离合器设计说明书.docx

绪言对于以内燃机为动力的汽车，离合器在机械传动系中是作为一个独立的总成而存在的，它是汽车传动系中直接与发动机相连的总成。目前，各种汽车广泛采用的摩擦离合器是一种依靠主从动部分之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。它主要包括主动部分、从动部分、压紧机构、和操纵机构等四部分。离合器的功用主要的功用是切断和实现发动机对传动系的动力传递，保证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；在换档时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮之间的冲击；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，以防止传动系各零件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪声。 对各种离合器的分析1从动盘数及干、湿式的选择 （1）单片干式摩擦离合器 其结构简单，调整方便，轴向尺寸紧凑，分离彻底，从动件转动惯量小，散热性好，采 用轴向有弹性的从动盘时也能接合平顺。因此，广泛用于各级轿车及微、轻、中型客车与货 车上，在发动机转矩不大于 1000N m 的大型客车和重型货车上也有所推广。当转矩更大时 可采用双片离合器。 （2）双片干式摩擦离合器 与单片离合器相比，由于摩擦面增多使传递转矩的能力增大，接合也更平顺、柔和；在 传递相同转矩的情况下，其径向尺寸较小，踏板力较小。但轴向尺寸加大且结构复杂；中间 压盘的通风散热性差易引起过热而加快摩擦片的磨损甚至烧伤碎裂；分离行程大，调整不当 分离也不易彻底；从动件转动惯量大易使换档困难等。仅用于传递的转矩大且径向尺寸受到 限制时。 （3）多片湿式离合器 摩擦面更多，接合更加平顺柔和；摩擦片浸在油中工作，表面磨损小。但分离行程大、 分离也不易彻底，特别是在冬季油液粘度增大时；轴向尺寸大；从动部分的转动惯量大，故 过去未得到推广。近年来，由于多片湿式离合器在技术方面的不断完善，重型车上又有采用， 并有不断增加的趋势。因为它采用油泵对摩擦表面强制冷却，使起步时即使长时间打滑也不 会过热，起步性能好，据称其使用寿命可较干式高出 56 倍。 2压紧弹簧的结构型式及布置 离合器压紧弹簧的结构型式有：圆柱螺旋弹簧、矩形断面的圆锥螺旋弹簧和膜片弹簧等。 可采用沿圆周布置、中央布置和斜置等布置型式。根据压紧弹簧的型式及布置，离合器分为： （1）周置弹簧离合器 周置弹簧离合器的压紧弹簧是采用圆柱螺旋弹簧并均匀布置在一个圆周上。有的重型汽 车将压紧弹簧布置在同心的两个圆周上。周置弹簧离合器的结构简单、制造方便，过去广泛 用于各种类型的汽车上。现代由于轿车发动机转速的提高(最高转速高达 50007000rmin 或更高)，在高转速离心力的作用下，周置弹簧易歪斜甚至严重弯曲鼓出而显著降低压紧力； 另外，也使弹簧靠到定位座柱上而使接触部位严重磨损甚至出现断裂现象。因此，现代轿车 及微、轻、中型客车多改用膜片弹簧离合器。但在中、重型货车上，周置弹簧离合器仍得到 广泛采用。 （2）中央弹簧离合器 采用一个矩形断面的圆锥螺旋弹簧或用 12 个圆柱螺旋弹簧做压簧并布置在离合接触， 因此压盘由于摩擦而产生的热量不会直接传给弹簧而使其回火失效。压簧的压紧力是经杠杆 系统作用于压盘，并按杠杆比放大，因此可用力量较小的弹簧得到足够的压盘压紧力，使操 纵较轻便。采用中央圆柱螺旋弹簧时离合器的轴向尺寸较大，而矩形断面的锥形弹簧则可明 显缩小轴向尺寸，但其制造却比较困难，故中央弹簧离合器多用在重型汽车上以减轻其操纵 力。根据国外的统计资料：当载货汽车的发动机转矩大于 400450N m 时，常常采用中央 弹簧离合器。 （3）斜置弹簧离合器 是重型汽车采用的一种新型结构。以数目较多的一组圆柱螺旋弹簧为压紧弹簧，分别以 倾角（弹簧中心线与离合器中心线间的夹角）斜向作用于传力套上，后者再推动压杆并按杠 杆比放大后作用到压盘上。这时，作用在压杆内端的轴向推力等于弹簧压力的轴向分力。当 摩擦片磨损后压杆内端随传力套前移，使弹簧伸长，压力减小，倾角亦减小，而 cos 值则增 大。这样即可使在摩擦片磨损范围内压紧弹簧的轴向推力几乎保持不变，从而使压盘的压紧 力也几乎保持不变。同样，当离合器分离时后移传力套，压盘的压紧力也大致不变。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。与周置弹簧离合器 比较，其踏板力约可降低 35。 （4）膜片弹簧离合器 膜片弹簧离合器具有很多优点：首先，由于膜片弹簧具有非线性特性，因此可设计成当 摩擦片磨损后，弹簧压力几乎可以保持不变，且可减轻分离离合器时的踏板力，使操纵轻便； 其次，膜片弹簧的安装位置对离合器轴的中心线是对称的，因此其压力实际上不受离心力的 影响，性能稳定，平衡性也好；再者，膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使离 合器的结构大为简化，零件数目减少，质量减小并显著地缩短了其轴向尺寸；另外，由于膜 片弹簧与压盘是以整个圆周接触，使压力分布均匀，摩擦片的接触良好，磨损均匀，也易于 实现良好的散热通风等。 膜片弹簧离合器在轿车及微型、轻型客车上已得到广泛的采用，而且逐渐扩展到载货汽 车上。国外已设计生产了传递转矩为 802000N m、最大摩擦片外径达 420mm 的膜片弹簧 离合器系列，广泛用于轿车、客车、轻型和中型货车上。甚至某些总质量达 2832t 的重型 汽车也有采用膜片弹簧离合器的。但膜片弹簧的制造成本比圆柱螺旋弹簧要高。 膜片弹簧离合器的操纵曾经都是采用压式结构。当前，膜片弹簧离合器的压式操纵已为 拉式操纵结构所取代。后者的膜片弹簧为反装，并将支承圈移到膜片弹簧的大端附近，使结 构简化、零件减少、拆装方便；膜片弹簧的应力分布也得到改善，最大应力下降；支承圈磨 损后仍保持与膜片的接触使离合器踏板的自由行程不受影响。而在压式结构中支承圈的磨损 会形成间隙而增大踏板的自由行程。 一、 膜片弹簧离合器1.1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。1.2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1.3膜片弹簧离合器的工作原理由图可知，离合器盖与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧被预加压紧，离合器处于接合位置时，由于膜片弹簧大端对压盘的压紧力，使得压盘与从动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要分离离合器时，将离合器踏板踏下，通过操纵机构，使分离轴承总成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。 二、离合器结构方案选取2.1离合器的结构设计时必须综合考虑因素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。 2.2结构设计 2.2.1从动盘数的选择：单片离合器单片离合器： 单片离合器的结构简单，轴向尺寸紧凑，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，采用轴向有弹性的从动盘可保证结合平顺。双片离合器：一般用于传递转矩较大且径向尺寸受到限制的场合。多片式离合器：主要应用于最大总质量大于14吨的商用车的行星齿轮变速器换挡机构中。对乘用车和最大质量小于6t的商用车而言，发动机的最大转矩一般不大，在布置尺寸容许条件下，离合器通常只设有一片从动盘。所以选择单片式离合器。2.2.2压紧弹簧和布置形式的选择：拉式膜片弹簧离合器膜片弹簧是一种由弹簧钢制成的具有特殊结构的碟形弹簧，主要由碟簧部分和分离指部分组成。拉式膜片弹簧的分离是与分离轴承套筒总成嵌装在一起的,需要采用专门的分离轴承,结构复杂,安装拆卸复杂,这次采用推式弹簧离合器。2.2.3压盘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等多种。前三种的共同缺点是在连接件之间都有间隙，在传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，降低了离合器的传动效率。弹性传动片式是近年来广泛采用的驱动方式，沿圆周切向布置的三组或四组薄弹簧钢带传动片两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联结，传动片的弹性允许其作轴向移动。弹性传动片驱动方式结构简单，压盘与飞轮对中性能好，使用平衡性好，工作可靠，寿命长。综合以上：选用弹性驱动片驱动。三、离合器基本结构参数的确定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的可靠程度。在选择时，应考虑摩擦片在使用中的磨损后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：1.201.75 ，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p单位压力p 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。p 取值范围见表4-2。表3-2 摩擦片单位压力p的取值范围摩擦片材料单位压力p/Mpa石棉基材料模压0.150.25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 0.27 p选择：0.10 Mpa p0 1.50 Mpa ，本次设计取 p = 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=KTe=194mm.取D =250 mm 则V=60nD10-3=58.8ms65-70m/sT = T= 1.2178 = 213.6N.m Tc0=-O.OOO8N.m/ mm20.3满足要求。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 = 0.62 ，d = 0.6D = 0.62250 = 155 mm ，取d = 155 mm 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 。四、离合器从动盘设计41 从动盘结构简要介绍 从动片的材料与其结构型式有关，整体式即不带波形弹 簧片的从动片，一般用高碳钢（50 或 85 号钢）或 65Mn 钢板，热处理硬度 HRC3848；采 用波形弹簧片的分开式（或组合式）从动片，从动片采用 08 钢板，氰化表面硬度 HRC45， 层深 0.20.3mm；波形弹簧片采用 65Mn 钢板，热处理硬度 HRC435l。 从动盘毂的花键孔与变速器第一轴前端的花键轴以齿侧定心矩形花键的动配合相联接， 以便从动盘毂能作轴向移动。花键的结构尺寸可根据从动盘外径和发动机转矩按国标 GBll4474 选取。42、从动盘设计4.2.1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：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。本次设计初选从动片厚度为2mm 42.2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。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T由表4-2选取。表4-2 从动盘毂花键的尺寸摩擦片外径 D/mm发动机最大转矩T/(Nm)花键尺寸挤压应力/MPa齿数n外径D/mm内径d/mm齿厚t/mm有效尺长l/mm160491023183209.81806910262132011.620010810292342511.122514710322643011.325019610352843510.228027510353244012.530030410403254010.532537310403254511.435047110403255013.0本次设计D = 250 mm ，T= 178Nm 故选择花键类型为：摩擦片外径 D/mm发动机最大转矩T/(Nm)花键尺寸挤压应力/MPa齿数n外径D/mm内径d/mm齿厚t/mm有效尺长l/mm25019610352843510.2花键的校核:花键挤压应力校核公式如下: =Pnhl ，P为花键的齿侧面压力，n为花键齿数 P=4Te(D+d)Z=4*17835+28*1 ，D为花键外径 d为内径 Z为从动盘毂的数目。 h为花键工作高度，l为花键有效长度。 代入相关数据得P=1.02Mpa=P=T*n/9550=1784500/9550=83.8取rI轴花键外径=35 mm由文献4得知花键尺寸ro=36 rf=40 B=76）切槽宽度、及半径r 的确定= 3.23.5 mm，= 910 mm，r 的取值应满足r - r 。本次设计取 = 3.5 mm，= 10 mm ，r r -= 75 mm 。7）压盘加载点半径R 和支承环加载点半径r 的确定R=100mm r=86mm7.5、膜片弹簧的计算膜片弹簧的优化设计就是要确定一组弹簧的基本参数，使其弹性特性满足离合器的使用性能要求，而且弹簧强度也满足设计要求，以达到最佳的综合效果。1）为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的H/h 与初始底锥角H/(R-r)应在一定范围内，即 1.6 H/h = 1.7 2.2 9H/(R-r)=911.3 152）弹簧各部分有关尺寸的比值应符合一定的范围，即1.20 R/r=120 1.353.5R / r0=3 5.0=33）为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，拉式膜片弹簧的压盘加载点半径r1应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即(D+d)/4 R1 = 100 D/24）根据弹簧结构布置要求，R1与R，rf与r0之差应在一定范围内，即 1 R-R1 = 2 7 0 rf-r0 = 2 45）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，因此其杠杆比应在一定范围内选取，即3.5 6.5 9.0八、离合器壳的设计在本设计中,由于不知道发动机曲轴,飞轮等零件的尺寸,因而只有本设计计算出的压盘以及该离合器的结构特点和以往经验来确定。该离合器壳采用灰铸铁铸造而成，离合器外壳底盖的尺寸的确定也是根据压盘的尺寸来确定的，该零件的工作图参见设计图。该离合器盖外壳底盖采用厚为1.5的08钢板材料冲压而成,再在表面图防锈漆。 总结本次课程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单片拉式膜片弹簧离合器，压盘驱动方式采用传动片传动，分离轴承采用自动调心式分离轴承，操纵机构采用液压式。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。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；设计后的离合器温升校核合格。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。由于此次设计中因选取的部分零件作为主要设计对象，存在很多的不完善，设计过程中也遇到很多的困难，所以在本次设计中可能有很多错误和遗漏，希望各位老师批评指正。参考文献1 王望予 汽车设计 第4版 机械工业出版社 2004年 2 陈家瑞 汽车构造(下册) 第2版 机械工业出版社 3 纪名刚，陈国定，吴立言 机械设计 第8版 高等教育出版社 2006年 4 巩云鹏,田万禄,张祖立 机械设计课程设计 第1版 东北大学出版社 2000年 5 刘惟信 汽车设计 清华大学出版社 第1版 清华大学出版社6 徐安石 江发潮编著 汽车离合器 清华大学出版社