汽车膜片弹簧离合器的设计.doc

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1、汽车膜片弹簧离合器的设计摘要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。 本文将对汽车离合器中一种常见的离合器-膜片弹簧离合器的发展状况和发展趋势进行介绍，然后对膜片弹簧离合器的基本构造组成进行分析说明，

2、设计部分先对离合器盖来进行设计，选择合适的材料，确定主要参数，而后对膜片弹簧进行设计，选择合适的材料，之后对压盘和传动片，进行同样的方法，确定参数，进行一系列强度计算。关键词：汽车膜片弹簧离合器，膜片弹簧，压盘，传动片，强度计算 Design of diaphragm spring clutchof automobile ABSTRACTThe clutch is usuallymounted between the engine and transmission,theactive part connected with the engine flywheel,the drivenpart

3、is connected with thetransmission.For thefriction clutchis widely used invarious types ofvehicles, in fact is a kind of mechanism ofthe main,driven in partbythe frictionbetweenthe power and the separationtotransfer.The main functionis to cut off theengagementof clutchandengine and transmission syste

4、m to achieve smooth,ensure thevehicle smoothly;when the shift in the engine andtransmissionline separation,reduce the impact oftransmission gear shift between;by the larger dynamic loadat work,the maximum torquetransmission system to limit thebear,in order to prevent the transmissionsystemcomponents

5、from being damaged due to overloading;effectively reduce vibration and noisein the transmission system.In this paper,thedevelopment status anddevelopment trend ofdiaphragm spring clutchto clutch-a commonautomobileclutchis introduced,thenthe basic structureof the diaphragm spring clutchcompositionana

6、lysis showsthe designpart,firstcarries on the design to theclutchcover,selection of appropriate materials,determination of mainparameters,and then thedesignof the diaphragm spring,select the appropriatethe material,after thepressure plate and driveplate,the same method,to determine theparameters,a s

7、eries ofstrengthcalculation.Key word: Diaphragm spring clutch diaphragm spring,automobile,pressure plate,the transmission sheet,strength calculation目录1 绪论-1 1.1概述-1 1.2膜片弹簧离合器的发展概况-1 1 离合器设计的要求-2 1.1离合器设计的基本要求-2 1.2技术参数的要求-2 1.3膜片弹簧离合器结构-2 1.4膜片弹簧离合器的优点-3 1.5膜片弹簧离合器的工作原理-4 2 离合器摩擦片参数的确定-52.1摩擦片参数的选择

8、-52.1.1后备系数-5 2.1.2离合器传递的最大静摩擦力矩Tc-52.1.3初选摩擦片外径D、内径d、厚度b-52.1.4单位压力Po-62.2离合器基本参数的校核-72.2.1最大圆周速度-7 2.2.2 单位摩擦面积传递的转矩-82.2.3单位压力-82.2.4单位摩擦面积滑磨功-83膜片弹簧的设计 -93.1膜片弹簧基本参数的选择-93.1.1截锥高度H与板厚h比值和板厚h的选择-93.1.2自由状态下碟簧部分大端R、小端r的选择和比值-93.1.3膜片弹簧起始圆锥底角的选择-93.1.4 分离指数目n的选取-103.1.5 切槽宽度1、2及半径-103.1.6 压盘加载点半径R1

9、和支承环加载点半径r1的确定-103.1.7膜片弹簧材料-103.2 膜片弹簧的弹性特性曲线-10 4扭转减振器的设计-124.1 扭转减振器主要参数-124.1.2 扭转刚度k-124.1.3 阻尼摩擦转矩T-134.1.4 预紧转矩Tn-134.1.5 减振弹簧的位置半径R0-134.1.6 减振弹簧个数Zj-134.1.7 减振弹簧总压力F-134.2 减振弹簧的计算-14 4.2.1 减振弹簧的分布半径R1-144.2.2单个减振器的工作压力P-144.2.3 减振弹簧尺寸-145.1从动盘毂的设计-16 5.2从动片的设计-165.3离合器盖结构设计的要求：-165.4压盘的设计-1

10、75.5压盘的结构设计与选择-176设计小结-18 汽车膜片弹簧离合器的设计 汽车膜片弹簧离合器的设计1 绪论1.1概述 对于以内燃机为动力的汽车，离合器的机械传动系中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接的总成。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。主、从动部分和压紧机构是保证离合器处于结合状态并能传递动力的基本结构，操纵机构是使离合器主、从动部分分离的装置。离合器的主要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的平顺接合，确保

11、汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换挡齿轮之间的冲击；在工作中收到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的的最大转矩，以及防止传动系各零部件因过载而损坏；有效的降低传动系中的震动和噪声。1.2膜片弹簧离合器的发展概况 随着汽车发动机转速、功率的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，已成为离合器发展的趋势。1.1离合器设计的

12、基本要求（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。1.2技术参数的要求车 型： 福克斯整车质量（Kg）：1282最大扭矩/转速（Nm/rpm）:159/4000主减速比：4.353一档速比：3

13、.434滚 半 径：（mm）：3501.3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。（1）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。（2）压盘压盘的结构一般是环形盘状铸件，离

14、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。（3）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。（4）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

15、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。1.4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；易于实现良好的通风散热，使用寿命长；（5）膜片弹簧中心

16、与离合器中心线重合，平衡性好1.5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，切断了发动机动传递。图1.1 膜片弹簧离合器结构图二，离合器摩擦片参数的确

17、定2.1摩擦片参数的选择2.1.1后备系数后备系数是离合器设计中的一个重要的参数，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，应考虑摩擦片早使用中磨损后离合器还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。显然，为可靠地传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨时间过长，不宜取得太小；为使离合器尺寸不致过大，减少哦传动系过载，保证操纵轻便，又不宜取得太大。膜片弹簧离合器由于摩擦片磨损后压力保持较稳定，且小轿车的后背功率小，故选取值可以取较小点，根据教材汽车设计P59表2-1，选值为：1.25。2.1.2离合器传递的最大静摩擦力矩Tc 为了保证离合器的在

18、任何工况下都能正常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： =198.8 （2-7）式中，Temax为发动机最大转矩；为离合器后备系数，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。（公式参考汽车设计P59）2.1.3初选摩擦片外径D、内径d、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。摩擦片外径可根据发动机最大转矩Temax（）按如下经验公式选用 D=14.6=184.10 mm式中KD为直径系数，取值范围可见汽车设计P60表2-3，在此我们取KD值为14.6.当摩擦片外径D确定以后，摩擦片内径d可根

19、据d/D在0.53-0.70之间确定，而摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm、4.0mm三种。查摩擦片标准系列尺寸表可得，D=200mm,d=120mm,b=3.5，c=0.600。2.1.4单位压力Po单位压力Po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的影响，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。对于离合器使用频繁、发动机后备系数较小、载重质量较大或经常在坏路面上行驶的汽车，Po应该取小些；当摩擦片外径较大时，为了降低摩擦片外缘出的热负荷，Po应取小些；后备系数较大时，可适当增大Po。 当摩擦片采用不用的材料时，

20、Po的取值范围可参考汽车设计P60表2-2。计算公式参考汽车设计P59公式（2-6）即： (2-6)式中，为摩擦因数取0.25为单位压力（）为摩擦面数取2为摩擦片外径取200mm；为摩擦片内径取120mm摩擦片材料选择石棉基材料，为单位压力0.25，为摩擦因数取0.25 摩擦片的工作条件比较恶劣，所以其性能一般满足几个方面的要求：1.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。2.要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。3.要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好4.热稳定性要好，要求在高温时分离出的粘合剂较少，无味，不易烧焦5.磨合性能要好，不致刮伤飞轮及

21、压盘等零件的表面6.油水对摩擦性能的影响应最小7.结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象根据以上的要求,且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0.25左右,在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦片。2.2离合器基本参数的校核2.2.1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4000;为摩擦片外径径取200； 故符合条件2.2.2 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198.8；当摩擦片外径D210mm时，=0.28 N/0.0049 N/，故符

22、合要求2.2.3单位压力 为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，选取单位压力的最大范围为0.15.35Mpa，由于已确定单位压力0.25Mpa，在规定范围内，故满足要求2.2.4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 = () = () = 15399 (J) (2-12)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1282kg；rr 为轮胎滚动半径0.35m；i为汽车起步时所用变速器档位的传动比4.3

23、53；i为主减速器传动比3.434；n为发动机转速(r/min),乘用车n取2000 r/min;公式参考汽车设计P62w = = = 0.38 (2-13)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15399J满足w =2,则=r-2=64-10=54mm故取60mm.3.1.6 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R178mm， r172mm.3.1.7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60Si2M

24、nA或50CrVA。3.2 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。图形如下：图4.1弹性特性曲线膜片弹簧的相关参数如表3表3截锥高度H板厚h分离

25、指数n圆底锥角3.8mm2.4mm1813 一、 扭转减振器的设计4.1 扭转减振器主要参数带扭转减振器的的从动盘结构简图如下图4.1所示弹簧摩擦式:图4.2带扭转减振器的从动盘总成结构示意图1从动盘；2减振弹簧；3碟形弹簧垫圈；4紧固螺钉；5从动盘毂；6减振摩擦片7减振盘；8限位销由于现今离合器的扭转减振器的设计大多采用以往经验和实验方法通过不断筛选获得,且越来越趋向采用单级的减振器。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，Tj=(1.52.0) 对于乘用车，系数取2.0。则Tj=2.02.0159318（Nm）4.1.2 扭转刚度k由经验公式初选： k Tj

26、即kTj133184134（Nm/rad）4.1.3 阻尼摩擦转矩T可按公式初选TT（0.060.17）取T=0.1 =0.1159=15.9(Nm)4.1.4 预紧转矩Tn减振弹簧在安装时都有一定的预紧。Tn满足以下关系：Tn（0.050.15）且TnT15.9 Nm而Tn（0.050.15）7.9523.85 Nm则初选Tn12Nm4.1.5 减振弹簧的位置半径R0R0的尺寸应尽可能大些，一般取R0=(0.600.75)d/2则取R0=0.65d/2=0.65120/2=39(mm),可取为40mm.4.1.6 减振弹簧个数Zj当摩擦片外径D250mm时，Zj=46故取Zj=54.1.7

27、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FTj/R0318/(40)7.95(kN)4.2 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4.2.1 减振弹簧的分布半径R1R1的尺寸应尽可能大些，一般取R1=(0.600.75)d/2式中，d为离合器摩擦片内径故R1=0.65/2=0.65120/2=39(mm)，即为减振器基本参数中的R04.2.2单个减振器的工作压力PP= F/Z=7950/51590(N)4.2.3 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=12m

28、m2）弹簧钢丝直径dd=9.15mm式中，扭转许用应力可取550600Mpa,故取为580Mpad取9 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k=4）减振弹簧有效圈数3.25）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)=5减振弹簧最小高度=49.5mm弹簧总变形量mm减振弹簧总变形量=49.5+3.69=53.19mm减振弹簧预变形量=0.139mm减振弹簧安装工作高度=53.19-0.139=53.1mm6）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=4.169767）限位销与从动盘毂缺口侧边

29、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3.8mm, 为52mm.8）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4表4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Zj318 Nm15.9 Nm12 Nm40mm55.1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花键尺寸表5表5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

30、内径d/mm齿厚t/mm有效尺长l/mm20015910292342511.15.2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2mm5.3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，以免影响总成的平衡和正常的工作。3)盖的膜

31、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3mm5.4压盘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，厚度约为1525 mm 。3)与飞轮应保持良好的

32、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170227HBS5.5压盘的结构设计与选择t = (1)m = = (2)t = =6.8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W=15399J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200；

33、为摩擦片内径取120；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。六、 设计小结本设计以“机械设计、汽车设计、二维制图模型”为主线，主要采用AutoCAD设计一个福特福克斯汽车膜片弹簧离合器总成，由于时间和能力的限制，本设计对分离机构和操纵机构只作了简单的设计。参考文献 1、王望予、汽车设计、北京；机械工业出版社，2004.8 2、陈家瑞、汽车构造、北京；机械工业出版社，2009.2 3、徐石安、江发潮、汽车离合器/汽车设计丛书 北京：清华大学出版社,2005 4巩云鹏，田万禄，张祖立，黄秋波.机械设计课程设计M.沈阳：东北大学出版社,2006第 20 页 共 26 页