)良好的通风散热效果和足够的吸热能力，能够保证离合器在工作时温度不致过高，这样可以延长其使用寿命。 6) 尽量避免和衰减传动系的扭转振动，并具备吸收振动、缓和冲击和降低噪声的优点。7) 为了减轻驾驶员的疲劳，要求操纵轻便，离合器接合分离准确。 8) 作用在从动盘上的总压力要求尽量小，同时摩擦离合器和摩擦材料的摩擦因数在离合器工作过程中变化也要尽可能小，以保证其稳定的工作性能。 9) 足够的强度和良好的动平衡，能保证其工作可靠的同时保证使用寿命。10) 结构要简单和紧凑，相对较小的质量和优质的制造工艺性便于其拆装、维修和调整。2.4离合器结构设计表2-1 部分设计初始参数名称参数汽车驱动形式4x2汽车最大加载质量2000kg发动机位置前置发动机最大功率75KW最大转速4500r/min最大扭矩170Nm离合器形式膜片弹簧踏板行程2535mm汽车最大时速180km/h摩擦片最大外径225mm2.4.1摩擦片的选择我们本次的设计选择的单片离合器。单片离合器具备结构简单，尺寸紧凑，散热良好，维修调整方便的特点。同时，其从动部分转动惯量小，在使用时分离彻底和接合平顺都可以较大程度地得到保证，因此受到广泛青睐，如今已被广泛使用于轿车和中小型货车上。2.4.2压紧弹簧布置形式的选择周置弹簧离合器的压紧弹簧均为圆柱螺旋弹簧，并均匀分布在同一个圆周上。由于周置弹簧离合器结构简单，尺寸紧凑，制造难度低，因此应用较为广泛。在高转速离心力的作用下，周置弹簧易歪斜，严重时甚至为了降低压紧力会弯曲鼓出。另外，和压盘的直接接触会使其易受热退火。当发动机最大转速非常快时，周置弹簧会在离心力的作用下向外弯曲，从而使弹簧压紧力下降，压紧力的下降会导致离合器传递转矩的能力随之降低。此外，周置弹簧会靠到它的定位面上，接触部分会产生磨损，严重时甚至会导致弹簧断裂。中央弹簧离合器利用一到两个圆柱螺旋弹簧，或者一个圆锥弹簧作为压紧弹簧，置于离合器的中心。这时压紧弹簧不会直接接触压盘，因此压盘产生的热量也无法直接传递给弹簧，弹簧离合器的回火失效从而可以避免。由于压簧的压紧力是通过杠杆系统作用于压盘，同时按照杠杆比逐倍放大。因此，即使很小的弹簧力也有能力提供充足的压紧力，使驾驶员操作轻便。矩形断面锥形弹簧可以代替中央圆柱螺旋弹簧，用以有效缩小中央圆柱螺旋弹簧离合器的轴向尺寸，但是由于它的制造工艺较为复杂，所以中央弹簧离合器多用于重型汽车，以降低其操纵力，减轻驾驶员的疲劳。斜置弹簧离合器是以数目较多的一组圆柱螺旋弹簧作为压紧弹簧，以倾角斜向作用于传力套上，推动压杆并按杠杆比放大，最后作用于压盘上。与周置弹簧离合器相比较而言，踏板力可降低35%左右。因此，斜置弹簧离合器与前两种离合器相比，其突出优点是工作性能十分稳定。膜片弹簧离合器的结构特点是用一个膜片，起到了传统的螺旋弹簧和分离杠杆的作用。它有如下结构特点：1）径向尺寸很大，轴向尺寸较小，这有利于减小离合器的轴向尺寸和提高离合器传递转矩的能力。2）膜片弹簧分离是起到分离杠杆的作用，这样就无需分离杠杆，使离合器结构变得简便，由于零件数目变少，质量随之减少。3）由于膜片弹簧轴向尺寸小，热容量能够通过适当增加压盘的厚度来提高；同时也可以通过在压盘上增设散热筋及在离合器盖上开设较大的通风孔的方式来改善散热条件。4）主要部件形状简单，可用冲压加工，生产成本可以通过大批量生产降低。由于膜片弹簧离合器具备有以上的优点，制造膜片弹簧的工艺水平不断地提高，因而目前这种离合器在轿车及微型和中型客车、货车上都得到广泛的应用。所以，我选择的是膜片弹簧。2.4.3压盘的驱动方式在膜片弹簧离合器中，有三种驱动方式可以使扭矩从离合器盖传递到压盘：（1）凸台窗孔式；（2）径向传动驱动式； （3） 径向传动片驱动方式。经比较，我们确定径向传动驱动方式为本次设计较合适的选择。这种方式是弹簧刚制的径向片将离合器盖和压盘连接在一起，虽然这种传动稍复杂，但由于其不存在相对滑动的部分，因而发生磨损的可能性会更小，同时踏板力无须太大，这样使操纵更加顺畅轻便；另外在工作时，压盘和离合器盖径向位置相对，几乎不发生变化，因此能够避免离合器盖等旋转物失去平衡，也可以避免异常振动和噪声。3离合器基本结构参数的确定3.1摩擦片主要参数的选择摩擦片外径决定了离合器的轮廓尺寸、质量和使用寿命，是离合器的主要参数。离合器结构形式及摩擦片材料选定，发动机最大转矩已知，适当选取后备系数和单位压力P0。 由已知条件得知最大扭矩Temax=170N.m，摩擦片外径D=225mm。 轿车也是乘用车的一种，所以由上表得直径系数KD= 14.6 摩擦片相关尺寸如下：外径D=225mm ，内径d=150mm，厚度h=3.5mm，内径与外径的比值C，=0.667 ， 1-C3=0.703单位面积，A=221cm2。 3.2离合器后备系数的确定后备系数也是离合器的重要参数之一，它体现了离合器传递发动机最大扭矩的可靠程度，在确定时，可通过以下几个方面来判断选择：a. 离合器能够准确传递发动机最大扭矩，即使摩擦片在使用中已经存在一定程度的磨损；b. 能够防止离合器本身滑磨程度过大；c. 要求能够防止传动系过载。通常轿车和轻型货车=1.21.75。本文设计的是普通级轿车离合器，参看有关统计质料“离合器后备系数的值范围”（见下表3-3），并根据“最大总质量不超过6吨的商用车的后被系数=1.201.75”，结合设计实际情况，故选择=1.53.3单位压力P0的确定单位压力P0，不仅决定了离合器的工作性能，而且在一定程度上影响使用寿命长短，选取时要取决于离合器的实际工作情况、摩擦片尺寸、发动机后备功率、材料及其质量，也需要考虑到后备系数等因素。当离合器使用频繁，且后备系数较小时，P0值适当取小。当摩擦片外径较大时，为降低摩擦片外源出的热负荷，P0也应适当取小些。如果后备系数较大，则可适当增大P0。 具体材料及P0的确定在在下面的计算中会提及 第5章 离合器压盘设计4 离合器从动盘的设计4.1从动盘结构介绍现代汽车的从动盘，为了尽量降低传动系统中共振的发生，因此大都是带有扭转减振的，可以起到缓和冲击和减少噪声的作用，也能够相应延长传动系统零件的使用寿命，同时使汽车平稳起步，具备提高汽车的舒适性的优点。从动盘主要由从动片、从动盘毂、摩擦片等组成，由下图4-1可以看出，摩擦片1，13分别用铆钉14，15铆在波形弹簧片上，波形弹簧片铆在从动片5上，从动片5被限位销7和减振盘12铆在一起。这样，摩擦片、从动片和减振盘三者得以被固定在一起。在从动片5和减振盘12上圆周切线方向开有6个均布的长方形窗孔，在从动片5和减振盘12之间的从动盘毂8法兰上也开有同样数目的从动片窗孔，在这些窗孔中装有减振弹簧11，使三者富有弹性地连接在一起。另外，在从动片5和减振盘12的窗孔上都留有翻边，可以防止弹簧滑脱。减振摩擦片6，9安装在从动片5和从动盘毂8之间。因此，当传动系统扭转振动时，从动片5及减振盘12相对于从动盘毂8发生转动，这样系统的扭转能量能够迅速被减振摩擦片吸收。图4-1 带扭转减振器的从动盘1，13摩擦片；2，14，15铆钉；3波形弹簧片；4平衡块；5从动片；6，9减振摩擦；7限位销；8从动盘毂；10调整垫片；11减振弹簧；12减振盘4.2从动盘设计摩擦片、从动片、减震器和从动盘穀等组成从动盘总成。它对离合器工作性能起决定作用，但是其寿命极短。因此，在本次设计中它的结构和材料的选择是非常重要的。从动盘总成应满足如下设计要求： （1）从动盘转动惯量要尽量小，这样可以减少在变速器换档时齿轮间发生碰撞而产生的磨损； （2）使汽车平稳起步，摩擦面片上压力分布均匀，并且从动盘有轴向弹性； （3）为降低传动系扭转共振的发生并且能缓和冲击载荷，从动盘上应当安装扭转减振器。（4）抗爆裂强度达到质量标准和要求。4.2.1 从动片的选择和设计 为了取得更小的转动惯量，需要在设计过程中降低从动片的质量，并使其质量尽可能的集中到旋转中心。由于汽车在行驶过程中换档时，首先需要分离离合器，那么从动盘的转速一定会随着离合器档位的变化而发生变化，或减速（高档换为低档），或是加速（由低档换为高档）。离合器的从动盘转速的变化将引起惯性力的变化，从而让变速器换档齿轮发生碰撞和摩擦，或由此降低变速器中同步装置的使用寿命。又因为惯性力的大小与从动盘的转动惯量成正比，因此，为了降低转动惯量，从动片都通常制作为薄片，通常使用1.32.0厚的薄钢板冲压成。有时也会将从动片外缘的盘形部分磨至0.651.0厚薄，这样可以让从动片的转动惯量变得更小，使其质量更加集中于旋转中心，取得更小的转动惯量。另外，为了使离合器结合平顺，保证汽车缓慢平稳起步，单片离合器的从动片大都被制作为具有轴向弹性的。这样，在离合器在工作时，主动盘和从动盘之间的压力缓慢变化，确保了离合器传递的力矩逐渐增加。此外，弹性从动片还使压力均匀分散，改善表面的接触状况，降低了摩擦片的磨损，从而延长使用寿命。 整体式的弹性从动片、分开式弹性从动片以及组合式弹性从动片是具备轴向弹性的三种传动片。在本次设计中，选取的是整体式弹性从动片，离合器从动片使用2厚的的薄钢板冲压成，其外径由摩擦面外径决定，不妨在此处取145；而内径由从动盘毂的尺寸决定，这将在以后的设计中取得。工作温度升高，从动片有可能产生翘曲，从而导致离合器分离不彻底，为了预防和尽量避免这种情况发生，我们选择在从动刚片上沿径向开辟几条切口。 4.2.2 从动盘毂的设计 从动盘毂，即为离合器中承受载荷最大的零件，它几乎承受了来自发动机的全部转矩。一般采用齿侧对的矩形花键并安装在变速器的第一轴上。花键的尺寸将会根据摩擦片的外径D与发动机的最大转矩Temax，按国标GB114474选取。 为了避免在花键轴上滑动时产生偏斜，从而使离合器分离不彻底，从动盘轴向的长度需要精确计算，长度不能太短，因此一般选取为1.01.4倍的花键轴直径。从动盘毂大多使用锻钢，经过调质处理，并使用镀铬工艺，用以提高花键内孔表面硬度和耐磨性。另外，减振弹簧窗口和从动片的配合，也是经过高频处理的。 花键选取后要进行挤压应力j（MPa）及剪切应力j（MPa）的强度校核：从动盘毂花键尺寸如下：花键齿数：n=10；花键外径：D=32mm；花键内径：d=26mm；齿厚：B=4mm；有效齿长：l=30mm。花键可能会因表面受挤压过大而完全损坏，所以对于花键要进行挤压应力的校核计算。有公式如下：（4.1）式中：P-花键的齿侧面压力，由下式确定：P= （4.2）式中：d，D-花键的内外径，Z-从动盘毂的数目， -发动机的最大转矩，-花键齿数；-花键工作高度，h=(D-d)/2；-花键有效长度。由已知条件：P12143N13.5M从动盘毂由中碳钢锻造而成，并经调质处理，其挤压应力不应超过20MPa。故所选花键尺寸可以满足要求。Z为从动盘毂的数目；其余参数见表（4-2）。4.2.3摩檫片的材料选取及与从动片的固紧方式 由于摩擦片工作条件极端，工作要求严格，为确保其长期稳定及安全的工作，我们在设计摩擦片时根据汽车使用条例，使摩擦片的性能应当至少达到并满足以下几个方面的要求： （1）具备比较稳定的摩擦系数，即温度、单位压力和滑磨速度等数据的变化对摩擦系数的影响不大； （2）尤其在高温条件下具备良好的耐磨性； （3）尤其在高温条件下具备有足够良好的机械强度；（4）具备良好的热稳定性，具体要求其在高温时分离出的粘合剂较少，并且无味、不易烧焦 ；（5）具备较好的磨合性能，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面 ；（6）摩擦性能具备应对油水影响的能力 ；（7）结合时达到平顺的要求，没有“咬住”和“抖动”的现象 。根据以上要求，当前车用离合器的生产中广泛采用石棉塑料摩擦片，即由石棉、粘合剂和其他辅助材料混合热压而成。石棉的耐热性能和化学稳定性能较好，其摩擦系数大约在0.3左右，但是这种摩擦片也存在一定缺陷，材料的性能不稳定，即当温度、滑磨速度及单位压力增加时，都有可能导致摩擦系数降低，并且导致磨损加剧。因此市场上正在研制传热性好的同时强度高、耐高温、耐磨和具备较高摩擦系数（可达0.5左右）的粉末冶金摩擦片和陶瓷摩擦材料等。本次设计选取石棉合成物制成的摩擦材料。采用质地较柔软的黄铜铆钉铆接固紧摩擦片，由于黄铜铆接有较高的强度，采取这种方法，在高温条件下工作时，当钉头直接与主动盘表面接触时，黄铜铆钉不会加剧局部磨损并导致生成物依附在工作表面。通常采用的铝铆钉，一定程度上会加剧主动盘工作表面的局部磨损，并且磨损后的生成物仍会附在工作表面上，对摩擦系数的影响较大。因此，黄铜铆接法，相对铝铆接法，具有紧固可靠，磨损后易于更换等优点。 4.3摩擦片的约束计算（1）在摩擦片的外径D的选取上，应使最大圆周速度V不超过6575m/s。V （4.3）式中：D-摩擦片外径，mm，n-发动机最大功率时转速，r/min，V-摩擦片最大圆周速度，/，V=52.99m/s65m/s故符合条件（2）摩擦片的内外径比c,应在0.530.7范围内。c=0.67 符合要求（3）后备系数，最大范围1.204.0，=1.5（4）单位压力的计算摩擦离合器依靠摩擦表面的摩擦力矩来传递发动机转矩。因此根据摩擦定律，离合器的静摩擦力矩可表示为：=f FZ （4.4）式中：-为静摩擦力矩,N.mf -摩擦面间的静摩擦因数，取f=0.30F-压盘施加在摩擦面上的工作压力，表示为NZ-摩擦面数，为从动盘数两倍，因此Z=2-摩擦片的平均摩擦半径，单位mm假设摩擦片上作用压力均匀的情况下，则计算得出：F=A= （4.5）式中：-摩擦面单位压力,单位为MPaA-一个摩擦面的面积,单位mm2，D-摩擦片外径,单位mm，d -摩擦片内径,单位mm，假设摩擦片的平均摩擦半径，根据压力均匀假设，计算得到= (4.6)将式（4.6）与（4.5）带入（4.4）：=f Z （4.7）式中：c-摩擦片内外径之比，c=0.67；为了保证离合器在任何情况下都能可靠地传递发动机的最大转矩，设计时应当大于发动机最大转矩，即= （4.8）则根据以上相应计算公式及相关数据可以计算得出：由（4.8）得：=1.5170=255 N.m由（4.7）得到 P0=12fZD3(1-C3)将值上式，计算出最大单位压力 P0max=0.204Mpa选用的石棉基材料，确定其取值范围P0=0.150.35MPa，在所要求范围内； 由式（4.6），得：=有公式（4.4），得:选择摩擦片的材料小结5 离合器压盘设计 5.1压盘的传力方式的选择 对于离合器来说，压盘是它主动部分。发动机必须要和飞轮相连，在转动的过程中将转矩传到从动盘上，从而使其得到转动的动力。发动机与飞轮的连接要保证在离合器进行分离运动时，压盘的转动方向是沿着轴线的方向。在前面的内容中提到离合器主要利用传动片的方式完成力量的传递工作。传动片的制作材料主要为弹簧钢，在安装的过程中两端分别固定在离合器盖和压盘上。传动片在安装时通常使用圆周的方式，这样可以保证传动片受力均匀。5.2压盘的几何尺寸的确定 因为压盘和摩擦片相互接连在一起，所以可以根据摩擦片的尺寸，将压盘的相关尺寸确定下来。所以对于压盘来说，需要确定的只有厚度的问题了。 在压盘厚度的确定工作中，可以依据以下几点：（1）质量较大。较大的压盘质量可以增加压盘的融化的点，这样可以避免因为工作产生较大的热量从而导致压盘出现裂纹和破碎。此外，也可以通过增加各种形状的散热筋或鼓风筋，提高其空气和风力流通的速率，达到快速散热的目的，保护其正常的运行。 （2） 刚度较大。较大的刚度可以使施加在摩擦片表面上的压紧呈现均匀的分布，这样就不会出现以受热后翘曲变形的情况，保证分离器分离工作的正常运行。为了满足这个条件，其厚度应该处在1525mm范围内。（3）与飞轮保持对中。其厚度要与飞轮相互协调，同时还要处于静平衡的状态中，单件的压盘的平衡精度应该处在1520g.cm的范围内。（4）压盘高度公差小。通过以上几点要求的筛选，文章设计中的压盘厚度应该定为20mm。确定了压盘厚度以后，下一步要进行的工作是应校核离合器结合一次的温度升高的值，其范围应该在810。校核的公式为： （5.1）在上面的公式中：-温度升高值； L-滑磨擦的功率；-滑磨功在压盘上占有的比率，在单片离合器中，压盘=0.50；C-压盘的热容量，在铁筑材质的压盘中，c=481.4J/(Kg.K)；m-压盘的质量m=v=7.03.14（0.2250.2250.150.15）40.020=3.1Kg=8.810符合要求5.3压盘传动片的材料选择 离合器的压盘通常具有复杂的形状结构，而且还应该具有较强的耐磨性、好的传热性好以及较高的摩擦系数，因此应该选择灰铸铁的材料进行铸造，应该选取珠光体结构的金相组织，其硬度应该处在170227的范围内，要求其摩擦表面的光洁度大于1.6。此外。还可以在其铸造的材料中增加适量的金元素，可以提高它的强度。在这次的设计中，主要的铸造材料选取的是3号灰铸铁JS1，确定的工作表面光洁度为1.6。 5.4离合器盖的设计 通常情况下，离合器中的离合器盖连接着飞轮，其可以在一定程度上进行发动机的转矩传递工作。此外，它还被当作支承壳体，为离合器压紧弹簧以及杠杆的分离提供支撑的作用。由其特性在设计中应该关注下面几个因素：（1）离合器的刚度 在离合器分离时，离合器盖一般为分离杠杆的支点。为了保证在进行离合器的分离时，杠杆施加的力不会造成离合器盖的变形，造成操作系统的瘫痪，在一些严重的情况下还会造成一些零件的损坏。所以其制造的材料一定要好，最好选取厚度约为4的低碳钢板为材料，对其进行冲压，并在边上加强筋和卷边，这样的话会很大程度提高离合器盖的强度。（2）离合器的通风散热 在离合器的离合器盖上面，存在很多小口，这些小口可以增强离合器冷却的效率。此外，在其弹簧座上面也存在很多的小口。（3）离合器的对中问题 在离合器盖中，通常有分离杠杆，压盘，压紧弹簧等一系列的零件。为了协调各个零件的关系，让其正常的运行，保障其进行正常的工作，其对中性要求较高。 通常离合器盖有两种对中的方式，一种是止口对中，另一种是用定位销或定位螺栓对中。文章的设计中选取的是传动片传递力量的方式，因此选择的方式是第一种对中方法。 第6章 离合器分离装置设计6离合器分离装置设计 6.1分离杆的设计 在文章的设计中，采用的弹簧为膜片弹簧，弹簧中的分离指起着压紧机构、和分离杆的作用，其具体的参数将会在后面的工作中决定。 对于分离杆的设计，应该关注的内容有以下几点： （1）其所需的刚度较大；（2）铰接处应该减少运动的影响； （3）内端的高度具有可调节性。6.2离合器分离套筒和分离轴承的设计 在工作的过程中，分离轴承经常承担向轴的力。在离合器进行分离的过程中，其分离轴承会发生旋转，同时其也会受到离心力的影响，受到径向的力。在以前的机械中，离合器使用的经常是推力球和向心球两种类型的轴承，这样的轴承因为干燥经常会出现产生很大的声音，也会出现磨损的情况，因为这样的特性，这样的轴承的使用时间经常会很短。在一些发达国家中，大多已经开始使用角接触推力轴承，这种轴承具有全密封结构，其润滑的能力较强，同时其两端的形状和分离指舌尖部的形状也相互符合。 在文章的设计中，离合器的弹簧膜片采用的拉式的结构。图（6-1）表示分离的轴承装置具有自动调节中心的特点，从图中可以看出，在2号的轴承外圈、5号的轴承外圈、3号的外罩壳等零件中，其套筒和内部的边缘之间都存在一定的空隙，这样的空隙可以为轴承和套筒之间提供大小为1mm的移动空间。在图中，外圈2和标号为5的套筒的两端的表面存在一个弹簧片，在图中的标号为4，这个弹簧片能够为分离套筒和外圈之间的连接提供有力的支持，这个零件的设置可以保证轴承在不工作时处于稳定的状态。为了降低分离器工作时产生的声音，当分离轴承和弹簧旋转的轴线处于不同的圆心时，分离轴承能够调节到轴线处于的圆心中，并且一直为分离指舌尖部和轴承之间的紧密联系提供支持。此外，这个自动调心的功能还能有效的减少轴承表面的摩擦，减少轴承在工作中产生的热量，降低其表面润滑剂的过大的流失，可以极大地提高轴承的使用年限。在图中可以看出，在标号为6的蝶形弹簧标号为7的挡环之间，分离轴承一直保持将膜片弹簧分离指舌尖紧压的状态，同时标号为8的弹性锁环将其牢固的锁着，其工作效率较高且结构简单。图6-1 拉式自动调心式分离轴承装置1- 轴承内圈 2-轴承外圈 3-外罩盖 4-波形弹簧 5-分离套筒 6-碟型弹簧 7-挡环 8-弹性锁环 第8章 离合器壳设计7 离合器膜片弹簧设计 7.1 膜片弹簧的结构特点 在文章的设计中，将膜片弹簧作为分离器的压紧弹簧，其中的弹簧膜片是拉式的弹簧。 通常膜片弹簧的结构存在两种形状。弹簧膜片有大端和小端，在其大端通常会存在一个截锥体，它经常被使用在不同的机械中，因为其呈碟子的形状，所以人们通常叫它为弹簧的碟簧部分。其在膜片弹簧中主要起弹性作用，它的作用模式为：在离合器的轴向上施加力，弹簧会出现压平的状态，取消施加的力，弹簧就会出现自由的状态。但它与其他弹簧也有不同之处，其在弹簧的水平方向有一定大小的凹槽，其呈现出了花瓣的形状，通常在离合器分离时为其提供支撑，因为这个作用，所以它又有分离爪的称号。此外，凹槽是长方形的圆孔状，这样做的目的既可以降低分离爪根部的力，又可以对弹簧起固定的作用，但是其根部的角度R应该小于4.5。 7.2 膜片弹簧的变形特性和加载方式 在膜片弹簧中，其结构一般为拉式结构，在安装的时候经常采用反装的方式。膜片弹簧在离合器发生变化时一般呈现两种状态，相应的具体情况为： （1）接合时：膜片弹簧在离合器发生接合的状态中，经常会将弹簧压缩在一起，一般在飞轮和压盘离合器盖总成没有完成连接工作之前，弹簧处于自由伸直的状态中，所以其不会对压盘施加力。但是当其在连接和装合时，飞轮要与离合器的盖子并拢，在这个过程中，膜片弹簧将会承受来自离合器盖利用支承环4传递的大小为P1的载荷，这时弹簧的形状将会变平。同样地，压盘也会受到P1的作用力，这时的力被定义为压紧力。在这个过程中产生的形变被定义为大端变形1 ，将弹簧相对于压盘产生的形变定义为小端变形2。 （2）分离时：在分离轴承在弹簧的一端施加大小为P2的作用力时，产生作用的支撑环将会从支承环4变成支承环5。当作用力P2不断增加直至达到某个特定的值时，弹簧将会达到最大的压缩量，最终达到压翻的状态。再分开的过程中，在弹簧的大端和小端将会分别产生1f和2f的形变，同时有1=1f+1b。7.3 膜片弹簧的弹性变形特性 文章在前面提出在膜片弹簧中碟簧具有弹性，支撑弹簧中的形变作用，但是其在起着弹簧作用时具体的变化不同于螺旋弹簧，其弹性的图像是非线性的，它主要受H/h的影响，其中H表示弹簧中的原始内截锥高，h表示的是弹簧片的厚度。对于H/h来说，不同的值表示的弹簧的变形特性不同，其表示的情况大概可以分成以下四种情况：（1） H/h从图7-1中可以看出，对于H/h=0.5的曲线来说，主要表现出了其载荷与其变形度存在正相关的关系，其变形程度会随着载荷的增加而变大。这种弹簧因为具有较大的刚度使其载荷能力较强，更多被当做限制器使用于缓冲的设备中。（2） H/h=从图7-1中可以看出，当H/h=1.5时，曲线有一部分是平直的水平线，其表示在这个范围中,其载荷不随其形变的变化发生改变，这样的状态被称为刚性弹簧。 （3） H/h从图7-2可以看出,部分曲线表现出了负刚度不稳定的现象，在这部分中，其载荷是负的，这样的弹簧经常当做锁止机构，使用在汽车的传动中。图7-1三种不同H/h值时的无因次特曲线图7-2各种不同H/h值时的无因次弹性变形特性7.4 膜片弹簧的参数尺寸确定7.4.1 H/h比值的选取弹簧的弹性特性会受到H/h比值的影响，像在图7-3中，由曲线可知当H/h时，是一个增函数；当H/h时，存在极值，并且处在拐点的位置上；当H/h时，有存在大小两个极值；当H2时，存在极小值，并且这个极小值处在横坐标上。汽车通常情况下都会使用H/h为1.5-2.0，h为2-4mm的弹簧膜片，这样的膜片可以极大地简化操作程序，也可以使离合器的弹簧处于合适的松紧度。 在这次的设计中，H/h=1.5，H=3mm，h=2mm。图7-3 膜片弹簧的弹性特性曲线7.4.2 R及R/r确定有相关的研究表示，R/r与弹簧材料利用率存在反比例的关系，弹簧材料的利用率会随着R/r的增大而减小，这样的弹簧的硬度更高，其直径对其弹性曲线的影响程度越大。按照设计中要求的压力的相关特征，R/r处于1.21.3是最普遍出现的情况。此外，应该将弹簧膜片的半径设置为大于或者等于摩擦片的半径，这样的设置可以使摩擦片在工作时受力均匀。如果从材料利用率方向来看，R/r的值处在1.82.0的范围当中时，弹簧的质量的利用率将会达到最高，同时弹簧具有的弹性势能也是最大的。针对这个特性，可以在一些缓冲装置、降低振动频率的装置以及需要很多弹性势能的装置中使用具有这种性质的弹簧。但是对于汽车的离合器来说，其膜片弹簧并不要求具有存储很多弹性能的特性，所以选取的弹簧的R/r值不应该在1.82.0范围当中。相反的，其值应该处在1.21.3的范围当中，保证膜片弹簧具有硬度较高的特点。对于膜片弹簧的大端来说，其半径的值应该与摩擦片的半径相互协调，其值应该处在摩擦片的内径与外径之间的范围当中。除此之外，在将H，h及R/r等固定在一个特定值时，膜片弹簧应力将会随着弹簧半径的增加而降低。 初步确定R=108mm r=90mm根据公式得R/r=1.27.4.3 膜片弹簧起始圆锥底角在膜片弹簧中，其圆锥底角应该确定在1014的范围之间，膜片弹簧在不受力的情况下，其圆锥底角会受到内截锥高度的影响，其关系式为H/(R-r)。在代入数值时，一般取=12.7。7.4.4 膜片弹簧小端半径rf及分离轴承的作用半径rp膜片弹簧的结构影响rf的值，其最小值一般比变速器第一轴花键外径大，同时分离轴承作用半径应该大于rf。上面知道花键外径D=32mm，为了让2rfD成立，所取得值应为rf=20，rp=22。7.4.5 分离指数目n、切槽宽1、窗孔槽宽2、及半径re1）分离指数n的选取。一般情况下取n=18，大尺寸的膜片弹簧半径为24，小的可为12。2）切槽宽度1 、2 及半径re ，13.23.5mm，2910mm，re的取值应满足r - re 2的要求。其他的取值为: n=18，re=20mm，=3.2mm，=10mm 。8 离合器壳设计在本次离合器的设计工作中，对于发动机曲轴等零件的相关参数和尺寸的了解较少，导致只能根据离合器的相关结构的特点来进行预估。设计中的离合器的外壳主要材料是灰铸铁，其尺寸是根据离合器的压盘的尺寸确定的，其主要的制造步骤可以参考相关的设计流程图。对于此离合器的底盖来说，制作的材料为钢板材料，选取厚为1.5的08的钢板，对其进行冲压,之后在其表面喷上一层防锈漆，就可以制作成功。 第9章 绘制典型零部件图和装配图以及Proe三维建模9 绘制典型零部件图和装配图以及Proe三维建模图9-1 从动片图9-2膜片弹簧图9-3 摩擦片图9-4 摩擦片图9-5膜片弹簧图9-6从动片图9-7从动盘总成图9-8压盘图9-9离合器总成 第10章 动力学分析10 动力学分析通过Proe建立三维模型，导入至ansys中，模型为对称模型，故只取四分之一模型进行分析研究，几何模型如下所示：图10-1单元类型采用solid185，材料属性取弹性模量2.1e5MPa，泊松比为0.3图10-2进行网格划分，采用六面体网格对结构进行划分，为保证计算精度，厚度方向上划分了两层单元。图10-3约束膜片弹簧上表面与支撑环接触的圆周区域。因为在结构后处理中需要提取支反合力与位移的曲线，所以此处再约束膜片弹簧时候，先将其与支撑环接触的区域耦合到某一个新建的节点上，然后约束该节点的所有自由度，节点和膜片弹簧之间设置为刚性连接。则后处理时候提取该节点的支反力，即为总支反力。在膜片弹簧下表面与压盖接触的区域施加Z向的强制位移，模拟膜片弹簧压平过程。位移加载量为14mm。因为此处只取四分之一模型，所以截面上需要施加对称约束。所有约束情况如下所示图10-4打开大变形，设置好载荷子步进行非线性求解。 图10-5 负荷特性曲线根据图10-5可以看出，在之前膜片弹簧在位移的加载过程中，其受到的载荷在不断增加，之后达到了最大值，最后又下降到一定的水平。由图可得，膜片弹簧在载荷达到峰值之前发生的是弹性变形，之后的是不规则的线性图形则说明发生的是塑性变形。 由峰值点的数据可得，膜片弹簧的最大压紧载荷为0.24Mpa，而膜片弹簧传递最大转矩时所受的载荷为0.204Mpa，传递最大转矩时不会打滑，所以本次设计的膜片弹簧离合器满足要求。 参考文献11 结论这篇文章是按照相关的设计的参数和要求，以拉式的弹簧离合器为依据，深入了解其相关的工作原理及操作的程序等。通过对其工作原理的解释说明，将其相关的结构的方案做了对比，了解不同方案的优缺点以及计算出了零件的参数等，最终确定了离合器相关的原理、数据以及制造的材料。 结构方面：通过分析设计所需离合器的相关工作原理和使用特点，确定了一种单片拉式膜片弹簧离合器，这种离合器具有相关的扭转减振器。其压盘通过传动片进行驱动的传递，其主要的分离轴承具有自动调节中心的特点，此外还具有液压式的操纵机构。计算方面：先将离合器的相关的、P0、D、d等参数确定，之后将根据相关的计算原理得到的参数与之前确定的参数进行比较，两者符合时就判定合格。 再以离合器的弹簧间的参数关系为依据，确定其相关的参数。最后利用优化程序计算弹簧的相关优化值，确定其工作点，并完成相关的强度校核地工作。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60SiCrVA，其中所含硅成分提高了机件的弹性；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；设计后的离合器温升校核合格。总体来看，这个离合器的设计遵循的原则主要有以下几点：分离彻底、接合柔和、操纵轻便，工作特征稳定、从动部分转动惯量小等。相关的设计产品全部符合设计的相关要求，选取的相关制作原料也基本遵从了设计要求中耐磨，耐压和耐高温的特点。此外，离合器的相关尺寸也符合国家的相关标准，具有实用性较高、效率较高的特点。参考文献1鲁泽林. 离合器的正确使用J. 山东农机化,2011,03:35.2周海涛, 商佳园. 浅谈汽车离合器的发展与作用J. 企业导报, 2014(7):144-144.3申雪玲. 浅析如何提升我国零售服务业的竞争力J. 考试周刊, 2011(21):239-240.4卢金华. 汽车离合器常见故障诊断与排除J. 神州旬刊, 2012(7):208-208.5张蕾. 自调离合器的结构与性能研究D. 河北工业大学, 2012.6潘毓学, 何大志, 胡静,等. 捷达轿车离合器膜片弹簧的设计与研究J. 长春理工大学学报自然科学版, 2008, 31(3):117-121.7吴真远