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1、第二章,离合器设计,第二章 离合器设计,本章主要学习：（1）汽车离合器设计的基本要求；（2）各种形式汽车离合器的特点及应用；（3）离合器基本参数的选择及优化；（4）膜片弹簧主要参数的选择及优化；（5）扭转减振器的设计；（6）离合器的操纵。,第二章 离合器设计,第一节 概述 第二节 离合器的结构方案分析 第三节 离合器主要参数的选择 第四节 离合器的设计与计算 第五节 扭转减振器的设计 第六节 离合器的操纵机构 第七节 离合器结构元件,摩擦离合器主要组成?,第一节 概述,离合器工作原理,离合器主要作用?,汽车离合器设计的基本要求?,1）能传递发动机的最大转矩。2）接合时平顺柔和。3）分离时要迅速
2、、彻底。4）减轻换挡时变速器齿轮间冲击。5）散热好，保证离合器的使用寿命。6）避免传动系产生扭转共振，吸振、缓冲。7）操纵轻便、准确。8）作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数使用过程变化要尽可能小，保证有稳定的工作性能。9）应有足够的强度和良好的动平衡。10）结构应简单、紧凑，制造工艺性好，维修、调整方便等。,第二节 离合器的结构方案分析,按其从动盘的数目,单片双片多片,根据压紧弹簧布置形式,圆周布置中央布置斜向布置膜片弹簧,根据使用的压紧弹簧形式,圆柱螺旋弹簧 圆锥螺旋弹簧 膜片弹簧离合器,根据分离时所受作用力的方向,拉式推式,1从动盘数的选择,单片离合器（图2-1）结构简单，尺寸紧凑，
3、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。,图2-1 单片离合器,双片离合器传递转矩大，径向尺寸小，踏板力小，接合平顺。但中间压盘通风散热不良，分离不够彻底。,图2-2 双片离合器,多片离合器主要用于行星齿轮变速器换挡机构中。它具有接合平顺柔和、摩擦表面温度较低、磨损较小，使用寿命长等优点，主要应用于重型牵引车和自卸车上。,2压紧弹簧和布置形式的选择,(1)周置弹簧离合器,(2)中央弹簧离合器,(3)斜置弹簧离合器,（1）衬片磨损后，弹簧伸长，则F，但后，cos，使得F基本不变（2）离合器分离时，弹簧被压缩，则F，但后，cos，使得F基本不变。,近年来，膜片
4、弹簧离合器不仅在轿车上被大量采用，而且在轻、中、重型货车以及客车上也被广泛采用。,(4)膜片弹簧离合器,推式和拉式膜片弹簧离合器,3膜片弹簧支承形式,图2-5 推式膜片弹簧双支承环形式,图2-6 推式膜片弹簧单支承环形式,图2-7 推式膜片弹簧无支承环形式,图2-8 拉式膜片弹簧支承形式,第三节 离合器主要参数的选择,离合器的静摩擦力矩根据摩擦定律可表示为（2-1）假设摩擦片上工作压力均匀，则有（2-2）摩擦片的平均摩擦半径Rc根据压力均匀的假设，可表示为（2-3）当d/D0.6时，Rc可相当准确地由下式计算（2-4）将式（2-2）与式（2-3）代入式（2-1）得,式中，c为摩擦片内外径之比，
5、c=d/D，一般在0.530.70之间。为了保证离合器在任何工况下都能可靠地传递发动机的最大转矩，设计时Tc应大于发动机最大转矩，即 Tc=Temax（2-6）式中，Temax为发动机最大转矩。为离合器的后备系数，定义为离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动机最大转矩之比，必须大于1。,（2-5）,2（,离合器基本参数的选择,基本参数主要有性能参数和0，尺寸参数D和d及摩擦片厚度b等。1后备系数 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。,2单位压力p0,不同材料摩擦片单位压力0的取值范围,3摩擦片外径D、内径d和厚度 在离合器结构形式及摩擦片材料选定、其他参数已知
6、或选取后，结合式（2-1）和式（2-5）即可估算出摩擦片尺寸。（2-7）摩擦片外径D（mm）也可根据如下经验公式选用（2-8）式中：KD为直径系数,摩擦片内径d根据d/D在0.530.70之间来确定。D一定时，选用较小的d可增大摩擦面积，提高传递转矩的能力，但会使摩擦面上的压力分布不均，使摩擦片内外圆周的相对滑磨速度差别太大而造成摩擦面磨损不均匀，不利于散热和扭转减震器的安装。所选的D应使摩擦片最大圆周速度不超过6570m/s。摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三种。,4摩擦因数f、摩擦面数Z和离合间隙 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
7、。各种摩擦材料的摩擦因数f的取值范围如下表：,摩擦面数为从动盘数的两倍，决定于离合器所需传递转矩的大小及其结构尺寸。离合间隙一般为34mm,第四节 离合器的设计与计算,一、离合器基本参数的优化 1 设计变量后备系数取决于离合器工作压力F和离合器的主要尺寸参数D和d。单位压力p0也取决于F和D及d。因此，离合器基本参数的优化设计变量选为X=x1 x2 x3 T=F D d T 2 目标函数 离合器基本参数优化设计追求的目标是在保证离合器性能要求条件下，使其结构尺寸尽可能小，即目标函数为,3 约束条件,1)摩擦片的外径D(mm)的选取应使最大圆周速度D不超过6570ms，即（28）2)摩擦片的内外
8、径比c应在0.530.70范围内，即0.53c0.70 3)为保证离合器可靠传递转矩，并防止传动系过载，不同车型的值应在一定范围内，最大范围为1.24.0，即 1.24.0 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2Ro约50mm，即 d2Ro+50 5)为反映离合器传递转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许用值，即（29）,3 约束条件,6)为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，单位压力p0对于不同车型，根据所用的摩擦材料在一定范围内选取，最大范围p0为0.101.50MPa，即 0.10MPap01.50MPa7)为了减少汽车起步过程中离合
9、器的滑磨，防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤，每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值，即（210）W为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功(W)，可根据下式计算（211）,二、膜片弹簧主要参数的选择,膜片弹簧的主要参数：内截锥高度 H；h；R；r；n,图-膜片弹簧的主要参数,1.比值Hh和h的选择,Hh一般为1.52.0，板厚h为24mm。,图-H/h 对膜片弹簧弹性特性的影响,2.比值Rr和R、r的选择Rr一般为1.201.35。推式膜片弹簧的R值应取为大于或等于摩擦片的平均半径Rc，拉式膜片弹簧的r值宜取为大于或等于Rc。3.的选择=arctan H(Rr)H(Rr)。一般在915
10、范围内。,4.膜片弹簧工作点位置的选择B一般取在凸点M和拐点H之间，且靠近或在H点处，一般1B=(0.81.0)1H，C点应尽量靠近N点。,图2-11 膜片弹簧的弹性特性曲线,5.分离指数目n的选取18，24，12。6.膜片弹簧小端内径r0及分离轴承作用半径rf的选择 r0最小值大于变速器第一轴花键的外径。r0应大于rf,7.切槽宽度1、2及半径re的确定 1=3.23.5mm，2=910mm，r-re 2。8.压盘加载点R1和支承环加载点r1的确定,图212 膜片弹簧在不同工作状态时的变形 a)自由状态 b)压紧状态 C)分离状态,三、膜片弹簧的优化设计,1.目标函数,（2-12）,2.设计
11、变量,图212 膜片弹簧在不同工作状态时的变形 a)自由状态 b)压紧状态 C)分离状态,X=x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 T=H h R r R1 r1 1B T,3.约束条件,1)应保证所设计的弹簧工作压紧力F1B与要求压紧力FY相等，即 F1B=FY 2)为了保证各工作点A、B、C有较合适的位置(A点在凸点M左边，B点在拐点H附近，C点在凹点N附近，如图2-11所示)，应正确选择1B相对于拐点1H的位置，一般1B1H=0.81.0，即,(2-15),3)保证摩擦片磨损后仍能可靠地传递转矩，摩擦片磨损后弹簧工作压紧力F1A 应大于或等于新摩擦片时的压紧力F1B，即
12、 F1AF1B 4)为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的Hh与初始底锥角H(R-r)应在一定范围内，即 1.6Hh2.2 9H(R-r)15 5)弹簧各部分有关尺寸比值应符合一定的范围，即1.20Rr1.35 702RA100 3.5Rr05.0(2-16),6)为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，推式膜片弹簧的压盘加载点半径R1(或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 推式：(D+d)4R1D2 拉式：(D+d)4r1D27)根据弹簧结构布置的要求，R1与R、r1与r、rf与r0之差应在一定范围，即1R1-R7 0r1-r6 0rf-r048)膜片弹簧的杠
13、杆比应在一定范围内选取，即推式：2.3(r1-rf)(R1-r1)4.5 拉式：3.5(R1-rf)(R1-r1)9.09)弹簧在工作过程中B点的最大压应力rBmax应不超过其许用值，即rBmaxrB10)弹簧在工作过程中A点(或A点)的最大拉应力tAmax(或tAmax)应不超过其相应许用值，即 tAmaxtA 或tAmaxtA,11)由主要尺寸参数H、h、R和r制造误差引起的弹簧压紧力的相对偏差不超过某一范围，即,0.05(2-17),12)由离合器装配误差引起的弹簧压紧力的相对偏差也不得超过某一范围，即,0.05(2-18),式中，F1B为离合器装配误差引起的弹簧压紧力的偏差值。,第五节
14、 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)和阻尼元件(阻尼片)等组成。,扭转减振器线性和非线性特性,图2-13 单级线性减振器的扭转特性,图2-14 三级非线性减振器的扭转特性,减振器的主要参数,减振器的扭转刚度k和阻尼摩擦元件间的摩擦转矩T是两个主要参数。其设计参数还包括极限转矩TJ、预紧转矩Tn和极限转角等J。,1 极限转矩TJTJ=(1.52.0)Temax(2-19),图2-15 减振器尺寸简图,2 扭转刚度k,T=1000KZj,(2-20),k=1000KZj,设计时可按经验来初选k k13TJ(2-22),(2-21),3 阻尼摩擦转矩TT=(0.060.17
15、)Temax(2-23)4 预紧转矩Tn Tn=(0.050.15)Temax(2-24)5 减振弹簧的位置半径Ro Ro=(0.600.75)d/2(2-25)6 减振弹簧个数Zj,7 减振弹簧总压力F F=TJ/Ro(2-26)8 极限转角,(2-27),目前从动盘减振器在特性上存在如下局限性：1)通用的从动盘减振器不能使传动系振动系统的固有频率降低到怠速转速以下，因此不能避免怠速转速时的共振。2)它在发动机实用转速10002000rmin范围内，难以通过降低减振弹簧刚度得到更大的减振效果。,双质量飞轮的减振器,图2-16 双质量飞轮减振器,1一第一飞轮 2一第二飞轮 3一离合器盖总成 4
16、一从动盘 5一球轴承 6一短轴 7一滚针轴承 8一曲轴凸缘 9一联结盘 10一螺钉 11一扭转减振器,我国配置双质量飞轮的部分车型,第六节 离合器的操纵机构,1对操纵机构的要求1）踏板力要小，轿车：80150N，货车：150200N。2）踏板行程在一定的范围内，轿车：80150mm，货车：180mm。3）摩擦片磨损后，踏板行程应能调整复原。4）有对踏板行程进行限位的装置，防止操纵机构因受力过大而损坏。5）应具有足够的刚度。6）传动效率要高。7）发动机振动及车架和驾驶室的变形不会影响其正常工作。,2操纵机构结构形式选择,常用的离合器操纵机构主要有机械式、液压式等。,机械式,3离合器操纵机构的主要计算,图2-17 液压式操纵机构示意,(2-28),踏板力Ff可按下式计算,工作缸直径d2的确定与液压系统所允许的最大油压有关。考虑到橡胶软管及其他管接头的密封要求，最大允许油压一般为58Mpa。对于机械式操纵机构的上述计算，只需将d1和d2取消即可。,(2-29),第七节 离合器结构元件,1.从动盘总成2.离合器盖总成：离合器盖、压盘、传动片、分离杠杆装置、支撑环3.分离轴承总成,back,轿车（桑塔纳2000）传动系统,摩擦片式离合器,膜片弹簧离合器,
