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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
豐田轎車離合器設(shè)計(jì)
院部名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)：車輛工程B07-5 班
學(xué)生姓名： 李龍
指導(dǎo)教師： 呂德剛
職 稱： 講 師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Toyota Cars Clutch
Candidate：Li Long
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B07-5
Supervisor：Lecturer Lv Degang
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
離合器是汽車傳動(dòng)系中的重要部件，它的構(gòu)造特性與發(fā)展和傳動(dòng)系緊密相關(guān)，本文針對(duì)豐田花冠汽車的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)拉式膜片彈簧離合器。
離合器設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括壓盤總成、從動(dòng)盤總成、膜片彈簧三個(gè)部分。首先，對(duì)離合器各零件的參數(shù)、尺寸、材料、及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后使用CAD軟件畫出推式膜片彈簧的裝配及零件的三維圖形，最后轉(zhuǎn)為Auto CAD工程圖。
本文還重點(diǎn)研究了膜片彈簧在分離過程中的受力，對(duì)受力過程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并對(duì)其進(jìn)行校核，以提高膜片彈簧離合器的使用壽命，使膜片彈簧離合器在工作過程中處于最佳狀態(tài)。
本文主要介紹了膜片彈簧離合器的發(fā)展史、工作原理、優(yōu)點(diǎn)、離合器功用、主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)以及材料的選擇等內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：離合器；膜片彈簧；設(shè)計(jì)；材料；原理；功用
ABSTRACT
The clutch is an important part of the automobile power train, its characteristic and development have close relation with the power train. Based on Fengtian huaguan’s parameter, this paper aim to design pushing type diaphragm-spring clutch.
There be three main parts of the clutch design: driven disc design, diaphragm-spring design and the driving disc design. Firstly, this paper calculates the parameters, and chooses sizes and materials for the clutch’s parts. Then draw the three-dimension-blueprint of the assembly and components. Finally transforms the three-dimension-blueprint into Auto CAD engineering plat.
This paper also studies force exerted on diaphragm in the process of separation, and analyzing the process mathematically, then examines and calculates relative parameter. In conclusion, the design will prolong the lifetime of diaphragm-spring clutch, and makes the clutch in best state when it’s working.
This paper describes the development history of the clutch diaphragm spring, operating principle, advantages, clutch function, the main parameter selection and optimization, structural design, component design and material selection, etc.
Key words: Clutch; Diaphragm-spring; Design;Materials; Principle; Function
II
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
摘要 I
Abstract II
目錄 1
第1章 緒 論 4
1.1 膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)及工作原理 4
1.2 課題研究的目的和意義 5
1.3 離合器的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 6
1.4 膜片彈簧離合器概述 8
1.5 主要研究?jī)?nèi)容 10
第2章 離合器基本尺寸參數(shù)的選擇 11
2.1 離合器基本性能關(guān)系式 11
2.2 離合器后備系數(shù)的選擇 11
2.3 摩擦材料中單位壓力和摩擦因數(shù)的取值 12
2.4 本章小結(jié) 12
第3章 離合器從動(dòng)盤總成設(shè)計(jì) 13
3.1 摩擦片的設(shè)計(jì) 13
3.2 從動(dòng)盤轂的設(shè)計(jì) 15
3.3 從動(dòng)片和波形彈簧片的設(shè)計(jì) 16
3.4 扭轉(zhuǎn)減震器的設(shè)計(jì) 16
3.5 本章小結(jié) 18
第4章 離合器壓盤總成設(shè)計(jì) 19
4.1 壓盤設(shè)計(jì) 19
4.2 離合器蓋的設(shè)計(jì) 20
4.3 傳力片的設(shè)計(jì) 20
4.4 本章小結(jié) 21
第5章 膜片彈簧設(shè)計(jì) 22
5.1 膜片彈簧的切選 22
5.2 膜片彈簧的分析 24
5.3 膜片彈簧的校核 25
5.4 本章小結(jié) 26
第6章 離合器分離裝置設(shè)計(jì) 26
6.1分離桿的設(shè)計(jì) 26
6.2離合器分離套筒和分離軸承的設(shè)計(jì) 27
6.3 離合器殼的設(shè)計(jì) 28
6.4 本章小結(jié) 28
結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致謝 32
附錄 33
第1章 緒 論
1.1 膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)及工作原理
離合器是汽車傳動(dòng)系中直接與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的部件，主動(dòng)部分和從動(dòng)部分可以暫時(shí)分離，又可以逐漸接合，并且在傳動(dòng)過程中還要有可能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過主動(dòng)、從動(dòng)兩部分的相互作用把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力扭距傳遞給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)汽車的起步、換擋等功能。離合器的作用有三：一是保證汽車平穩(wěn)起步，二是保證傳動(dòng)系換擋時(shí)工作平順，三是防止汽車傳動(dòng)系過載[1]。
在以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)汽車中，離合器作為一個(gè)獨(dú)立的部件存在。雖然發(fā)展自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)是汽車傳動(dòng)系的發(fā)展趨勢(shì)，但根據(jù)德國(guó)出版的2003世界汽車年鑒，2002年世界各國(guó)114家汽車公司生產(chǎn)的1864款乘用車中，手動(dòng)機(jī)械變速器車款數(shù)為1337款；在我國(guó)，乘用車中自動(dòng)擋車款式只占全國(guó)平均數(shù)的26.53%；若考慮到商用車中更是多數(shù)采用手動(dòng)變速器，手動(dòng)擋汽車目前仍然是世界車款的主流?？梢哉f，從目前到將來離合器這一部件將會(huì)伴隨著內(nèi)燃機(jī)一起存在，不可能在汽車上消失[1]。
目前在汽車離合器中，摩擦式離合器用得最為廣泛。摩擦式離合器按結(jié)構(gòu)分可分主動(dòng)部分（包括飛輪、離合器蓋和壓盤）、從動(dòng)部分（從動(dòng)盤總成）、壓緊機(jī)構(gòu)（壓緊彈簧）和操縱機(jī)構(gòu)（包括分離叉、分離軸承、分離踏板和傳動(dòng)部件）。在膜片彈簧離合器中膜片彈簧有壓緊彈簧和分離杠桿的雙重作用，所以膜片彈簧離合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是包括從動(dòng)盤總成、膜片彈簧和壓盤總成三個(gè)部分[2]。
a b c
圖1.1 膜片彈簧離合器工作原理示意圖
a—安裝前位置；b—安裝后；c—分離位置
1—飛輪； 2—摩擦片； 3—離合器蓋； 4—分離軸承； 5—壓盤； 6—膜片彈簧； 7—支撐環(huán)
膜片彈簧為碟形，其上開有若干個(gè)徑向開口，形成若干個(gè)彈性杠杠。彈簧中部有鋼絲支承圈，用鉚釘將其安裝在離合器蓋上。在離合器蓋未固定到飛輪上時(shí)，膜片彈簧處于自由狀態(tài)，離合器蓋與飛輪接合面間有一距離DL。用螺栓將離合器蓋固定到飛輪上時(shí)，離合器蓋通過后鋼絲支承圈把膜片彈簧中部向前移動(dòng)了一段距離。由于膜片彈簧外端位置沒有變化，所以膜片彈簧被壓縮變形。膜片彈簧外緣通過壓盤把從動(dòng)盤壓靠在飛輪后端面上，這時(shí)離合器為接合狀態(tài)。在分離離合器時(shí)，分離軸承前移，膜片彈簧將以前鋼絲支承圈為支點(diǎn)，其外緣向后移動(dòng)，在分離鉤的作用下，壓盤離開從動(dòng)盤后移，離合器就變?yōu)榉蛛x狀態(tài)了[3]。
1.2 課題研究的目的和意義
1、選題目的：本次選擇課題為豐田轎車離合器的設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)為膜片彈簧離合器，而此設(shè)計(jì)有重大的意義和廣泛的用途，因?yàn)殡x合器作為底盤傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，它起著從發(fā)動(dòng)機(jī)到傳動(dòng)系中齒輪之間橋梁的作用，故它的重要性不可忽視，一個(gè)良好的離合器能夠提高汽車的壽命，所以設(shè)計(jì)一個(gè)操作簡(jiǎn)便分離快速的離合器是十分必要的，且選擇了設(shè)計(jì)離合器能夠做到對(duì)汽車內(nèi)重要部件的了解。
2、選題意義：離合器是汽車傳動(dòng)系中直接與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接的總成，其主要功用是切斷和實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系的動(dòng)力傳遞，以保證汽車起步時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系平順地接合，確保汽車平穩(wěn)起步；在換擋時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系分離，減少變速器中換擋齒輪之間的沖擊；在工作中受到大的動(dòng)載荷時(shí)，能限制傳動(dòng)系所承受的最大轉(zhuǎn)矩，防止傳動(dòng)系各零件因過載而損壞；有效地降低傳動(dòng)系中的振動(dòng)和噪聲。膜片彈簧離合器是用膜片彈簧代替了一般螺旋彈簧以及分離桿機(jī)構(gòu)而做成的離合器，因?yàn)樗贾迷谥醒?，所以也可算中央彈簧離合器。
它的優(yōu)點(diǎn)：首先，膜片彈簧本身兼起壓緊彈簧和分離桿的作用，使得零件數(shù)目減少，重量減輕；其次，離合器結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化并顯著地縮短了離合器的軸間尺寸；再者，膜片彈簧具有良好的非線性特性，設(shè)計(jì)合適可使摩擦片磨損到極限，壓緊力仍能維持很少改變，且減輕分離離合器時(shí)的踏板力，使操縱輕便。因此，離合器作為汽車重要的基礎(chǔ)部件它的功能不能忽視，設(shè)計(jì)如此重要的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)意義重大。
1.3 離合器的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外背景及發(fā)展趨勢(shì)：傳統(tǒng)離合器分有拉線和液壓式兩種，自動(dòng)離合器也分為兩種：機(jī)械電機(jī)式自動(dòng)離合器和液壓式自動(dòng)離合器。機(jī)械電機(jī)式自動(dòng)離合器的ECU匯集油門踏板、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器等信號(hào)，經(jīng)處理后發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)，通過拉桿等機(jī)械形式驅(qū)使離合器動(dòng)作；液壓式自動(dòng)離合器則是由ECU發(fā)送信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)液壓系統(tǒng)，通過液壓操縱離合器動(dòng)作。
液壓式自動(dòng)離合器在目前通用的膜片離合器的基礎(chǔ)上增加了電子控制單元（ECU）和液壓執(zhí)行系統(tǒng)，將踏板操縱離合器油缸活塞改為由開關(guān)裝置控制電動(dòng)油泵去操縱離合器油缸活塞。變速器控制單元（ECU）與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）是集成在一起的，根據(jù)油門踏板、變速器檔位、變速器輸入/輸出軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等傳感器反饋信息，計(jì)算出離合器最佳的接合時(shí)間與速度。
自動(dòng)離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)油泵、電磁閥和離合器油缸組成，當(dāng)ECU發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)油泵，電動(dòng)油泵產(chǎn)生的高壓油液通過電磁閥輸送到離合器油缸。通過ECU控制電磁閥的電流量來控制油液流量和油液的通道變換，實(shí)現(xiàn)離合器油缸活塞的移動(dòng)，從而完成汽車起動(dòng)、換檔時(shí)的離合器動(dòng)作。
為了實(shí)現(xiàn)離合器的自動(dòng)操縱，采用自動(dòng)離合器，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)離合傳動(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，離合器的摩擦力矩調(diào)節(jié)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)，離合器容易打滑。因此必須提前換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。
我國(guó)汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動(dòng)我國(guó)汽車離合器市場(chǎng)需求持續(xù)大幅增長(zhǎng)。隨著我國(guó)自動(dòng)檔轎車的增加，我國(guó)傳統(tǒng)離合器行業(yè)的發(fā)展前景日益擔(dān)憂，不少企業(yè)都在尋求新的持續(xù)發(fā)展的途徑。2007年以前，我國(guó)汽車產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)、汽車保有量的增加、出口市場(chǎng)需求的擴(kuò)張等三大因素推動(dòng)我國(guó)汽車離合器行業(yè)連續(xù)8年快速發(fā)展，2007年我國(guó)汽車離合器的產(chǎn)量突破1000萬(wàn)套。自2008年以來，受全球金融危機(jī)影響，中國(guó)汽車銷量為938萬(wàn)輛，增長(zhǎng)率僅為6.7%，離合器的市場(chǎng)規(guī)模約為55億元。到2010年，我國(guó)離合器總銷售額將達(dá)84億元，其中，蓋總成2800萬(wàn)件，從動(dòng)盤總成5700萬(wàn)件，液力變矩器100萬(wàn)套以上。目前國(guó)產(chǎn)離合器已經(jīng)能夠全面覆蓋國(guó)內(nèi)各種車型產(chǎn)品并具有足夠的研發(fā)、制造和供貨能力，干摩擦式離合器仍將是“十一五”期間汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用部件。在技術(shù)目標(biāo)方面，離合器的可靠性和壽命指標(biāo)要達(dá)到或接近國(guó)外同類產(chǎn)品水平，傳遞轉(zhuǎn)矩超過3000牛米的大容量重型離合器要形成批量供貨，要掌握AT、LTD、DCT和DMF等關(guān)鍵技術(shù)，在離合器及其電子操控系統(tǒng)的集成開發(fā)方面取得突破，建立離合器的綜合自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，以及建立模擬工況和實(shí)車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，形成更為完善的離合器產(chǎn)品評(píng)價(jià)體系。按照離合器行業(yè)的規(guī)劃，“十一五”期間，汽車離合器行業(yè)要形成3~5家年銷售量超過300萬(wàn)套的“小巨人”企業(yè)和5~10家年銷售量超過120萬(wàn)套的規(guī)模企業(yè)，并出現(xiàn)產(chǎn)銷規(guī)模進(jìn)入世界離合器行業(yè)前10名的中國(guó)企業(yè)。
國(guó)內(nèi)外主要汽車離合器有摩擦式離合器、液力偶合器、電磁離合器等幾種。摩擦式離合器又分為濕式和干式兩種。而比較先進(jìn)的離合器為液力偶合器、電磁離合器、具體如下介紹：
（1）摩擦式離合器：發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪是離合器的主動(dòng)件，帶有摩擦片的從動(dòng)盤和從動(dòng)轂借滑動(dòng)花鍵與從動(dòng)軸（即變速器的主動(dòng)軸）相連。壓緊彈簧則將從動(dòng)盤壓緊在飛輪端面上。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩即靠飛輪與從動(dòng)盤接觸面之間的摩擦作用而傳到從動(dòng)盤上，再由此經(jīng)過從動(dòng)軸和傳動(dòng)系中一系列部件傳給驅(qū)動(dòng)輪。壓緊彈簧的壓緊力越大，則離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩也越大。由于汽車在行駛過程中，需經(jīng)常保持動(dòng)力傳遞，而中斷傳動(dòng)只是暫時(shí)的需要，因此汽車離合器的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分是經(jīng)常處于接合和狀態(tài)的。摩擦副采用彈簧壓緊裝置即是為了適應(yīng)這一要求。當(dāng)希望離合器分離時(shí)，只要踩下離合器操縱機(jī)構(gòu)中的踏板，套在從動(dòng)盤轂的環(huán)槽中的拔叉便推動(dòng)從動(dòng)盤克服壓緊彈簧的壓力向松開的方向移動(dòng)，而與飛輪分離，摩擦力消失，從而中斷了動(dòng)力的傳遞。當(dāng)需要重新恢復(fù)動(dòng)力傳遞時(shí)，為使汽車速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化比較平穩(wěn)，應(yīng)該適當(dāng)控制離合器踏板回升的速度，使從動(dòng)盤在壓緊彈簧壓力作用下，向接合的方向移動(dòng)與飛輪恢復(fù)接觸。二者接觸面間的壓力逐漸增加，相應(yīng)的摩擦力矩也逐漸增加。當(dāng)飛輪和從動(dòng)盤接合還不緊密，二者之間摩擦力矩比較小時(shí)，二者可以不同步旋轉(zhuǎn)，即離合器處于打滑狀態(tài)。隨著飛輪和從動(dòng)盤接合緊密程度的逐步增大，二者轉(zhuǎn)速也漸趨相等。直到離合器完全接合而停止打滑時(shí)，汽車速度方能與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。
摩擦離合器又可分為：
單盤離合器：只有一片從動(dòng)盤，其前后兩面都裝又摩擦片，因而具有兩個(gè)摩擦面。
雙盤離合器：即增加了一個(gè)從動(dòng)盤。
周布彈簧離合器：采用若干個(gè)螺旋彈簧座壓緊彈簧，并沿摩擦盤圓周分布。
中央彈簧離合器：僅具有一個(gè)或兩個(gè)較強(qiáng)力的螺旋彈簧并安置在中央。
膜片彈簧離合器：是以膜片彈簧作為壓緊彈簧
（2）液力偶合器靠工作液（油液）傳遞轉(zhuǎn)矩，外殼與泵輪連為一體，是主動(dòng)件；渦輪與泵輪相對(duì)，是從動(dòng)件。當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，渦輪不能被帶動(dòng)，主動(dòng)件與從動(dòng)件之間處于分離狀態(tài)；隨著泵輪轉(zhuǎn)速的提高，渦輪被帶動(dòng)，主動(dòng)件與從動(dòng)件之間處于接合狀態(tài)。
（3）電磁離合器靠線圈的通斷電來控制離合器的接合與分離。如在主動(dòng)與從動(dòng)件之間放置磁粉，則可以加強(qiáng)兩者之間的結(jié)合力，這樣的離合器稱為磁粉式電磁離合器。
（4）自動(dòng)離合器隨著電子技術(shù)在汽車上應(yīng)用，一種自動(dòng)離合器系統(tǒng)也進(jìn)入了汽車領(lǐng)域，這種由控制單元（ECU）控制的離合器已經(jīng)應(yīng)用在一些轎車上，使手動(dòng)變速器換擋的一個(gè)重要步驟——離合器的斷開與接合能夠自動(dòng)地適時(shí)完成，簡(jiǎn)化了駕駛員的操縱動(dòng)作。
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，以使用心得使用條件。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)?！?
1.4 膜片彈簧離合器概述
膜片彈簧離合器是近年來在轎車和輕型載貨汽車上廣泛采用的一種離合器。因其作為壓簧，可以同時(shí)兼起分離杠桿的作用，使離合器的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，質(zhì)量減少，并顯著地縮短了離合器的軸向尺寸。其次，由于膜片彈簧與壓盤以整個(gè)圓周接觸，使壓力分布均勻。另外由于膜片彈簧具有非線性彈性特性，故能在從動(dòng)盤摩擦片磨損后，彈簧仍能可靠的傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而不致產(chǎn)生滑離。離合器分離時(shí)，使離合器踏板操縱輕便，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，因膜片是一種對(duì)稱零件，平衡性好，在高速下，其壓緊力降低很少，而周布置彈離合器在高速時(shí)，因受離心力作用會(huì)產(chǎn)生橫向撓曲，彈簧嚴(yán)重鼓出，從而降低了對(duì)壓盤的壓緊力，從而引起離合器傳遞轉(zhuǎn)矩能力下降。那么可以看出，對(duì)于輕型車膜片彈簧離合器的設(shè)計(jì)研究對(duì)于改善汽車離合器各方面的性能具有十分重要的意義。
作為壓緊彈簧的所謂膜片彈簧，是由彈簧鋼沖壓成的，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，而其余未切槽的大端截錐部分則起彈簧作用。膜片彈簧的兩側(cè)有支承圈，而后者借助于固定在離合器蓋上的一些（為徑向切槽數(shù)目的一半）鉚釘來安裝定位。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，后支承圈則壓膜片彈簧使其產(chǎn)生彈性變形，錐頂角變大，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結(jié)合狀態(tài)。當(dāng)離合器分離時(shí)，分離軸承前移膜片彈簧壓前支承圈并以其作為支點(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)壓盤后移使離合器分離。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，因此設(shè)計(jì)摩擦片磨損后，彈簧壓力幾乎不變，且可以減輕分離離合器時(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，因此其壓緊力實(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，使離合器結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，零件數(shù)目減少，質(zhì)量減小并顯著縮短了軸向尺寸；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，摩擦均勻，也易于實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)散熱等。
由于膜片彈簧離合器具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，并且制造膜片彈簧離合器的工藝水平在不斷提高，因此這種離合器在轎車及微型、輕型客車上得到廣泛運(yùn)用，而且正大力擴(kuò)展到載貨汽車和重型汽車上，國(guó)外已經(jīng)設(shè)計(jì)出了傳遞轉(zhuǎn)矩為80~~2000N.m、最大摩擦片外徑達(dá)420的膜片彈簧離合器系列，廣泛用于轎車、客車、輕型和中型貨車上。甚至某些總質(zhì)量達(dá)28~32t的重型汽車也有采用膜片彈簧離合器的，但膜片彈簧的制造成本比圓柱螺旋彈簧要高。膜片彈簧離合器的操縱曾經(jīng)都采用壓式機(jī)構(gòu)，即離合器分離時(shí)膜片彈簧彈性杠壓桿內(nèi)端的分離指處是承受壓力。當(dāng)前膜片彈簧離合器的操縱機(jī)構(gòu)已經(jīng)為拉式操縱機(jī)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、裝拆方便；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。
1.5 主要研究?jī)?nèi)容
由于膜片彈簧離合器，擁有零件數(shù)目少，重量輕，非線性特性好，操縱輕便，等優(yōu)點(diǎn)，且制造膜片彈簧的工藝水平在不斷提高，所以本文將設(shè)計(jì)推式膜片彈簧離合器。
本設(shè)計(jì)以豐田花冠汽車各項(xiàng)參數(shù)和性能為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，所選定汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供的最大轉(zhuǎn)矩Temax為152N×m。
本設(shè)計(jì)針對(duì)的車型是09款豐田花冠轎車。
其基本參數(shù)如下：
車 型：豐田花冠
整車質(zhì)量：1145（kg）
最高車速：185 （km/h）
主要尺寸: 4530×1705×1490 長(zhǎng)/寬/高（mm）
最大功率：88/6000 （kw）
最大扭矩：152/4400 （N.m）
為了保證離合器具有良好的工作性能，設(shè)計(jì)離合器應(yīng)滿足以下要求：
（1）在任何行駛條件下，都能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，并有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩儲(chǔ)備，又能防止傳動(dòng)系過載。
（2）接合時(shí)要完全、平順、柔和，保證汽車起步時(shí)沒有抖動(dòng)和沖擊。
（3）分離要迅速、徹底。
（4）從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，以減輕換擋時(shí)變速器齒輪間的沖擊，便于換擋和減小同步器的磨損。
（5）具有足夠的吸熱能力和良好的通風(fēng)散熱效果，以保證工作溫度不致過高，延長(zhǎng)其使用壽命。
（6）應(yīng)能避免和衰減傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并具有吸收振動(dòng)、緩和沖擊和降低噪聲的能力。
（7）操縱輕便、準(zhǔn)確，以減輕駕駛員的疲勞。
（8）作用在從動(dòng)盤上的總壓力和摩擦離合器和摩擦材料的摩擦因數(shù)在離合器工作過程中變化要盡可能小，以保證有穩(wěn)定的工作性能。
（9）具有足夠的強(qiáng)度和良好的動(dòng)平衡，以保證其工作可靠、使用壽命長(zhǎng)。
（10）結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單、緊湊，質(zhì)量小，制造工藝性好，拆裝、維修、調(diào)整方便。
第2章 離合器基本尺寸參數(shù)的選擇
2.1 離合器基本性能關(guān)系式
離合器的基本功能之一是傳遞力矩，因此離合器轉(zhuǎn)矩容量是離合器最為基本的性能之一。通常它只能用來初步定出離合器的原始參數(shù)、尺寸，它們是否合適最終取決于試驗(yàn)驗(yàn)證。
根據(jù)摩擦力矩公式
(2.1)
式中：Tc—離合器靜摩擦力矩；β—后備系數(shù)；f—摩擦因數(shù)；Z：摩擦面數(shù)；po—單位壓力；D—摩擦片外徑；c—內(nèi)外徑之比。
有了上面的關(guān)系式，對(duì)于一定的離合器結(jié)構(gòu)而言，只要合理選擇其中的參數(shù)，并能滿足上面的關(guān)系式，就可估算出所設(shè)計(jì)的離合器是否合適[4]。
2.2 離合器后備系數(shù)的選擇
后備系數(shù)β是離合器一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它反映了離合器傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的可靠程度。在選擇β時(shí)，應(yīng)保證離合器應(yīng)能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩、要防止離合器滑磨過大、要能防止傳動(dòng)系過載。其數(shù)值按表2—1選取，而設(shè)計(jì)乘用車的離合器其β要求比較的大，初步選擇為1.60。
表2.1 離合器后備系數(shù)β的取值范圍
車 型
后備系數(shù)
乘用車及最大總質(zhì)量小于6t的商用車
1.20～1.75
最大總質(zhì)量為6～14t的商用車
1.50～2.25
掛車
1.80～4.00
2.3 摩擦材料中單位壓力和摩擦因數(shù)的取值
石棉基摩擦材料的密度小，制造容易、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但受工作溫度、單位壓力、滑磨速度影響大，主要用于中、輕載荷的工作條件下，而粉末冶金材料的傳熱性好、熱穩(wěn)定性與耐磨性好、摩擦因數(shù)高，故在選擇摩擦片材料是粉末冶金材料中的鐵基[5]。初選po根據(jù)表2—2中可得：為0.5MPa，f為0.5。
表2—2 摩擦材料中單位壓力和摩擦因數(shù)的取值
摩擦片材料
單位壓力po/MPa
摩擦因數(shù)f
石棉基材料
模壓
0.15～0.25
0.20～0.25
編織
0.25～0.35
0.25～0.30
粉末冶金材料
銅基
0.35～0.50
0.25～0.30
鐵基
0.35～0.50
金屬陶瓷材料
0.70～1.50
0.4
2.4 本章小結(jié)
本章系統(tǒng)介紹了膜片彈簧離合器的結(jié)構(gòu)，并講述了離合器各零件的結(jié)構(gòu)和材料，各部分的連接關(guān)系，以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選擇和處理，為下章離合器的計(jì)算打下基礎(chǔ)。
第3章 離合器從動(dòng)盤總成設(shè)計(jì)
3.1 摩擦片的設(shè)計(jì)
(1)摩擦片基本尺寸的確定。摩擦片外徑是離合器的基本尺寸，它關(guān)系到離合器的結(jié)構(gòu)重量和使用壽命，它和離合器所需傳遞的轉(zhuǎn)矩有一定的關(guān)系。根據(jù)摩擦力矩公式(3—1)：
(3.1)
式中：Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；β—后備系數(shù)；f—摩擦因數(shù)；Z：摩擦面數(shù)；po—單位壓力；D—摩擦片外徑；c—內(nèi)外徑之比
計(jì)算離合器的外徑D同時(shí)參考經(jīng)驗(yàn)公式(3.2)：
(3.2)
式中：K—參考系數(shù)；D—摩擦片外徑；Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；
乘用車轎車K取47，計(jì)算得到D=179mm。
初選D以后，還需根據(jù)摩擦片尺寸的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)一步確定[6]。
表3—1 離合器尺寸選擇參數(shù)表
摩擦片外徑D/mm
160
180
200
225
250
280
300
325
350
380
405
430
內(nèi)徑d（mm）
110
125
140
150
155
165
175
190
195
205
220
230
厚度（mm）
3.2
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
4
4
4
4
C=d/D
0.687
0.694
0.700
0.667
0.620
0.589
0.583
0.585
0.557
0.540
0.543
0.535
0.676
0.667
0.657
0.703
0.762
0.796
0.802
0.800
0.827
0.843
0.840
0.847
單面面積
（ mm2）
106
132
160
221
302
402
466
546
678
729
908
1037
查找標(biāo)準(zhǔn)(GB1457—74)的規(guī)定：
最終確定：外徑D=250mm；內(nèi)徑d=155mm，內(nèi)外徑之比c=0.620，單片面積F=302mm2 。
對(duì)摩擦片的厚度h，我國(guó)以規(guī)定了3種規(guī)格：3.2mm，3.5mm，4mm，這里選擇厚度為3.5mm。
(2)摩擦片的校核。在初步確定完摩擦片的基本尺寸后，要對(duì)摩擦片校核：
1)摩擦片外D(mm)的選擇應(yīng)使最大圓周速度vD不超過65～70m/s：
(3.3)
式中：nemax—發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（r/min）；
當(dāng)nemax取6 000時(shí)，代入可得：
vD=45.79m/s ≤ 65～70m/s。
2)摩擦片的內(nèi)外徑比c應(yīng)在0.53～0.70 范圍內(nèi)：
c=0.620∈｛0.53～0.70｝。
3)保證離合器可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并防止傳動(dòng)系過載，β應(yīng)在1.2～1.75之間，代入式(2—1)：
β= Tc/ Temax=1.30∈｛1.20～1.75｝。
4)為了減少汽車起步過程中的離合器的滑磨，防止摩擦片表面溫度過高而發(fā)生燒傷，離合器每一次接合的單位面積滑磨功應(yīng)小于其許用值，即：
(3.4)
式中：ω—單位摩擦面積滑磨功(J/mm2)；[ω] —其許用值0.4 J/mm2；W—汽車起步時(shí)離合器接合一次產(chǎn)生的總滑磨功(J)，可以根據(jù)下式計(jì)算：
(3.5)
式中：ne—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，取2 000r/min；ma—汽車總質(zhì)量(kg)，取1145kg；rr—汽車輪胎滾動(dòng)半徑(m)；ig—汽車起步時(shí)所用變速器檔位的傳動(dòng)比；數(shù)值取3.8；i0—主減速器傳動(dòng)比，取4.2。
各個(gè)數(shù)值代入(3.5)式得到：W=14 983J。
把W=14983J和摩擦片的各個(gè)數(shù)值代入式(3.4)，得：
w=0.228J/mm2≤[w]=0.4J/mm2。
經(jīng)過校核可知，摩擦片的設(shè)計(jì)符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求[7]。
3.2 從動(dòng)盤轂的設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是經(jīng)從動(dòng)盤轂的花鍵孔輸出，花鍵之間為動(dòng)配合，在離合器分離和結(jié)合的過程中，從動(dòng)盤轂就能在花鍵軸上自由滑動(dòng)。我國(guó)生產(chǎn)的離合器，其從動(dòng)盤轂花鍵多用SAE標(biāo)準(zhǔn)，其有關(guān)尺寸見表
表3—2 從動(dòng)盤轂花鍵的尺寸
摩擦片的外徑D/mm
發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Temax/N×m
花鍵尺寸
擠壓應(yīng)力s/MPa
齒數(shù)n
外徑D’/mm
內(nèi)徑d’/mm
齒厚t/mm
有效齒長(zhǎng)l/mm
180
69
10
26
21
3
20
11.6
200
108
10
29
23
4
25
11.1
225
150
10
32
26
4
30
11.3
250
200
10
35
28
4
35
10.2
……
……
……
……
……
……
……
……
根據(jù)表3—2中選擇n=10，D’=35mm，d’=28mm，t=4mm，l=35mm。
花鍵尺寸選定后應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。由于花鍵損壞的主要形式是由于表面受擠壓過大而破壞，所以花鍵要進(jìn)行擠壓應(yīng)力計(jì)算，當(dāng)應(yīng)力偏大時(shí)可適當(dāng)增加花鍵轂的軸向長(zhǎng)度。
花鍵的擠壓應(yīng)力：
(3.6)
式中：Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；D—花鍵轂的外徑；d—花鍵轂的內(nèi)徑；n—花鍵轂的齒數(shù)；l—花鍵轂的有效長(zhǎng)度。
從動(dòng)盤轂一般都由中碳鋼鍛造而成，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其擠壓應(yīng)力不應(yīng)大于30MPa。
從動(dòng)盤轂采用鍛鋼（40Cr），采用調(diào)質(zhì)處理，表面和心部硬度在26～32HRC。提高花鍵內(nèi)孔表面硬度和耐磨度，可采用鍍鉻工藝；對(duì)減振彈簧窗口及從動(dòng)片配合處，應(yīng)進(jìn)行高頻處理。
3.3 從動(dòng)片和波形彈簧片的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)從動(dòng)片，要盡量減輕其重量，并使其質(zhì)量的分布可能地靠近旋轉(zhuǎn)中心，以獲得最小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從動(dòng)片做的比較薄，一般在1.3mm—2.2mm。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要采用從動(dòng)片的厚度為2mm，材料為中碳鋼板（50號(hào)），表面硬度為35～40HRC，結(jié)構(gòu)采用分開式彈性從動(dòng)片結(jié)構(gòu)。
波形片材料采用65Mn，厚度為0.7mm，硬度為40～46HRC，并經(jīng)過表面發(fā)藍(lán)處理。
3.4 扭轉(zhuǎn)減震器的設(shè)計(jì)
由于發(fā)動(dòng)機(jī)傳到汽車傳動(dòng)系中的轉(zhuǎn)矩是周期地不斷變化的，從而使傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。若振動(dòng)頻率與傳動(dòng)系的自振頻率相重合會(huì)發(fā)生共振，影響傳動(dòng)系中零件的壽命。為避免共振，緩和傳動(dòng)系所受的沖擊載荷，在許多汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)中裝設(shè)了扭轉(zhuǎn)減振器，且大多數(shù)將扭轉(zhuǎn)減振器附裝在離合器的從動(dòng)盤中[8]。
a b
圖5—1 扭轉(zhuǎn)減振器工作示意圖
a—靜止?fàn)顟B(tài)；b—工作狀態(tài)
1、2—減振彈簧；3—從動(dòng)盤本體；4—阻尼片；
離合器接合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)飛輪和壓盤傳給了從動(dòng)盤兩側(cè)的摩擦片，帶動(dòng)從動(dòng)盤本體和與從動(dòng)盤本體鉚接在一起的減振器盤轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)盤本體和減振器盤又通過六個(gè)減振器彈簧把轉(zhuǎn)矩傳給了從動(dòng)盤轂。因?yàn)橛袕椥原h(huán)節(jié)的作用，所以傳動(dòng)系受的轉(zhuǎn)動(dòng)沖擊可以在此得到緩和。傳動(dòng)系中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)使從動(dòng)盤轂相對(duì)于動(dòng)盤本體和減振器盤來回轉(zhuǎn)動(dòng)，夾在它們之間的阻尼片靠摩擦消耗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能量，將扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減下來[9]。
扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)計(jì)算著重于減振彈簧。
(1)減振彈簧的材料。選用60Si2MnA彈簧鋼絲。
(2)減振彈簧個(gè)數(shù)Zj的選取。根據(jù)表3.3，由于D=250mm，所以Zj取4。
表3—3 減振彈簧個(gè)數(shù)的選取
摩擦片外徑D/mm
225～250
250～325
325～350
>350
Zj
4～6
6～8
8～10
>10
(3)減振彈簧的位置半徑R0。減振彈簧的位置半徑R0一般取(0.60～0.75)d/2,同時(shí)為了保證離合器可靠的傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，減振彈簧位置直徑2R0約小于摩擦片內(nèi)徑約50mm，所以取R0=37.5mm。
(4)極限轉(zhuǎn)矩Tj。極限轉(zhuǎn)矩是指減振器在消除了限位銷與從動(dòng)盤轂之間的間隙時(shí)所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，即限位銷起作用時(shí)的轉(zhuǎn)矩。它受限于減振彈簧的許用應(yīng)力等因素，與發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩有關(guān)，一般可?。?
Tj=(1.5～2.0)Temax (3.7)
式中：Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；Tj—極限轉(zhuǎn)矩。
乘用車取相應(yīng)系數(shù)為2.0，所以Tj=304N×m。
(5)扭轉(zhuǎn)角剛度kj 。為了避免引起傳動(dòng)系統(tǒng)的共振，要合理選擇減振器的扭轉(zhuǎn)角剛度kj，使共振現(xiàn)象不發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)常用的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。kj取決于減振彈簧的線剛度及其結(jié)構(gòu)布置尺寸：
kj=KZjR02×103 (3.8)
式中：K—每個(gè)減振彈簧的線性剛度(N/mm)；Zj—減振彈簧的個(gè)數(shù)；R0—減振彈簧位置半徑(m)。
減振器的角剛度既要滿足傳遞足夠大的轉(zhuǎn)矩的要求，又要滿足為了避開共振而盡量降低其值的要求，這在實(shí)際上是做不到的。因此，減振器的角剛度kj的最后確定，常常是結(jié)構(gòu)所允許的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)選kj為：kj ≤13Tj。
由于設(shè)計(jì)的是乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)，常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速是較高的，且保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作較穩(wěn)定，所以選擇kj較小，取kj=10Tj=4 000N×m。
這樣每個(gè)彈簧的線性剛度為K= kj/(KZjR02)=2.1×106 N/mm。
(6)阻尼摩擦轉(zhuǎn)矩Tm。由于減振器扭轉(zhuǎn)剛度kj受結(jié)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的限制，不肯能夠很低，故為了在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)最有效地消振，必須合理選擇減振器的阻尼摩擦轉(zhuǎn)矩Tm，一般可選：
Tm=(0.06～0.17)Temax (3.9)
式中：Tm—阻尼摩擦轉(zhuǎn)矩；Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。
按經(jīng)驗(yàn)選Tm=0.12Temax=24N。
(7)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tn。減振彈簧在安裝時(shí)都有一定的預(yù)緊力。研究表明，Tn的增加，共振頻率將向減小頻率的方向移動(dòng)，這是有利的。但Tn不應(yīng)大于Tm，否則在反向工作時(shí)，扭轉(zhuǎn)減振器將提前停止工作，故取：
Tn=(0.05～0.17) Temax (3.10)
式中：Tn—預(yù)緊轉(zhuǎn)矩；Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。
取Tn=0.10Temax=20N。
(8)極限轉(zhuǎn)角jj。減振器從預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tn增加到極限轉(zhuǎn)矩Tj時(shí)，從動(dòng)片相對(duì)從動(dòng)盤轂的極限轉(zhuǎn)角jj為
(3.11)
式中：jj —極限轉(zhuǎn)角；R—減振彈簧位置半徑；Dl—減振彈簧的工作變量。
jj通常取3o～12o，由于設(shè)計(jì)的乘用車的離合器，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的平順性要求較高，所以jj取9o。
3.5 本章小結(jié)
本章介紹了離合器從動(dòng)盤總成的設(shè)計(jì)，包括摩擦片主要參數(shù)的選擇與優(yōu)化、扭轉(zhuǎn)減振器與減振彈簧的計(jì)算、操縱機(jī)構(gòu)與輸出軸的計(jì)算、選取從動(dòng)盤轂。以及設(shè)計(jì)了摩擦片，從動(dòng)盤轂，從動(dòng)片波形彈簧，及扭轉(zhuǎn)減震器，對(duì)其進(jìn)行材料選擇和數(shù)據(jù)計(jì)算。
第4章 離合器壓盤總成設(shè)計(jì)
4.1 壓盤設(shè)計(jì)
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)從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它必須和飛輪有一定的聯(lián)系，但這種聯(lián)系有應(yīng)允許壓盤在離合器分離過程中自由的做軸向移動(dòng)，使壓盤和從動(dòng)盤脫離接觸。壓盤和飛輪間常用的連接方式有凸臺(tái)式、鍵式和銷式。但這些連接方式在離合器分離和結(jié)合的過程中，由于傳力零件之間有摩擦，將降低離合器操縱部分的傳動(dòng)效率。
為了消除上述缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中采用傳力片式。
在離合器的基本參數(shù)選定后，壓盤的基本尺寸應(yīng)和摩擦片的外徑和內(nèi)徑相同，確定壓盤的厚度應(yīng)符合下面兩點(diǎn)要求。
(1)壓盤應(yīng)具有較大質(zhì)量，以增大熱容量，減少溫升。應(yīng)用下式校核壓盤的一次接合的溫升：
(4.1)
式中：t—壓盤溫升(oC)；c—壓盤的比熱容，鑄鐵：c=481.4J/(kg·oC)；m—壓盤質(zhì)量(kg)，經(jīng)計(jì)算約為4.2kg；W—汽車起步時(shí)離合器接合一次產(chǎn)生的總滑磨功(J)，經(jīng)上面計(jì)算得W=14 983J；g—傳到壓盤的熱量所占的比例，對(duì)于單片離合器壓盤：g=0.5。
根據(jù)式(4—1)得：t=3.7 oC≤8 oC。
(2)壓盤應(yīng)具較大的剛度。能使壓緊力在摩擦面上的壓力分布均勻并減少受熱后翹曲變形，以免影響摩擦片的均勻壓緊及與離合器的徹底分離[8]。
與飛輪保持良好的對(duì)中，并要進(jìn)行靜平衡，壓盤單件的平衡精度不低于15～20g·cm
基于以上兩點(diǎn)，選取壓盤的厚度為12mm。
由于壓盤的形狀較復(fù)雜，要求傳熱性好，具有較高的摩擦因數(shù)，所以采用灰鑄鐵，采用HT300，硬度為170～227HBS，另外添加少量的金屬元素（鎳鐵合金）以增加其機(jī)械強(qiáng)度[10]。
4.2 離合器蓋的設(shè)計(jì)
(1)離合器蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。應(yīng)具有足夠的剛度，否則將影響離合器的工作特性，增大操縱時(shí)的分離行程，減小壓盤升程，嚴(yán)重時(shí)使摩擦面不能徹底分離。為此可采用如下的措施：適當(dāng)?shù)脑龃笊w的板厚，使鋼板厚度達(dá)到4mm；在蓋內(nèi)的圓周處翻邊。
和飛輪保持良好的對(duì)中，以免影響總成的平衡和正常的工作。
蓋的膜片彈簧支承處應(yīng)具有高的尺寸精度。
(2)離合器蓋的材料。由于設(shè)計(jì)的離合器是乘用車用的，所以離合器蓋的加工工藝為沖壓制造，所以采用的是4mm的10號(hào)鋼板沖壓而成[11]。
4.3 傳力片的設(shè)計(jì)
傳力片的作用是在離合器接合時(shí)，離合器蓋通過它來驅(qū)動(dòng)壓盤共同旋轉(zhuǎn)，分離時(shí)，又可以利用它的彈性來牽動(dòng)壓盤軸向分離并使操縱力減小。
傳力片為3組，每組2片，每片厚度為0.8mm，由65Mn的彈簧鋼帶制成。在布置傳力片時(shí)要注意，通常情況下傳力片應(yīng)該受拉力[11]。
傳力片的校核：
用公式(4-2)計(jì)算傳力片的有效長(zhǎng)度：
(4.2)
式中：l１—傳力片的有效長(zhǎng)度；l—傳力片上兩孔之間的距離；—孔的直徑。
用公式(4—3)計(jì)算傳力片的彎曲總剛度：
(4.3)
式中：E—傳力片材料的彈性模量；—截面慣性矩；n—為傳力片數(shù)量；i—傳力片的組數(shù)；l１—傳力片的有效長(zhǎng)度。
用公式(4-4)計(jì)算壓盤和離合器蓋組裝時(shí)的最大應(yīng)力：
(4.4)
式中：σmax—最大應(yīng)力值；W—傳力片的截面系數(shù)；n—傳力片數(shù)量；i—傳力片的組數(shù)； l１—傳力片的有效長(zhǎng)度；P—傳力片作用力的大小。
帶入數(shù)值計(jì)算得到913MPa
離合器傳扭時(shí)分為正向驅(qū)動(dòng)和反向驅(qū)動(dòng)，用公式(4-5)計(jì)算正向驅(qū)動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力:
=204.5MPa≤913MPa (4.5)
式中：σmax—最大應(yīng)力值；W—傳力片的截面系數(shù)；n—傳力片數(shù)量；i—傳力片的組數(shù)； P—傳力片作用力的大小；b—傳力片的寬度；l１—傳力片的有效長(zhǎng)度；h—傳力片厚度；R—傳力片的圓周半徑；fmax—傳力片軸向變形力最大值；Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。
用公式(4—6)計(jì)算反向驅(qū)動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力:
=823.5 MPa≤913MPa (4.6)
式中：σmax—最大應(yīng)力值；W—傳力片的截面系數(shù)；n—傳力片數(shù)量；i—傳力片的組數(shù)； P —傳力片作用力的大?。籦—傳力片的寬度；l—傳力片的有效長(zhǎng)度；h—傳力片厚度；R—傳力片的圓周半徑；fmax—傳力片軸向變形力最大值；Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。
可見，傳力片的設(shè)計(jì)符合要求。
4.4 本章小結(jié)
本章對(duì)離合器主動(dòng)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算、選擇及校核。主動(dòng)件包括離合器蓋、壓盤等。這些部件都是給離合器傳遞扭矩的部件，他們共同的特點(diǎn)是都要有良好的散熱能力，有能有效把在主動(dòng)部分的熱傳遞出去的能力。這些部件總成都是符合標(biāo)準(zhǔn)的部件，經(jīng)過嚴(yán)格的校核計(jì)算，可以符合使用的標(biāo)準(zhǔn)，滿足使用的需要。
第5章 膜片彈簧設(shè)計(jì)
5.1 膜片彈簧的切選
設(shè)計(jì)膜片彈簧，一定要初步選定其全部尺寸，然后進(jìn)行一系列的驗(yàn)算，最后優(yōu)選出合適的尺寸[12]。
表5—1 膜片彈簧的主要參數(shù)的選用參考值
基本參數(shù)
常用范圍
一般范圍
外內(nèi)徑比 R/r
1.2～1.3
1.2～1.35
膜片鋼板厚度 h(mm)
2～3.4
2～4
高厚比 H/r
1.7～2.0
1.6～2.2
外徑厚度比 H/h
75～95
70～100
比值 R/r0
4～5
3.5～5.0
杠桿比（推式） (r1-rf)/(R1-r1)
2.3～4.5
-
分離指的數(shù)目 n
18
-
分離指舌尖切槽寬 δ1(mm)
3.2～3.5
-
分離指舌根切槽寬δ2(mm)
9～10
-
分離指舌部最寬處半徑 re(mm)
≤ r-δ2
-
初始錐底角 a(o)
10～13
9～15
半徑差值(mm)
D1=R-R1
2～4
1～7
D2=r1-r
0.5～ 3
0～6
D3=rf-r0
0～3
0～4
圖5—1 膜片彈簧的基本尺寸
膜片的外徑R的大小約為摩擦片的平均半徑，即(D+d)/4，所以R的初選為106mm，
根據(jù)表5—1和圖5—1以及R的大小，選擇膜片彈簧的以下數(shù)值[13-15]：
大端半徑：R=120mm；
碟簧部分內(nèi)徑：r=100mm；
碟簧在自由狀態(tài)下的內(nèi)錐高：H=14mm；
膜片鋼板厚度：h=2.45mm；
膜簧壓盤加載點(diǎn)半徑：R1=118mm；
膜簧支承環(huán)加載點(diǎn)半徑：r1=99mm；
小端內(nèi)徑r0=25mm；
分離加載半徑：rf=35mm；
分離指舌尖切槽寬：δ1=3.4mm；
分離指舌根切槽寬：δ2=10mm；
分離指舌部最寬處半徑：re=75mm。
5.2 膜片彈簧的分析
圖5—2 膜片彈簧的特征曲線
膜片彈簧由于它的變形和載荷關(guān)系并不成線性關(guān)系，在壓緊狀態(tài)時(shí)，通過支承環(huán)和壓盤在膜片彈簧上的載荷F1(N)集中在支承處，加載點(diǎn)相對(duì)軸向變形l1(mm)的彈簧的彈性特征如下式：
(5.1)
式中：材料的彈性模量(MPa)，對(duì)于剛材料：E=2.1×105MPa；m—材料的泊松比，對(duì)于鋼：m=0.3；H、h、R、r、R1、r1代表均是圖5—1中的含義[16-18]。
當(dāng)離合器分離時(shí)，膜片彈簧的加載點(diǎn)將發(fā)生變化，從支承環(huán)和壓盤的加載點(diǎn)轉(zhuǎn)移到支承環(huán)和分離軸承的加載點(diǎn)，設(shè)分離軸承的加載的力為F2(N)，則有如下的關(guān)系：
(5.2)
把上式代入式(5—1)則
F1與膜片彈簧末端變形l1關(guān)系為
(5.3)
根據(jù)圖5—2中的膜片彈簧的彈性特征曲線，M和N點(diǎn)為曲線的一階導(dǎo)數(shù)點(diǎn)為0點(diǎn)，而中間的H點(diǎn)位曲線的拐點(diǎn)，即為曲線的二階導(dǎo)數(shù)點(diǎn)為0點(diǎn)，所以：
(5.4) (5.5)
當(dāng)=0時(shí)，得：
(5.6)
式(5—6)代入R、r、R1、r1得l1=2.16mm，即l1H=3.24mm
而B點(diǎn)為膜片彈簧壓緊狀態(tài)的而l1B：0.8l1H≤l1B≤l1H則選l1B=3mm
當(dāng)=0時(shí)，得
(5.7)
式(5—7)代入R、r、R1、r1得l1=2.25mm和4.28mm，即l1M=2.25mm，l1N=4.28mm。而A點(diǎn)為摩擦片在最大磨損的情況下的膜片彈簧的彈性變形，其：
Dl=l1B－l1A=Zc×DS0
式中：Zc—離合器的摩擦片摩擦片表面數(shù)目，單片Zc=2；DS0—每個(gè)摩擦工作表面的最大允許磨損量，一般為DS0=0.5～1mm。
根據(jù)摩擦片的特點(diǎn)，Dl=1.6mm，也就是l1A=1.4mm。而C點(diǎn)為離合器徹底分離的的點(diǎn)，其l1C略大于l1N，所以l1N=4.4mm。
將l1B，l1A，l1C分別代入：得F1B=442.5N，F(xiàn)1A=453N，F(xiàn)1B=98.1N，得到壓緊時(shí)的力為453N，分離軸承的分離終端時(shí)的用力為98.1N。
5.3 膜片彈簧的校核
在圖5—1中，在Ⅰ點(diǎn)所受的應(yīng)力是最大的，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行許用應(yīng)力的校核：
(5.8)
(5.9)
(5.10)
式中：stI—I點(diǎn)的彎曲應(yīng)力(MPa)；srI—I點(diǎn)的切向壓應(yīng)力(MPa)；sjI—I點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力(MPa)；e—中性點(diǎn)的半徑(mm)，e=(R－r)/ln(R/r)；j—離合器撤離分離時(shí)膜片彈簧相對(duì)于自由狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)角；F2—分離時(shí)的分離軸承的力；[sjI]—材料的當(dāng)量應(yīng)力的許用值，采用60Si2MnA時(shí)，[sjI]=1500～1700MPa[19-20]。
經(jīng)過計(jì)算代入，sjI=stI－srI=1785MPa－352.8MPa=1432.2MPa ≤ [sjI]
校核得知，膜片彈簧的設(shè)計(jì)在允許的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)是合理的。
5.4 本章小結(jié)
本章膜片彈簧進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。使其可以更好的在該設(shè)計(jì)的離合器中工作，提高離合器的使用壽命及工作效率。膜片彈簧本身就兼起壓緊彈簧和分離杠桿作用，是離合器上最重要的部件，將其設(shè)計(jì)做好可以是離合器的各項(xiàng)性能得到大幅度的提高。
第6章 離合器分離裝置設(shè)計(jì)
6.1分離桿的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)才用的是膜片彈簧的壓緊機(jī)構(gòu)，分離桿的作用由膜片彈簧中的分離指來完成。其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)在后續(xù)設(shè)計(jì)中確定。
在設(shè)計(jì)分離桿時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
（1）分離桿要有足夠的剛度
（2）分離桿的鉸接處應(yīng)避免運(yùn)動(dòng)上的干涉
（3）分離桿內(nèi)端的高度可以調(diào)整
6.2離合器分離套筒和分離軸承的設(shè)計(jì)
分離軸承在工作中主要承受軸向力，在離合器分離時(shí)，由于分離軸承的旋轉(zhuǎn)，在受離心力的作用下，還承受徑向力。在傳統(tǒng)離合器中采用的分離軸承主要有徑向止推軸承和止推軸承。而在現(xiàn)代汽車離合器中主要采用了角接觸式的徑向推力球軸承，并由軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。
本設(shè)計(jì)的是拉式膜片彈簧離合器，采用如圖（6.1）的的自動(dòng)調(diào)心式分離軸承裝置，圖中在軸承外圈2和分離套筒5外凸緣和外罩殼3之間以及內(nèi)圈1與分離套筒內(nèi)凸緣之間都留用徑向間隙，這些間隙保證了分離軸承相對(duì)于分離套筒可徑向移動(dòng)1mm左右。在外圈2與分離套筒5的端面之間裝有以波形彈簧片4，用以將外圈緊緊頂在分離套筒凸緣的端面上，使軸承在不工作時(shí)不會(huì)發(fā)生晃動(dòng)。當(dāng)膜片彈簧旋轉(zhuǎn)軸線與軸承不同心時(shí)，分離軸承便會(huì)自動(dòng)徑向浮動(dòng)到與其同心的位置，以保證分離軸承能均勻壓緊各分離指舌尖部。這樣可減小振動(dòng)和噪聲，減小分離指與分離軸承端面的磨損，使軸承不會(huì)出現(xiàn)過熱而造成潤(rùn)滑脂的流失分解，延長(zhǎng)軸承壽命。另外，分離軸承由傳動(dòng)的外圈轉(zhuǎn)動(dòng)改為內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)、外圈固定不轉(zhuǎn)，由內(nèi)圈來推動(dòng)分離指結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)卦龃罅四て瑥?/div>
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