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1、汽车设计第二章 离合器设计设计参数车 型： 轻型货车整车质量（Kg）：3830发动机最大扭矩/转速（Nm/rpm）:220/2100最大功率/转速（Kw/rpm）:67/3000车轮滚动半径：（mm）：340一、 离合器的设计目的及原理概述1.1离合器的设计目的了解轿车离合器的构造，掌握轿车离合器的工作原理。了解从动盘总成的结构，掌握从动盘总成的设计方法，了解压盘和膜片弹簧的结构，掌握压盘和膜片弹簧的设计方法，通过对以上几方面的了解，从而熟悉轿车离合器的工作原理。学会如何查找文献资料、相关书籍，培养自己的动手设计项目、自学的能力，掌握单独设计课题和项目的方法，设计出满足整车要求并符合相关标准、
2、具有良好的制造工艺性且结构简单、便于维护的轿车离合器，为以后从事汽车方面的工作或工作中设计其它项目奠定良好的基础。1.2离合器的工作原理离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动部分与发动机飞轮相连，从动部分与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器，实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机与传动系平顺的接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮间的冲击；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，以防止传动系个零部件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪音。1.3离合器的设计要求1
3、) 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。二、 离合器的结构方案分析2.1车型、技术参数车 型： 轻型载货汽车整车质量（Kg）：3830发动机最大扭矩/转速（Nm/rpm）:220/2100最大
4、功率/转速（Kw/rpm）:67/3000车轮滚动半径：（mm）：3402.2从动盘数的选择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，离合器通常只设一片从动盘。2.3压紧弹簧和布置形式的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：（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
5、兼起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。但膜片弹簧的制造较复杂，其精度要求高，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，由于材料性能提高，制造工艺和设计方法逐步完善，膜片弹簧的制造已日趋成熟。因此，选用膜片弹簧式离合器。2.4膜片弹簧的支承形式我们选用了拉式膜片弹簧，图为拉
6、式膜片弹簧的支承形式单支承环形式，将膜片弹簧大端支承在离合器盖中的支承环上。2.5压盘的驱动方式 在膜片弹簧离合器中，扭矩从离合器盖传递到压盘的方法有三种： 1）凸台窗孔式：它是将压盘的背面凸起部分嵌入在离合器盖上的窗孔内，通过二者的配合，将扭矩从离合器盖传到压盘上，此方式结构简单，应用较多；缺点：压盘上凸台在传动过程中存在滑动摩擦，因而接触部分容易产生分离不彻底。2）径向传动驱动式：这种方式使用弹簧刚制的径向片将离合器盖和压盘连接在一起，此传动的方式较上一种在结构上稍显复杂一些，但它没有相对滑动部分，因而不存在磨损，同时踏板力也需要的小一些，操纵方便；另外，工作时压盘和离合器盖径向相对位置不
7、发生变化，因此离合器盖等旋转物件不会失去平衡而产生异常振动和噪声。3） 径向传动片驱动方式：它用弹簧钢制的传动片将压盘与离合器盖连接在一起，除传动片的布置方向是沿压盘的弦向布置外，其他的结构特征都与径向传动驱动方式相同。经比较，我选择径向传动驱动方式。三、 离合器主要参数的选择3.1后备系数后备系数保证了离合器能可靠地传递发动机扭矩，同时它有助于减少汽车起步时的滑磨，提高了离合器的使用寿命。但为了离合器的尺寸不致过大，减少传递系的过载，使操纵轻便等，后备系数又不宜过大。由于所设计的离合器为膜片弹簧离合器，在使用过程中其摩擦片的磨损工作压力几乎不会变小（开始时还有些增加），轻型货车是在城乡间公路
8、运输，使用条件较好，宜取小值，由汽车设计书表2-1，初取=1.4。3.2单位压力单位压力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。取值范围见表：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 摩擦片材料选择石棉基材料，模压制造取=0.2Mpa。3.3摩擦片外径D内径d和厚度b 摩擦片外径D（mm）可以根据发动机最大转矩（N.m）按如下经验公式选用 为直径系数由汽车设计书表2-3选取为16
9、.5为发动机最大转矩离合器摩擦片尺寸系列和参数表1外径D/mm160180200225250280300325350380405430内径d/mm110125140150155165175190195205220230厚度b/mm3.23.53.53.53.53.53.53.54444c=d/D0.6870.6940.7000.6670.6200.5890.5830.5850.5570.5400.5430.5351- c30.6760.6670.6570.7030.7620.7960.8020.8000.8270.8430.8400.847单位面积10613216022130240246654
10、66787299081037 摩擦片标准系列尺寸，取D=250mm，d=155mm,b=3.5mm ，c=d/D=0.6203.4计算校核3.4.1单位压力验算式中，为摩擦因数取0.26；为单位压力（）为摩擦面数取2；为摩擦片外径取250；为摩擦片内径取155；计算结果与前面所选择的单位压力相差不大，选择合理。 摩擦片的工作条件比较恶劣，为了保证它能长期稳定的工作，根据汽车的的使用条件，摩擦片的性能应满足以下几个方面的要求：应具有较稳定的摩擦系数，温度，单位压力和滑磨速度的变化对摩擦系数的影响小。要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好热稳定性要好
11、，要求在高温时分离出的粘合剂较少，无味，不易烧焦磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面油水对摩擦性能的影响应最小结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象由以上的要求,目前车用离合器上广泛采用石棉塑料摩擦片，是由耐热和化学稳定性能比较好的石棉和粘合剂及其它辅助材料混合热压而成，其摩擦系数大约在0.3左右,在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦片。3.4.2最大圆周速度式中， 为摩擦片最大圆周速度（m/s）；为发动机最高转速取3000；为摩擦片外径径取250；故符合条件。3.4.2单位摩擦面积传递的转矩=(N/) 式中，为离合器传递的最大静摩擦力矩220；当摩擦片外径时，=0.0030 N/0
12、.0029 N/，故符合要求。3.4.2单位摩擦面积滑磨功 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 = () 根据公式汽车的最大爬坡度为i=16.7，将爬坡度带入公式，式中，忽略空气阻力，=0将，滚动阻力系数f取0.02代入计算得到一档时汽车的速度W = () = () = 11960 (J) 式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)；m 为汽车总质量取3830kg；rr 为轮胎滚动半径，约等于静负荷半径0.34m；n为发动机转速(r/mi
13、n),商用车n取1500 r/min;w = = = 0.197J/ 式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功取11960J满足w =2,则=r-2=84-10=74mm故取74mm。4.1.7 压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定R1和r1需满足下列条件：， 故选择R1100mm， r188mm.4.1.8膜片弹簧材料制造膜片弹簧用的材料，应具有高的弹性极限和屈服极限，高的静力强度及疲劳强度，高的冲击强度，同时应具有足够大的塑性变形性能。按上述要求，国内常用的膜片弹簧材料为硅锰钢60Si2MnA或50CrVA。4.2膜片弹簧的弹性特性曲线假设膜片弹簧在承载过程中，其子午线
14、刚性地绕上地某中性点转动。设通过支承环和压盘加载膜片弹簧上地载荷P1(N)集中在支承点处，加载点间的相对轴向变形为x1(mm),则膜片弹簧的弹性特性如下式表示：式中，E弹性模量，钢材料取E=2.06Mpa； b泊松比，钢材料取b=0.3； R自由状态下碟簧部分大端半径，mm； r自由状态下碟簧部分小端半径，mm； R1压盘加载点半径，mm； r1支承环加载点半径，mm； H自由状态下碟簧部分内截锥高度，mm； h膜片弹簧钢板厚度，mm。弹性特性曲线图：膜片弹簧的相关参表截锥高度H板厚h分离指数n圆底锥角3.4mm2mm1810五、 扭转减振器的设计扭转减振器主要由弹性元件（减振弹簧或橡胶）和阻
15、尼元件（阻尼片）等组成。弹性元件的主要作用是降低传动系的首端扭转刚度，改变系统的固有振型，尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振。阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量。5.1扭转减振器主要参数目前，在柴油机汽车中广泛采用具有怠速级的两级或三级非线性扭转减振器 。三级非线性减振器的扭转特性如下图所示。 5.1.1极限转矩极限转矩受限于减振弹簧的许用应力等因素，与发动机最大转矩有关，一般可取对于商用车，系数取1.5，计算得5.1.2扭转角刚度由经验公式初选 5.1.3 阻尼摩擦转矩可按公式初选 取5.1.4 预紧转矩减振弹簧在安装时都有一定的预紧。满足以下关系：且而则初选5.1.5 减振弹簧
16、的位置半径的尺寸应尽可能大些，一般取=(0.600.75)d/2则取=0.7d/2=0.7155/2=54.25(mm),可取为55mm.5.1.6 减振弹簧个数当摩擦片外径D250mm时，=46故取=65.1.7 减振弹簧总压力F 当减振弹簧传递的转矩达到最大值Tj时，减振弹簧受到的压力F为5.2 减振弹簧的计算在初步选定减振器的主要参数以后，即可根据布置上的可能来确定和减振器设计相关的尺寸。5.2.1 减振弹簧的分布半径的尺寸应尽可能大些，一般取=(0.600.75)d/2式中，d为离合器摩擦片内径故=0.7d/2=0.7155/2=54.25(mm)，即为减振器基本参数中的5.2.2单个
17、减振器的工作压力P5.2.3 减振弹簧尺寸 1）弹簧中径Dc其一般由布置结构来决定，通常Dc=1115mm故取Dc=12mm2）弹簧钢丝直径dd=3.45mm式中，扭转许用应力可取550600Mpa,故取为580Mpad取3.5 mm3）减振弹簧刚度k应根据已选定的减振器扭转刚度值k及其布置尺寸R1确定，即4）减振弹簧有效圈数5）减振弹簧总圈数n其一般在6圈左右，与有效圈数之间的关系为n=+(1.52)=66）减振弹簧最小高度7）弹簧总变形量8）减振弹簧总变形量9）减振弹簧预变形量10）减振弹簧安装工作高度11）从动片相对从动盘毂的最大转角最大转角和减振弹簧的工作变形量有关，其值为12）限位销
18、与从动盘毂缺口侧边的间隙，式中，为限位销的安装尺寸。值一般为2.54mm。所以可取为3mm, 为41mm。13）限位销直径按结构布置选定，一般9.512mm。可取为10mm扭转减振器相关参数表极限转矩Tj阻尼摩擦转矩T预紧转矩Tn减振弹簧的位置半径R0减振弹簧个数Zj330 Nm22 Nm17.6 Nm55mm6六、 离合器主要零部件的结构设计6.1从动盘毂的设计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来选择摩擦片外径 D/mm发动机最大转矩T/(Nm)花键尺寸
19、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/mm25019610353243510.26.2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：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。6.3离合器盖结构设计的要求 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
20、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。本次设计初选08钢板厚度为3mm6.4压板的设计对压盘结构设计的要求: 1)压盘应具有较大的质量,以增大热容量，减小温，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
21、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 gcm 。 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。6.5压板的结构设计与选择t = (1)m = = (2)t=式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功，W=11960J为传到压盘的热量所占的比例，对单片离合器压盘. =0.5；m为压盘质量(kg)V为压盘估算面积；c为压盘的比热容，铸铁：c=481.4 J/(kg)；为铸铁密度，取7800 kg/m；为摩擦片外径取250；为摩擦片内径取155； h为压盘厚度，取=15 mm； t为压盘温升（）满足压盘温升不超过810要求。
