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目 錄
前言 1
第1章 緒論 2
1.1離合器的發(fā)展概況 2
1.2離合器的功用及分類 3
1.2.1 離合器的基本功用 3
1.2.2 離合器的分類 4
1.3對(duì)離合器的基本要求 4
第2章 方案論證 4
2.1離合器車型的選定 4
2.2確定離合器的結(jié)構(gòu)型式 5
2.2.1摩擦離合器機(jī)構(gòu)型式的選擇 5
2.2.2從動(dòng)盤數(shù)及干、濕式的選擇 5
2.2.3壓緊彈簧的結(jié)構(gòu)型式及布置 6
2.2.4壓盤的驅(qū)動(dòng)方式 9
2.2.5從動(dòng)盤數(shù)的選擇 10
第3章 設(shè)計(jì)計(jì)算及參數(shù)的選擇 10
3.1離合器主要參數(shù)的選擇 10
3.2膜片彈簧設(shè)計(jì) 14
3.3離合器蓋總成設(shè)計(jì) 21
3.3.1 離合器蓋設(shè)計(jì) 21
3.3.2 壓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
3.4扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì) 24
3.4.1 扭轉(zhuǎn)減振器的功能 24
3.4.2 扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)類型 24
3.4.3 扭轉(zhuǎn)減振器主要參數(shù)的選擇 25
3.5離合器主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 29
致謝 35
參考文獻(xiàn) 35
I
前言
進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著社會(huì)節(jié)奏的加快以及國(guó)民整體生活水平的提升，人們對(duì)汽車的依賴程度越來越高，市場(chǎng)對(duì)汽車的需求量越來越高。汽車作為一種交通工具，在日常里幾乎支配著人們的生活。隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車已不是單純“代步”工具，不僅是人民生活的物質(zhì)需求，也是精神需求。在人們?nèi)粘＝浑H、工作當(dāng)中，汽車發(fā)揮著不可否定的重大作用。在很大程度上，加快了社會(huì)節(jié)奏的步伐，促進(jìn)了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民精神文明的提高，開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的“汽車世紀(jì)”。
近年來，人們對(duì)汽車的要求越來越高，不僅僅在整體性能、內(nèi)飾及配置上提出了更高要求，更是引出了“人性化設(shè)計(jì)”這一名詞。當(dāng)代汽車正趨向高性能、低油耗、高度人性花設(shè)計(jì)等方向發(fā)展。為滿足汽車行駛時(shí)高性能、高穩(wěn)定性、高舒適性等要求，就需要一套完整復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器和驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)裝置（半軸）等部件。離合器作為一個(gè)動(dòng)力傳輸?shù)闹薪椴考?，攸關(guān)著汽車的整體性能，在工況復(fù)雜、過載等情況下，更突出在整車中重要地位。隨著汽車性能的高度提高，以及汽車電子技術(shù)的同步高速發(fā)展，人們對(duì)汽車離合器的要求也越來越高。當(dāng)今汽車離合器已普及為膜片彈簧離合器，近年來，也初步由推式向拉式發(fā)展。為了更具人性化，近年來，對(duì)膜片彈簧離合器摩擦片厚度自動(dòng)報(bào)警裝置的研究，也成為了針對(duì)離合器研究的主要課題之一。
在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中，離合器的功用是依靠摩擦產(chǎn)生摩擦力來傳遞動(dòng)力的。摩擦過程中，摩擦片會(huì)不斷磨損而變薄。當(dāng)摩擦片磨損到一定程度后，須對(duì)其進(jìn)行處理或更換摩擦片。然而，在傳統(tǒng)離合器中，很難對(duì)已磨損了的摩擦片進(jìn)行及時(shí)處理或更換。因此，這就需要一個(gè)報(bào)警裝置來及時(shí)提醒駕駛員更換已損摩擦片。鑒于以上情況，根據(jù)目前汽車的發(fā)展?fàn)顩r、人們的需求以及目前國(guó)內(nèi)技術(shù)水平，結(jié)合實(shí)際，編者設(shè)計(jì)了帶摩擦片厚度報(bào)警器的離合器。
根據(jù)離合器的工作原理，針對(duì)長(zhǎng)安奔奔1.3L豪華型轎車車型，本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)離合器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。經(jīng)過四年的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)以及設(shè)計(jì)期間對(duì)設(shè)計(jì)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)與鉆研，我已較好地掌握了力學(xué)、機(jī)械以及與汽車相關(guān)的理論知識(shí)。在設(shè)計(jì)中，我本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的思維理念，做到了每一個(gè)數(shù)據(jù)都有據(jù)可查，在繪圖上每一條線段都有據(jù)可依。
編者對(duì)本書的編寫、校訂中，難免百密一疏，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
第一章 緒論
以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車機(jī)械傳動(dòng)系中，離合器是作為一個(gè)獨(dú)立的總成而存在的，它是汽車傳動(dòng)系中直接與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接的總成。為各類汽車所廣泛采用的摩擦離合器，實(shí)際上是一種依靠其主、從動(dòng)部分間的摩擦來傳遞動(dòng)力切能分離的機(jī)構(gòu)。它主要包括主動(dòng)部分、從動(dòng)部分、壓緊機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)等四部分。
第一節(jié) 離合器的發(fā)展概況
在采用離合器的傳動(dòng)系統(tǒng)中，早期離合器的結(jié)果形式是錐形摩擦離合器。錐形摩擦離合器傳遞扭矩的能力，比相同直徑的其他結(jié)構(gòu)形式的摩擦離合器要大。但是，其最大的缺點(diǎn)是從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大，引起變速器換擋困難。而且這種離合器在接合時(shí)也不夠柔和，容易卡住。
此后，在油中工作的所謂濕式的多片離合器逐漸取代了錐形摩擦離合器。但是多片濕式摩擦離合器的片與片之間容易被油粘?。ㄓ绕涫窃诶涮煊鸵鹤儩鈺r(shí)更容易發(fā)生），導(dǎo)致分離不徹底，造成換擋困難。所以它又被干式所取代。多片干式摩擦離合器的主要優(yōu)點(diǎn)是由于接觸面數(shù)多，故接合平順柔和，保證了汽車的平穩(wěn)起步。但因片數(shù)較多，從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，還是感到換擋不夠容易。另外，中間壓盤的通風(fēng)散熱不良，易引起過熱，加快了摩擦片的磨損甚至燒傷和破裂。如果調(diào)整不當(dāng)還可能引起離合器分離不徹底。多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使人們逐漸趨向于采用單片干式摩擦離合器。它具有從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，散熱性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，尺寸緊湊，分離徹底等優(yōu)點(diǎn)。而且只要在結(jié)構(gòu)上采取一定措施，也能使其接合平順。因此，它得到了極為廣泛的應(yīng)用。
如今，單片干式摩擦離合器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也相當(dāng)完善：采用具有軸向彈性的從動(dòng)盤，提高了離合器的接合平順性；離合器中裝有扭轉(zhuǎn)減振器，防止了傳動(dòng)系統(tǒng)的共振，減少了噪音；以及采用了摩擦較小的分離桿機(jī)構(gòu)等。另外，采用了膜片彈簧做為壓簧，可同時(shí)兼起到分離杠桿的作用，使離合器結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，并顯著地縮短了離合器的軸向尺寸。膜片彈簧和壓盤的環(huán)行接觸，可保證壓盤上的壓力均勻。由于膜片彈簧本身的特性，當(dāng)摩擦片磨損時(shí)，彈簧的壓力幾乎沒有改變，且可減輕分離離合器時(shí)所需要的踏板力。
為了提高離合器的傳扭能力，在重型汽車上多采用多片干式離合器。此外，近年來由于多片濕式離合器在技術(shù)上的不段改善，在國(guó)外的某些重型牽引汽車和自卸車上又開始采用多片濕式離合器，并有不斷增加的傾向。與干式離合器相比，由于用油泵進(jìn)行強(qiáng)制制冷的結(jié)果，摩擦表面的溫度較低（不超過93°C）。因此，允許起步時(shí)長(zhǎng)時(shí)間地打滑或用高檔起步而不致燒損摩擦片，具有良好的起步能力。據(jù)說這種離合器的使用壽命可達(dá)干式離合器的五、六倍。
為了實(shí)現(xiàn)離合器的自動(dòng)操縱，有自動(dòng)離合器。采用自動(dòng)離合器時(shí)可以省去離合器踏板，實(shí)現(xiàn)汽車的“雙踏板”操縱。與其他自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)（如液力傳動(dòng)）相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉及傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此，在歐洲小排量汽車上曾得到廣泛的應(yīng)用。但是在現(xiàn)有自動(dòng)離合器的各種結(jié)構(gòu)中，離合器的摩擦力矩的力矩調(diào)節(jié)特性還不夠理想，使用性能不盡完善。例如，汽車以高檔低速上坡時(shí)，離合器往往容易打滑。因此必須提前換如低檔以防止摩擦片的早期磨損以至燒壞。這些都需要進(jìn)一步改善。
隨著汽車運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，離合器還要在原有的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)和提高，以適應(yīng)新的使用條件。從國(guó)外的發(fā)展動(dòng)向來看，近年來汽車的性能在向高速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，載重汽車趨向大型化，國(guó)內(nèi)也有類似的情況。此外，對(duì)離合器的使用要求也越來越高。所以，增加離合器的傳扭能力，提高其使用壽命，簡(jiǎn)化操作，已經(jīng)成為目前離合器的發(fā)展趨勢(shì)。
第二節(jié) 離合器的功用及分類
離合器位于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間的飛輪殼內(nèi)，用螺釘將離合器總成固定在飛輪的后平面上，離合器的輸出軸就是變速箱的輸入軸。在汽車行駛過程中，駕駛員可以根據(jù)需要踩下或松開離合器踏板，使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱暫時(shí)分離和逐漸接合，以切斷或傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)向變速器輸入的動(dòng)力。
（一）離合器的基本功用
1）保證汽車平穩(wěn)起步
起步前汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器是剛性連接的，一旦掛上檔，汽車將由于突然接上動(dòng)力而突然前沖。不但會(huì)造成機(jī)件的損傷，而且驅(qū)動(dòng)力也不足以克服汽車前沖產(chǎn)生的巨大慣性力，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降而熄火。如果在起步時(shí)利用離合器暫時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器分離，然后離合器逐漸接合。由于離合器的主動(dòng)部分與從動(dòng)部分之間存在著打滑現(xiàn)象，可以使離合器傳出的扭矩由零逐漸增大，而汽車的驅(qū)動(dòng)力也逐漸增大，從而使汽車平穩(wěn)地起步。
2）便于換擋
汽車行駛過程中，經(jīng)常要換用不同的檔位，以適應(yīng)不斷變化的行駛條件。如果沒有離合器將發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器暫時(shí)分離。那么，變速箱中嚙合的傳動(dòng)齒輪會(huì)因載荷沒有卸除，其嚙合齒面間的壓力很大而難以分開。另一對(duì)待嚙合的齒輪會(huì)因二者圓周速度不等而難以嚙合。即使強(qiáng)行進(jìn)入嚙合也會(huì)產(chǎn)生很大的齒端沖擊，很容易損壞機(jī)件。利用離合器使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱暫時(shí)分離后再進(jìn)行換檔，則原來嚙合的一對(duì)齒輪因載荷卸除，嚙合面間的壓力大大減小，就容易分開。而待嚙合的另一對(duì)齒輪，由于主動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)分開后轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，采用適合的換檔動(dòng)作就能使待嚙合的齒輪圓周速度相等或接近相等，從而避免或減輕齒輪間的沖擊。
3）防止傳動(dòng)系過載
汽車緊急制動(dòng)時(shí)，車輪突然急劇降速，而與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的傳動(dòng)系由于旋轉(zhuǎn)的慣性，仍然保持原有的轉(zhuǎn)速，這往往會(huì)在傳動(dòng)系中產(chǎn)生遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的慣性矩，使傳動(dòng)系的零件容易損壞。由于離合器是靠摩擦力來傳遞扭矩的，所以當(dāng)傳動(dòng)系內(nèi)載荷超過摩擦力所能傳遞的轉(zhuǎn)矩時(shí)，離合器的主、從動(dòng)部分就會(huì)自動(dòng)打滑，因而起到了防止傳動(dòng)系過載的作用。
由上述可知，欲使離合器起到以上幾個(gè)作用，它就應(yīng)該是這樣的一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：其主動(dòng)部分可以暫時(shí)分離，又可以逐漸接合，并且在傳動(dòng)過程中還要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以離合器的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分之間不可采用剛性連接。應(yīng)借用兩者接觸面之間的摩擦作用來傳遞扭矩（摩擦離合器），或者利用液體作為傳動(dòng)介質(zhì)（液力偶合器），或是利用磁力傳動(dòng)（電磁離合器）。在離合器中，為產(chǎn)生摩擦所需要的壓緊力，可以是彈簧力、液壓作用力或電磁力。但是目前汽車上采用比較廣泛的是用彈簧壓緊的摩擦離合器（通常稱為摩擦離合器）。
（二）離合器的分類
在機(jī)械傳動(dòng)系中，離合器按其傳遞轉(zhuǎn)矩的方式分類，除了摩擦式外還有電磁（磁粉）式，后者是靠本身的電磁力來傳遞轉(zhuǎn)矩的；按操縱方式分類，又可以分為強(qiáng)制式和自動(dòng)式兩種。摩擦式又有單、雙、多片式及干濕式之分。
第三節(jié) 對(duì)離合器的基本要求
1）既能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩有能防止傳動(dòng)系過載；
2）接合完全且平順、柔和，使汽車起步時(shí)無抖動(dòng)、無沖擊，分離徹底、迅速；
3）工作性能（最大摩擦力矩或后備系數(shù)）穩(wěn)定，即作用在摩擦片上的總壓力不應(yīng)因摩擦表面的磨損而有明顯的變化，摩擦系數(shù)在離合器工作過程中應(yīng)力求穩(wěn)定；
4）從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，以減小掛檔時(shí)的齒輪沖擊并方便掛檔；
5）能避免或衰減傳動(dòng)系的扭振，具有吸收振動(dòng)、沖擊和降低噪音的功能；
6）通風(fēng)散熱性良好；
7）操縱輕便；
8）具有足夠的強(qiáng)度，工作可靠、使用壽命長(zhǎng)；
9）九力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，制造工藝性好，維修方便；
10）設(shè)計(jì)時(shí)要注意對(duì)旋轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡要求和離心力的影響。
第二章 方案論證
第一節(jié) 離合器車型的選定
本設(shè)計(jì)主要針對(duì)轎車是輕型車車型，故最好選定的車型為長(zhǎng)安奔奔1.3L豪華型，該車主要參數(shù)如下表：
表2-1 長(zhǎng)安奔奔1.3L豪華型的主要參數(shù)
整備質(zhì)量（kg）
1000
總質(zhì)量（kg）
1365
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)
JL474Q2
最大扭矩（N·m）
110/3500
最大功率（kw/rpm）
63/6500
最高車速（km/h）
145
變速器一檔傳動(dòng)比
3.416
主減速器傳動(dòng)比
5.125
輪胎型號(hào)
165/70 R14
第二節(jié) 確定離合器的結(jié)構(gòu)型式
（一）摩擦離合器機(jī)構(gòu)型式的選擇
汽車離合器有摩擦式、電磁式和液力式三種類型。其中，摩擦式的應(yīng)用最廣泛?，F(xiàn)代汽車摩擦離合器的典型結(jié)構(gòu)型式是單片或雙片干式，它由從動(dòng)盤、壓盤、壓盤驅(qū)動(dòng)裝置、壓緊彈簧（有沿圓周均布的圓柱螺旋彈簧、中央布置的錐形或圓柱螺旋彈簧和膜片彈簧等）、離合器蓋、分離杠桿、分離軸承等構(gòu)成。
本次設(shè)計(jì)選定的機(jī)構(gòu)型式為單片摩擦式。
（二）從動(dòng)盤數(shù)及干、濕式的選擇
（1）單片干式摩擦離合器
如圖2-1，2-2，2-3所示，起結(jié)果簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，軸向尺寸緊湊，分離徹底，從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，散熱性好，采用軸向有彈性的從動(dòng)盤時(shí)也能接合柔順。因此，廣泛用于各級(jí)轎車及微、輕、中型客車與貨車上，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不大于1000N·m的大型客車和重型貨車上也有所推廣。當(dāng)轉(zhuǎn)矩更大時(shí)可以采用雙片離合器。
（2）雙片干式摩擦離合器
如圖2-4所示。與單片離合器相比，由于摩擦面增多使傳遞轉(zhuǎn)矩的能力增大，接合也更平順、柔和；在傳遞相同轉(zhuǎn)矩的情況下，其徑向尺寸較小，踏板力較小。但軸向尺寸加大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；中間壓盤的通風(fēng)散熱性差易引起過熱而加快摩擦片的磨損甚至燒傷碎裂；分離行程大，調(diào)整不當(dāng)分離也不易徹底；從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大易使換檔困難等。僅用于傳遞的轉(zhuǎn)矩大且徑向尺寸受到限制時(shí)。
（3）多片濕式離合器
摩擦面更多，接合更加平順柔和；摩擦片浸在油中工作，表面磨損小。但分離行程大、分離也不易徹底，特別是在冬季油液粘度增大時(shí)；軸向尺寸大；從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，故過去未得到推廣。近年來，由于多片濕式離合器在技術(shù)方面的不斷完善，重型車上又有采用，并有不斷增加的趨勢(shì)。因?yàn)樗捎糜捅脤?duì)摩擦表面強(qiáng)制冷卻，使起步時(shí)即使長(zhǎng)時(shí)間打滑也不會(huì)過熱，起步性能好，據(jù)稱其使用壽命可較干式高出5～6倍。
通過各結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的比較，本次設(shè)計(jì)選用的是單片干式摩擦離合器。
圖2-1 圖2-2
圖2-3 圖2-4
（三）壓緊彈簧的結(jié)構(gòu)型式及布置
離合器壓緊彈簧的結(jié)構(gòu)型式有：圓柱螺旋彈簧、矩形斷面的圓錐螺旋彈簧和膜片彈簧等?？刹捎醚貓A周布置、中央布置和斜置等布置型式。根據(jù)壓緊彈簧的型式及布置，離合器分為：
（1）周置彈簧離合器
如圖2-1，2-4所示，周置彈簧離合器的壓緊彈簧是采用圓柱螺旋彈簧并均勻布置在一個(gè)圓周上。有的重型汽車將壓緊彈簧布置在同心的兩個(gè)圓周上。周置彈簧離合器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，過去廣泛用于各種類型的汽車上。現(xiàn)代由于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高(最高轉(zhuǎn)速高達(dá)5000～7000r／min或更高)，在高轉(zhuǎn)速離心力的作用下，周置彈簧易歪斜甚至嚴(yán)重彎曲鼓出而顯著降低壓緊力；另外，也使彈簧靠到定位座柱上而使接觸部位嚴(yán)重磨損甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。因此，現(xiàn)代轎車及微、輕、中型客車多改用膜片彈簧離合器。但在中、重型貨車上，周置彈簧離合器仍得到廣泛采用。
（2）中央彈簧離合器
采用一個(gè)矩形斷面的圓錐螺旋彈簧或用1~2個(gè)圓柱螺旋彈簧做壓簧并布置在離合接觸，因此壓盤由于摩擦而產(chǎn)生的熱量不會(huì)直接傳給彈簧而使其回火失效。壓簧的壓緊力是經(jīng)杠桿系統(tǒng)作用于壓盤，并按杠桿比放大，因此可用力量較小的彈簧得到足夠的壓盤壓緊力，使操縱較輕便。采用中央圓柱螺旋彈簧時(shí)離合器的軸向尺寸較大，而矩形斷面的錐形彈簧則可明顯縮小軸向尺寸，但其制造卻比較困難，故中央彈簧離合器多用在重型汽車上以減輕其操縱力。根據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)資料：當(dāng)載貨汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大于400～450N·m時(shí)，常常采用中央彈簧離合器。
（3）斜置彈簧離合器
重型汽車采用的一種新型結(jié)構(gòu)。以數(shù)目較多的一組圓柱螺旋彈簧為壓緊彈簧，分別以傾角（彈簧中心線與離合器中心線間的夾角）斜向作用于傳力套上，后者再推動(dòng)壓桿并按杠桿比放大后作用到壓盤上。這時(shí)，作用在壓桿內(nèi)端的軸向推力等于彈簧壓力的軸向分力。當(dāng)摩擦片磨損后壓桿內(nèi)端隨傳力套前移，使彈簧伸長(zhǎng)，壓力減小，傾角亦減小，而cos值則增大。這樣即可使在摩擦片磨損范圍內(nèi)壓緊彈簧的軸向推力幾乎保持不變，從而使壓盤的壓緊力也幾乎保持不變。同樣，當(dāng)離合器分離時(shí)后移傳力套，壓盤的壓緊力也大致不變。因此，斜置彈簧離合器與前兩種離合器相比，其突出優(yōu)點(diǎn)是工作性能十分穩(wěn)定。與周置彈簧離合器比較，其踏板力約可降低35％。
（4）膜片彈簧離合器
作為壓緊彈簧的膜片彈簧，是由彈簧鋼制成的，具有“無底碟子”形狀的截錐形薄壁膜片。且自其小端在錐面上開有許多徑向切槽，以形成彈性杠桿，而其余未切的槽大端截錐部分則起彈簧作用。膜片彈簧的兩側(cè)則有支撐圈。它借助固定在離合器蓋上的一些鉚釘來安裝定位。當(dāng)離合器蓋未固定到飛輪上是，膜片彈簧不受力而處于自由狀態(tài)。當(dāng)離合器蓋用螺栓固定到飛輪上時(shí)，由于離合器蓋靠向飛輪，后支撐圈則壓膜片彈簧使其產(chǎn)生彈性變形，錐頂角度變大，甚至膜片彈簧幾乎變平。同時(shí)在膜片彈簧的大端對(duì)壓盤產(chǎn)生壓緊力使離合器處于接合狀態(tài)。當(dāng)離合器分離時(shí)，分離軸承前移使膜片彈簧壓前支撐圈并以此為支點(diǎn)發(fā)生反錐形的轉(zhuǎn)變，使膜片彈簧大端后移，并通過分離鉤拉動(dòng)壓盤使離合器分離。
圖2-5 圖2-6
膜片彈簧離合器根據(jù)分離杠桿內(nèi)端受推力還是受拉力，可分為拉式膜片彈簧離合器和推式膜片彈簧離合器。推式膜片彈簧離合器根據(jù)支撐環(huán)數(shù)目的不同，可分為雙支撐環(huán)（圖2-5）、單支持環(huán)（圖2-6）和無支撐環(huán)（圖2-7）三種形式。其中雙支撐環(huán)形式是目前廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式，它又可分為三種，此次設(shè)計(jì)采用MF型。該結(jié)構(gòu)的離合器是一種比較成熟的膜片彈簧離合器。膜片彈簧、兩個(gè)支撐環(huán)與離合器蓋之間用一個(gè)抬肩式鉚釘定位并鉚合在一起，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。拉式膜片彈簧又可分為無支撐環(huán)式和單支撐環(huán)式兩種形式（圖2-8）。與推式膜片彈簧相比，拉式膜片彈簧在結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)化，提高轉(zhuǎn)矩容量與分離效率以及減輕操作強(qiáng)度、沖擊和噪音，提高壽命等方面，都比推式結(jié)構(gòu)的要好，所以拉式膜片彈簧的應(yīng)用也很廣泛。它的不足是：膜片彈簧的分離指與分離軸承總成嵌裝在一起，安裝與拆卸較困難，分離形成也比推式要大些。
圖2-7 圖2-8
膜片彈簧離合器具有很多優(yōu)點(diǎn)：首先，由于膜片彈簧具有非線性特性（圖2-9，圖2-10），因此可設(shè)計(jì)成當(dāng)摩擦片磨損后，彈簧壓力幾乎可以保持不變，且可減輕分離離合器時(shí)的踏板力，使操縱輕便；其次，膜片彈簧的安裝位置對(duì)離合器軸的中心線是對(duì)稱的，因此其壓力實(shí)際上不受離心力的影響，性能穩(wěn)定，平衡性也好；再者，膜片彈簧本身兼起壓緊彈簧和分離杠桿的作用，使離合器的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，零件數(shù)目減少，質(zhì)量減小并顯著地縮短了其軸向尺寸；另外，由于膜片彈簧與壓盤是以整個(gè)圓周接觸，使壓力分布均勻，摩擦片的接觸良好，磨損均勻，也易于實(shí)現(xiàn)良好的散熱通風(fēng)等。
圖2-9 圖2-10
膜片彈簧離合器的操縱曾經(jīng)都是采用壓式結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，膜片彈簧離合器的壓式操縱已為拉式操縱結(jié)構(gòu)所取代。后者的膜片彈簧為反裝，并將支承圈移到膜片彈簧的大端附近，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、零件減少、拆裝方便；膜片彈簧的應(yīng)力分布也得到改善，最大應(yīng)力下降；支承圈磨損后仍保持與膜片的接觸使離合器踏板的自由行程不受影響。而在壓式結(jié)構(gòu)中支承圈的磨損會(huì)形成間隙而增大踏板的自由行程。
由于膜片彈簧具有上述優(yōu)點(diǎn)，并且制造膜片彈簧的工藝水平不斷提高。因此膜片彈簧離合器在轎車微型、輕型客車上都得到了廣泛的采用。本次設(shè)計(jì)做的是推式膜片彈簧離合器。
（四）壓盤的驅(qū)動(dòng)方式
壓盤是離合器的主動(dòng)部分，在傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)它和飛輪一起帶動(dòng)傳動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它與飛輪連接在一起。但是這種連接應(yīng)該允許壓盤在離合器分離過程中能自由地作軸向移動(dòng)。壓盤與飛輪的連接方式或其他的驅(qū)動(dòng)方式有：凸塊－窗口式、傳力銷式、鍵式（鍵槽—指銷式，鍵齒式）以及彈性傳動(dòng)片式等。
凸塊－窗口式是在單片離合器中長(zhǎng)期采用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是在壓盤外緣鑄出３－４個(gè)凸片，裝配時(shí)伸入離合器蓋對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)方形窗口中，而離合器蓋則與飛輪相連?？紤]到摩擦片磨損后壓盤向前移。因此凸塊應(yīng)凸出窗口以外。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是凸塊與窗口的配合處磨損后易使定心精度降低而失去平衡，且會(huì)產(chǎn)生沖擊和噪音。所以在現(xiàn)在的離合器中已經(jīng)很少使用。
傳力銷式是雙片離合器采用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它是用沿圓周均勻分布的幾個(gè)傳力銷將飛輪與中間的壓盤連接在一起。
鍵式也是一種壓盤的驅(qū)動(dòng)方式，包括鍵槽－指銷式和鍵齒式兩種。它是用鍵槽－指銷或鍵齒將壓盤與飛輪相連接而又不影響分離時(shí)壓盤的軸向移動(dòng)。
在雙片離合器的結(jié)構(gòu)中也有采用綜合式的壓盤驅(qū)動(dòng)方式的，即中間壓盤通過鍵連接，壓盤則通過凸塊－窗孔驅(qū)動(dòng)。上述幾種壓盤的驅(qū)動(dòng)方式有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即連接之間有間隙（如凸塊與窗孔之間的間隙約是０.２mm左右）。這樣，在傳動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生沖擊和噪音。且隨著接觸部分磨損的增加，間隙將加大，引起更大的沖擊和噪音，甚至可能導(dǎo)致凸塊根部出現(xiàn)裂紋而造成零件的早期損壞。另外，在離合器分離時(shí)，由于零件間的摩擦將降低離合器操縱部分的傳動(dòng)效率。
15
近年來，廣泛采用了彈性傳動(dòng)片的傳力方式。彈性傳動(dòng)片（鋼帶傳動(dòng)片）是由薄彈簧鋼帶沖壓制成一端鉚在離合器蓋上，另一斷用鉚釘固定在壓盤上，并且多用３－４組（每組２－３片）沿圓周作切向布置以改善傳動(dòng)片的受力狀況。這時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)片受拉；當(dāng)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)傳動(dòng)片受壓。這種用傳動(dòng)片驅(qū)動(dòng)壓盤的方式不僅消除了上述幾種離合器的缺點(diǎn)，而且簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)裝配精度的要求且有利于壓盤的穩(wěn)定。
通過比較以上各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)壓盤的驅(qū)動(dòng)方式選用鋼帶傳動(dòng)片。
圖2-11 單片膜片彈簧離合器
（五）從動(dòng)盤數(shù)的選擇
對(duì)轎車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩一般不大，在布置尺寸允許的條件下，離合器通常只有一片從動(dòng)盤。單片離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，散熱性好，維修調(diào)整方便，從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下，在使用時(shí)能保證分離切底、接合柔順。
綜上所述，本次設(shè)計(jì)是采用單片膜片彈簧離合器。如圖2-11所示。
第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算及參數(shù)的選擇
第一節(jié) 離合器主要參數(shù)的選擇
離合器摩擦片在性能上應(yīng)滿足如下要求：
1） 摩擦因數(shù)較高且穩(wěn)定，工作溫度、單位壓力、滑磨速度的變化對(duì)其影響要小；
2） 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度與耐磨性；
3） 密度小，以減小從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
4） 熱穩(wěn)定性好，在高溫下分離出的粘合劑少，無味，不易燒焦；
5） 磨合性能好不致刮傷飛輪和壓盤表面；
6） 接合時(shí)應(yīng)平順，不產(chǎn)生“咬合”或“抖動(dòng)”現(xiàn)象；
7） 長(zhǎng)期停放后，摩擦面不發(fā)生“粘著”現(xiàn)象。
摩擦片的外徑是離合器的重要參數(shù)。它對(duì)離合器的輪廓尺寸有決定性的影響，并根據(jù)離合器能全部傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩來選擇。為了能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大的轉(zhuǎn)矩Temax，離合器的靜摩擦力矩TC應(yīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Temax，而離合器傳遞的最大靜摩擦力矩TC又取決于其摩擦面數(shù)Z、摩擦系數(shù)f、作用在摩擦面上的總壓緊力P與摩擦片平均半徑RC，即
=
式中β——離合器的后備系數(shù)
離合器的基本參數(shù)主要有性能參數(shù)有后備系數(shù)β和單位壓力參數(shù)P0，尺寸參數(shù)D和d及摩擦片厚度。
（一）后備系數(shù)β
后備系數(shù)β是離合器設(shè)計(jì)時(shí)用到的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了離合器傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的可靠程度。在選擇β時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
1) 摩擦片在使用中磨損后，離合器還應(yīng)能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；
2) 要防止離合器滑磨過大；
3) 要能防止傳動(dòng)系過載。
顯然，為了可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和防止離合器滑磨過大，β不宜選取太??；為了使離合器尺寸不致過大，減少傳動(dòng)系過載，保證操縱輕便，β又不能選取太大；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率較大，使用條件較好時(shí)，β可選擇小些；當(dāng)使用條件惡劣，需要拖帶掛車時(shí)，為提高起步能力，減少離合器磨損，β應(yīng)選取大些；貨車總質(zhì)量越大，β也應(yīng)選得越大；采用柴油機(jī)時(shí)，由于工作比較粗暴，轉(zhuǎn)矩較不平穩(wěn)，選取的β值應(yīng)比汽油機(jī)大些；發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小，β可選取小些；膜片彈簧離合器由于摩擦片磨損后壓力保持較穩(wěn)定，選取的β值可以比螺旋彈簧的小些；雙片離合器的β值應(yīng)大于單片離合器。
各類汽車β值的選取范圍通常為：
轎車和微型車、輕型貨車——β=1.20～1.75
中型和重型貨車——β=1.50～2.25
越野車、帶拖掛的重型汽車和牽引汽車——β=1.80～4.00
根據(jù)上述原因及所選車型，選取β=1.3。
（二）單位壓力P0
單位壓力對(duì)離合器工作性能和使用壽命有很大的影響，選取時(shí)應(yīng)考慮離合器的工作條件，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的后備功率大小，摩擦片尺寸、材料及其質(zhì)量和后備系數(shù)等因素。離合器使用頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)后備系數(shù)較小時(shí)，應(yīng)取小些；當(dāng)摩擦片外徑繳大時(shí)，為了降低摩擦片外緣處的熱負(fù)荷，應(yīng)取小些；后備系數(shù)較大時(shí)，可適當(dāng)增大。
當(dāng)摩擦片采用不同材料時(shí)，按下列范圍選取：
石棉基材料：=0.10～0.35MPa
粉末冶金材料：=0.35～0.60MPa
金屬陶瓷材料：=0.70～1.5Mpa
根據(jù)上述原因及所選車型，選取=0.22 MPa
（三）摩擦片外徑D、內(nèi)徑d和厚度h的確定
離合器應(yīng)按轉(zhuǎn)矩容量或熱容量設(shè)計(jì)，摩擦片或從動(dòng)片外徑D是基本尺寸。它關(guān)系到結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量的大小和使用壽命的長(zhǎng)短設(shè)計(jì)是通常首先確定D的值。
由以下公式計(jì)算D的值：
D=2R=2.5×
式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；= 110N·m
f——摩擦系數(shù)；取f=0.28
z——摩擦面數(shù)；取z=2
將各參數(shù)值代入上式后計(jì)算得：D=179.4mm
在同樣外徑時(shí)，選用較小的內(nèi)徑d雖可增大摩擦面積，提高傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，但是會(huì)使摩擦面上的壓力分布不均勻，使內(nèi)外沿圓周的相對(duì)滑磨速度差別太大而造成摩擦面磨損不均勻，且不利于散熱和扭轉(zhuǎn)減振器的安裝。摩擦片尺寸D應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（JB1457-74），的規(guī)定，表3-1給處了離合器摩擦片的尺寸系列和參數(shù)。
表3-1 離合器摩擦片尺寸系列和參數(shù)
外徑D（mm）
內(nèi)徑d(mm)
厚度h（mm）
內(nèi)外徑之比d/D
單位面積F（mm2）
160
180
200
225
250
280
300
325
350
380
405
430
110
125
140
150
155
165
175
190
195
205
220
230
3.2
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
4
4
4
4
0.687
0.694
0.700
0.667
0.620
0.589
0.583
0.585
0.557
0.540
0.543
0.535
10600
13200
16000
22100
30200
40200
46600
54600
67800
72900
90800
103700
所以由所計(jì)算的D值去參照表3-1，最后選定摩擦片的尺寸為下表：
表3-2選定的摩擦片的尺寸
外徑D
（mm）
內(nèi)徑d
(mm)
厚度h
(mm)
C=
1-
單位面積F
（mm）
200
140
3.5
0.700
0.657
160
（四）摩擦片外徑D的校核
所選的D應(yīng)使摩擦片最大圓周速度不超過65~70m/s，以免摩擦片發(fā)生飛離。
根據(jù)公式：
式中，為摩擦片最大圓周速度（m/s），為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min），=4000r/min 。將各參數(shù)值代入上式后計(jì)算得：
=41.87m/s
所得值在6570 m/s之間，因此所選用的摩擦片外徑D尺寸合適。
（四）校核
為反映離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩并保護(hù)過載的能力，單位摩擦面積傳遞的應(yīng)小于其許用值，即
（3-2-2）
式中，為單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩（）；[]為其允許值（），按表3-3選取。
表3-3 單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩 （）
離合器規(guī)格D/mm
≤210
＞210~250
＞250~325
＞325
[]/×
0.28
0.30
0.35
0.40
由D=200mm,選取=0.28×.則由(3-1)、(3-4)得:
故離合器單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩在安全范圍內(nèi)。
由上述兩項(xiàng)校核，可知所選取的摩擦片外徑D能滿足要求。
第二節(jié) 膜片彈簧設(shè)計(jì)
在汽車膜片彈簧離合器中，膜片彈簧兼起壓緊彈簧和分離杠桿的作用 它的特性決定了離合器的主要工作性能。因此，在離合器的開發(fā)中，膜片彈簧的設(shè)計(jì)尤為重要。
（一）膜片彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
膜片彈簧由彈簧鋼板沖壓而成（如圖3-1所示）。膜片彈簧在結(jié)構(gòu)上分兩部分，在膜片彈簧彈簧大端處為一完整的截面，它的形狀象一個(gè)無底的碟子和一般機(jī)械上用的碟形彈簧完全一樣，故稱為碟簧部分（如3-2所示）。膜片彈簧起彈性作用的正是碟簧部分。碟形彈簧的彈性作用是這一面沿其軸線方向加載，碟簧受壓變平，卸載后又恢復(fù)原形?？梢哉f膜片彈簧是碟形彈簧的一種特殊結(jié)構(gòu)形式。所不同的是，在膜片彈簧上還包含有徑向開槽部分，膜片彈簧分離指與碟簧部分交接處的徑向槽較寬呈長(zhǎng)方圓孔，這樣一方面可以減少分離指根部應(yīng)力集中，一方面又可用來安置銷釘以固定膜片彈簧。
圖3-1 膜片彈簧 圖3-2 碟形彈簧
（二）膜片彈簧的彈性變形特性
膜片彈簧起彈性作用的部分是其碟簧部分。碟簧部分的彈性變形特性和螺旋彈簧的不一樣。它是一種非線性的彈性，其特性和碟簧部分的原始內(nèi)截錐高度H及彈簧厚度h之比值有關(guān)。不同的H/h值可以得到不同的彈簧變形特性。一般可分為四種情況（圖3-1）：
（1）時(shí)曲線1所示。載荷的增加，變形總是不斷增加。這種彈簧的剛度很大，可以承受很大的載荷，適合于作為緩沖裝中的行程限制器。
（2）時(shí)如曲線2所示。彈簧的特性曲線在中間是異端平直的線，變形的增加，載荷幾乎維持不變。此種彈簧叫做零剛度彈簧。
圖3-3 H/h對(duì)膜片彈簧彈性特性的影響
（3）如曲線3所示。彈簧的特性曲線中有一段負(fù)剛度區(qū)域，即變形增加時(shí)，載荷反面減少。具有這種特性的膜片彈簧很適用于作為離合器的壓緊彈簧。因?yàn)榭衫闷湄?fù)剛度區(qū)達(dá)到分離離合器時(shí)載荷下降，操縱省力之目的。但負(fù)剛度過大也不適宜，以免彈簧工作位置略微變動(dòng)造成彈簧壓緊力變化過大。
（4）如曲線4所示。則特性曲線的極小點(diǎn)落在橫坐標(biāo)軸上。
（5）如曲線5所示。該特性曲線具有更大的負(fù)剛度區(qū)且具有載荷為負(fù)值的區(qū)域。這種彈簧適用于汽車液力傳動(dòng)中的鎖止機(jī)構(gòu)。
（三）膜片彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算的基本公式
假設(shè)膜片彈簧在承載過程中，其子午斷面剛性地繞過斷面上的某中性點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3-2）。通過支承環(huán)和壓盤加在膜片彈簧上的載荷F1（N）集中在支承點(diǎn)處，加載點(diǎn)間的相對(duì)軸向變形為λ1（mm）（圖），則膜片彈簧彈簧特性如下式表示：
（3-2-1）
式中：E為材料的彈性模量（MPa），對(duì)于鋼：E=2.1×105 MPa；
36
μ為材料的泊松比，對(duì)于鋼：μ=0.3；
H為膜片彈簧自由狀態(tài)下碟簧部分的內(nèi)截錐高度（mm）；
h為膜片彈簧鋼板厚度（mm）；
R ，r分別為壓盤加載點(diǎn)和支承環(huán)加載點(diǎn)半徑（mm）；
R1 ，r1分別為壓盤加載點(diǎn)和支承環(huán)加載點(diǎn)半徑（mm）。
圖3-4 子午斷面繞中性點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)
a） b） c)
圖3-5 膜片彈簧在不同工作狀態(tài)時(shí)的變形
a）自由狀態(tài)b）壓緊狀態(tài)c)分離狀態(tài)
當(dāng)離合器分離時(shí)，膜片彈簧的加載點(diǎn)將發(fā)生變化（圖3-3c）。設(shè)分離軸承對(duì)分離指端所加載荷為F2（N），相應(yīng)作用點(diǎn)變形為λ2（mm）；另外，在分離與壓緊狀態(tài)下，只要膜片彈簧變形到相同的位置，其子午端面從自由狀態(tài)也轉(zhuǎn)過相同的轉(zhuǎn)角，則有如下關(guān)系：
（3-2-2）
（3-2-3）
式中，為分離軸承與分離指的接觸半徑（mm）。
將式（3-2-2）和式（3-2-3）代入式（3-2-1），即可得F2與λ2的關(guān)系式為：
（3-2-4）
同樣，將式（3-2-2）和式（3-2-3）分別代入式（3-2-1）同樣可分別得到F1與λ2和F2與λ1的關(guān)系式。
如果不計(jì)分離指在F2作用下的彎曲變形，則分離軸承推分離指的移動(dòng)行程λ2f（圖3-3c）為：
（3-2-5）
式中，λ1f為?壓盤的分離行程。（圖3-3b、3-3c）。
（四）膜片彈簧基本參數(shù)的確定
（1）比值H/h的選擇
該比值對(duì)膜片彈簧的彈性特性影響極大，因此，要利用H/h對(duì)彈簧特性的影響，正確地選擇該比值，以得到理想的特性曲線及獲得最佳的使用性能。為保證離合器壓緊力變化不大和操縱輕便，汽車的膜片彈簧離合器的H/h一般取系 -3