汽车行业汽车膜片弹簧离合器设计设计说明书.docx
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汽车行业汽车膜片弹簧离合器设计设计说明书
（汽车行业）汽车膜片弹簧离合器设计设计说明书
课程设计
汽车膜片弹簧离合器设计
姓名：
学号：
指导教师：
专业班级：
汽车膜片弹簧离合器设计---课程设计任务书
汽车离合器是发动机与变速箱之间的连接装置，起连接或断开动力的作用。
离合器类型有多种，本课程设计要求设计膜片弹簧离合器，这种离合器是目前汽车上应用最多的一类离合器。
要求通过学习掌握汽车膜片弹簧离合器的原理,结构和设计知识，用所给的基本设计参数进行汽车膜片弹簧离合器设计，绘制主要的零部件图纸，写出内容详细的设计说明书。
一、基本设计参数：
1.发动机型号:
TJ370Q
2.发动机最大扭矩:
58.8/3200Nm/（r/min）
3.传动系统传动比:
1挡:
3.966
主减速比:
5.125
4.驱动轮类型与规格:
5.00-12-8PR145/70SR12
5.汽车总质量:
1429KG
二、设计内容及步骤
1、离合器主要参数的确定
（1）根据基本设计参数确定离合器主要参数：
①后备系数；②单位压力；③摩擦片内外径D、d和厚度b；④摩擦因素f、摩擦面数Z等。
（2）摩擦片尺寸校核与材料选择。
2、扭转减震器的设计
（1）确定扭转减震器结构
（2）确定扭转减震器主要参数
（3）确定减震弹簧尺寸
3、从动盘总成设计
（1）从动片设计
（2）从动盘毂设计
（3）确定从动盘摩擦材料
4、离合器盖总成的设计
（1）选择压盘内外径、厚度及材料，并进行校核
（2）离合器盖设计
（3）支撑环设计
5、膜片弹簧的设计
（1）膜片弹簧基本参数选择
（2）膜片弹簧强度计算
三、设计成果要求
1、设计计算说明书
（1）设计计算说明书要包括：
封面、课程设计任务书、目录、中英文摘要、正文、参考文献等。
（2）正文主要体现：
进行各零部件的参数选择与计算时的理论依据、计算步骤及对计算结果合理性的阐述。
（3）课程设计说明书统一用A4纸打印或撰写，要求排版整洁合理，字迹工整，图文并貌。
2、设计图纸
（1）零件图纸包括:
磨擦片、从动片、从动盘毂、压盘、膜片弹簧图
（2）离合器总成结构装配图
尺寸标注、公差标注、技术要求、明细栏等完整。
摘要1
第1章绪论3
第2章离合器主要参数的确定7
2.1根据基本设计参数确定离合器主要参数：
7
2.2摩擦片尺寸校核与材料选择8
第3章扭转减震器的设计9
3.1确定扭转减震器结构9
3.2确定扭转减震器主要参数9
3.3确定减振弹簧尺寸11
第4章从动盘总成设计13
4.1从动片设计13
4.2从动盘毂设计13
4.3确定从动盘摩擦材料14
第5章离合器盖总成的设计16
5.1选择压盘内外径、厚度及材料，并进行校核16
5.2离合器盖设计17
5.3支撑环设计17
第6章膜片弹簧的设计19
6.1膜片弹簧基本参数选择19
6.2膜片弹簧工作点位置的选择21
6.3膜片弹簧强度计算21
总结23
参考文献24
摘要
离合器是汽车传动系中的重要部件，主要功用是是切断和实现发动机对传动系的动力传递，保证汽车平稳起步，保证传动系统换挡时工作平顺以及限制传动系统所承受的最大转矩，防止传动系统过载。
膜片弹簧离合器是近年来在轿车和轻型汽车上广泛采用的一种离合器，它的转矩容量大而且较稳定，操作轻便，平衡性好，也能大量生产，对于它的研究已经变得越来越重要。
此设计说明书详细的说明了轻型汽车膜片弹簧离合器的结构形式，用所给的基本参数,进行汽车膜片弹簧离合器的扭转减振器、从动盘、离合器盖、膜片弹簧等的设计,并对摩擦片和压盘尺寸、膜片弹簧强度进行了校核计算，并用CAD软件绘制了磨擦片、从动片、从动盘毂、压盘、膜片弹簧和总装配图。
关键字：
汽车；离合器；膜片弹簧；设计；强度校核
Abstract
Clutchisanimportantcomponentinvehicletransmissionsystem,whosemainfunctionistocutoffortransmitthepowercomefromtheengine,insuringthecarcanstartsmoothly,thetransmissionsystemsmoothlywhentheshiftworkandlimitingofmaximumtorquethattransmissionsystemcouldstand.Diaphragmspringclutchisakindofclutchthatmostusedinthevehicleandlightvehicleinrecentyears,whosetorquecapacityislargeandrelativelystable,operationisconvenient,balancesystemisgood,anditcanbeproductinamass,theresearchonwhichhasbecomemoreandmoreimportant.Thisdesignspecificationisdescribedindetailinthestructureofdiaphragmspringclutchoflightvehicle,Withthebasicparameters,torsionaldamper,clutchdisc,clutchcoveranddiaphragmspringaredesigned,Checkingcalculationofthesizeofthefrictionplateandtheplatenandthestrengthofdiaphragmspringwasdone.Atlast,IUsedCADsoftwaretodrawthefrictionsheet,drivenplate,pressureplate,clutchdischub,diaphragmspringandassemblydrawings.
Keyword:
Car;Clutch;Diaphragmspring;Design;Strengthcheck
第1章绪论
1.1离合器的概述
按动力传递顺序来说，离合器应是传动系中的第一个总成。
顾名思义，离合器是“离”与“合”矛盾的统一体。
离合器的工作，就是受驾驶员操纵，或者分离，或者接合，以完成其本身的任务。
离合器是设置在发动机与变速器之间的动力传递机构，其功用是能够在必要时中断动力的传递，保证汽车平稳地起步；保证传动系换档时工作平稳；限制传动系所能承受的最大扭矩，防止传动系过载。
为使离合器起到以上几个作用，目前汽车上广泛采用弹簧压紧的摩擦式离合器，摩擦离合器所能传递的最大扭矩取决于摩擦面间的工作压紧力和摩擦片的尺寸以及摩擦面的表面状况等。
即主要取决于离合器基本参数和主要尺寸。
膜片弹簧离合器在技术上比较先进，经济性合理，同时其性能良好，使用可靠性高寿命长，结构简单、紧凑，操作轻便，在保证可靠地传递发动机最大扭矩的前提下，有以下优点：
（1）结合时平顺、柔和，使汽车起步时不震动、冲击；
（2）离合器分离彻底；
（3）从动部分惯量小，以减轻换档时齿轮副的冲击；
（4）散热性能好；
（5）高速回转时只有可靠强度；
（6）避免汽车传动系共振，具有吸收震动、冲击和减小噪声能力；
（7）操纵轻便；
（8）工作性能（最大摩擦力矩和后备系数保持稳定）；
（9）使用寿命长。
图1-1
1.2离合器的功用
离合器可使发动机与传动系逐渐接合，保证汽车平稳起步。
如前所述，现代车用活塞式发动机不能带负荷启动，它必须先在空负荷下启动，然后再逐渐加载。
发动机启动后，得以稳定运转的最低转速约为300～500r/min，而汽车则只能由静止开始起步，一个运转着的发动机，要带一个静止的传动系，是不能突然刚性接合的。
因为如果是突然的刚性连接，就必然造成不是汽车猛烈攒动，就是发动机熄火。
所以离合器可使发动机与传动系逐渐地柔和地接合在一起，使发动机加给传动系的扭矩逐渐变大，至足以克服行驶阻力时，汽车便由静止开始缓慢地平稳起步了。
虽然利用变速器的空档，也可以实现发动机与传动系的分离。
但变速器在空档位置时，变速器内的主动齿轮和发动机还是连接的，要转动发动机，就必须和变速器内的主动齿轮一起拖转，而变速器内的齿轮浸在黏度较大的齿轮油中，拖转它的阻力是很大的。
尤其在寒冷季节，如没有离合器来分离发动机和传动系，发动机起动是很困难的。
所以离合器的第二个功用，就是暂时分开发动机和传动系的联系，以便于发动机起动。
汽车行驶中变速器要经常变换档位，即变速器内的齿轮副要经常脱开啮合和进入啮合。
如在脱档时，由于原来啮合的齿面压力的存在，可能使脱档困难，但如用离合器暂时分离传动系，即能便利脱档。
同时在挂档时，依靠驾驶员掌握，使待啮合的齿轮副圆周速度达到同步是较为困难的，待啮合齿轮副圆周速度的差异将会造成挂档冲击甚至挂不上档，此时又需要离合器暂时分开传动系，以便使与离合器主动齿轮联结的质量减小，这样即可以减少挂挡冲击以便利换档。
离合器所能传递的最大扭矩是有一定限制的，在汽车紧急制动时，传动系受到很大的惯性负荷，此时由于离合器自动打滑，可避免传动系零件超载损坏，起保护作用。
1.3离合器的工作原理
如图1-2所示，摩擦离合器一般是有主动部分、从动部分组成、压紧机构和操纵机构四部分组成。
图1-2离合器的基本组成和工作原理示意图
1-曲轴；2-从动轴；3-从动盘；4-飞轮；5-压盘；6-离合器盖；7-分离杠杆；8-弹簧；9-分离轴承；
10、15-回位弹簧；11-分离叉；12-踏板；13-拉杆；14-拉杆调节叉；16-压紧弹簧；17-从动盘摩擦片；18-轴承
离合器在接合状态时，发动机扭矩自曲轴传出，通过飞轮4和压盘借摩擦作用传给从动盘3，在通过从动轴传给变速器。
当驾驶员踩下踏板时，通过拉杆，分离叉、分离套筒和分离轴承9，将分离杠杆的内端推向右方，由于分离杠杆的中间是以离合器盖6上的支柱为支点，而外端与压盘连接，所以能克服压紧弹簧的力量拉动压盘向左，这样，从动盘3两面的压力消失，因而摩擦力消失，发动机的扭矩就不再传入变速器，离合器处于分离状态。
当放开踏板，回位弹簧克服各拉杆接头和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。
此时压紧弹簧就推动压盘向右，仍将从动盘3压紧在飞轮上4，这样发动机的扭矩又传入变速器。
1.4膜片弹簧离合器
膜片弹簧离合器是近年来在轿车和轻型载货汽车上广泛采用的一种离合器。
因其作为压簧，可以同时兼起分离杠杆的作用，使离合器的结构大为简化，质量减少，并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。
其次，由于膜片弹簧与压盘以整个圆周接触，使压力分布均匀。
另外由于膜片弹簧具有非线性弹性特性，故能在从动盘摩擦片磨损后，弹簧仍能可靠的传递发动机的转矩，而不致产生滑离。
离合器分离时，使离合器踏板操纵轻便，减轻驾驶员的劳动强度。
此外，因膜片是一种对称零件，平衡性好，在高速下，其压紧力降低很少，而周布置弹离合器在高速时，因受离心力作用会产生横向挠曲，弹簧严重鼓出，从而降低了对压盘的压紧力，从而引起离合器传递转矩能力下降。
那么可以看出，对于轻型车膜片弹簧离合器的设计研究对于改善汽车离合器各方面的性能具有十分重要的意义。
图1-3膜片弹簧离合器图
作为压紧弹簧的所谓膜片弹簧，是由弹簧钢冲压成的，具有“无底碟子”形状的截锥形薄壁膜片，且自其小端在锥面上开有许多径向切槽，以形成弹性杠杆，而其余未切槽的大端截锥部分则起弹簧作用。
膜片弹簧的两侧有支承圈，而后者借助于固定在离合器盖上的一些（为径向切槽数目的一半）铆钉来安装定位。
当离合器盖用螺栓固定到飞轮上时，由于离合器盖靠向飞轮，后支承圈则压膜片弹簧使其产生弹性变形，锥顶角变大，甚至膜片弹簧几乎变平。
同时在膜片弹簧的大端对压盘产生压紧力使离合器处于结合状态。
当离合器分离时，分离轴承前移膜片弹簧压前支承圈并以其作为支点发生反锥形的转变，使膜片弹簧大端后移，并通过分离钩拉动压盘后移使离合器分离。
膜片弹簧离合器具有很多优点：
首先，由于膜片弹簧具有非线性特性，因此设计摩擦片磨损后，弹簧压力几乎不变，且可以减轻分离离合器时的踏板力，使操纵轻便；其次，膜片弹簧的安装位置对离合器轴的中心线是对称的，因此其压紧力实际上不受离心力的影响，性能稳定，平衡性也好；再者，膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使离合器结构大为简化，零件数目减少，质量减小并显著缩短了轴向尺寸；另外，由于膜片弹簧与压盘是以整个圆周接触，使压力分布均匀，摩擦片的接触良好，摩擦均匀，也易于实现良好的通风散热等。
由于膜片弹簧离合器具有上述一系列优点，并且制造膜片弹簧离合器的工艺水平在不断提高，因此这种离合器在轿车及微型、轻型客车上得到广泛运用，而且正大力扩展到载货汽车和重型汽车上，国外已经设计出了传递转矩为80~~2000N.m、最大摩擦片外径达420的膜片弹簧离合器系列，广泛用于轿车、客车、轻型和中型货车上。
甚至某些总质量达28~32t的重型汽车也有采用膜片弹簧离合器的，但膜片弹簧的制造成本比圆柱螺旋弹簧要高。
膜片弹簧离合器的操纵采用压式机构，即离合器分离时膜片弹簧弹性杠压杆内端的分离指处是承受压力。
第2章离合器主要参数的确定
2.1根据基本设计参数确定离合器主要参数：
①后备系数β
后备系数β是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。
在选择β时，应考虑摩擦片在使用中的磨损后离合器仍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。
乘用车β选择：
1.20～1.75，本次设计取β=1.3。
②摩擦片内外径D、d和厚度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。
按发动机的最大转矩来初选D
（2-1）
式中：
系数k反应了不同结构和使用条件对D的影响，小轿车K=47，由公式（2-1）得，
，
根据表2-1，取，,厚度，，单面面积为106。
表2-1离合器摩擦片尺寸系列和参数
外径D（mm）
160
180
200
225
250
280
300
325
350
380
405
430
内径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
0.678
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
单面面积
（cm）
106
132
160
221
302
402
466
546
678
729
908
1037
③摩擦因素f、摩擦面数Z
摩擦片的摩擦因数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。
摩擦因数f的取值范围见下表。
表2-2摩擦材料的摩擦因数f的取值范围
摩擦材料
摩擦因数
石棉基材料
模压
0.20～0.25
编织
0.25～0.35
粉末冶金材料
铜基
0.25～0.35
铁基
0.35～0.50
金属陶瓷材料
0.70～1.50
本次设计选取石棉基编织材料，取f=0.30。
摩擦面数Z为离合器从动盘数的两倍，决定于离合器所需传递转矩的大小及其结构尺寸。
本次设计取单片离合器Z=2。
④单位压力
单位压力p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
对于采用有机材料作为基础摩擦面片的小轿车，D≤230mm时，p的允许值约为0.25MPa
2.2摩擦片尺寸校核与材料选择
依据使用条件，初选摩擦材料为石棉基摩擦材料
为了保证离合器能可靠地传递发动机的转矩，将离合器转矩容量和发动机最大转矩的关系如下
（2-2）
①假设压盘压力均匀分布，
（2-3）
其中：
为摩擦片外半径，取=80mm；为摩擦片内半径，取=55mm；为摩擦片面数，，为摩擦因数=0.30，为单面面积，=106。
联立公式（2-2）和（2-3），得=0.211MPa
②假设压盘压力从到递减
（2-4）
联立公式（2-2）和（2-4），得=0.21MPa
单位压力在容许范围（0.25MPa）内，认为所选离合器的尺寸、参数合适。
第3章扭转减震器的设计
3.1确定扭转减震器结构
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。
弹性元件的主要作用是降低传动系的首段扭转刚度，从而降低传动系扭转系统的某阶（通常为三阶）固有频率，改变系统的固有振型，使之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。
因此，扭转减振器具有如下功能：
1）降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，调谐传动系扭振固有频率。
2）增加传动系扭振阻尼，抑制扭转共振响应振幅，并衰减因冲击而产生的瞬态扭振。
3）控制动力传动系总成怠速时离合器与变速器轴系的扭振，消减变速器怠速噪声和主减速器与变速器的扭振及噪声。
4）缓和非稳定工况下传动系的扭转冲击载荷，改善离合器的接合平顺性。
现在绝大多数离合器从动盘减震器采用弹簧摩擦式。
图3-1扭转减振器图
3.2确定扭转减震器主要参数
1）极限转矩
极限转矩是指减振器在消除了限位销与从动盘毂缺口之间的间隙△时所能传递的最大转矩，即限位销起作用时的转矩。
它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
=（1.5～2.0）（3-1）
一般乘用车：
系数取2.0即=2=117.6N·m
2）扭转角刚度
≤13（3-2）
所以，≤13=13x117.6=1528.8，取=1500N·m
3）阻尼摩擦转矩
由于减振器扭转刚度受结构及发动机最大转矩的限制，不可能很低，故为了在发动机工作转速范围内最有效地消振，必须合理选择减振器阻尼装置的阻尼摩擦转矩。
一般可按下式初选：
=（0.06～0.17）（3-3）
取=0.1=5.85N·m
4）预紧转矩
减振弹簧在安装时都有一定的预紧。
研究表明，增加，共振频率将向减小频率的方向移动，这是有利的。
但是不应大于，否则在反向工作时，扭转减振器将提前停止工作，故取
=（0.05～0.15）（3-4）
取=0.1=5.85N·m
5）减振弹簧的位置半径
的尺寸应尽可能大些，一般取
=（0.60～0.75）d/2（3-5）
取=0.7d/2=38.5mm
6）减振弹簧个数
参照摩擦片外径D=160mm，选取=4
7）减振弹簧总压力
当限位销与从动盘毂之间的间隙△1或△2被消除，减震弹簧传递的转矩达到最大值T时，减震弹簧受到的压力为
=117600/38.5=3054.5N（3-6）
3.3确定减振弹簧尺寸
图3-2减振弹簧计算简图
1）单个减振弹簧的工作负荷F
（3-7）
2）减振弹簧
①弹簧中经
一般由结构布置来决定，通常=11~15mm。
取=12mm
②弹簧钢丝直径d
（3-8）
（取550~600MPa）
，通常取d=3~4mm
所以，取d=3mm
③减振弹簧刚度K
（3-9）
带入数据得，K=253N/mm
④减振弹簧有效圈数i
（K=）（3-10）
带入数据得，i=1.9，取i=2
⑤减振弹簧总圈数n
一般在6圈左右，总圈数n和有效圈数i间的关系为n=i+（1.5~2）
取i=4
⑥减振弹簧最小长（高）度
指减振弹簧在最大工作负荷下地工作长（高）度，考虑到此时弹簧的被压缩各圈之间仍需要留一定的间隙，可确定为
（3-11）
⑦减振弹簧总变形量
指减振弹簧在最大工作负荷下所产生的最大压缩变形，为
（3-12）
⑧减振弹簧自由高度
指减振弹簧无负荷时的高度，为
（3-13）
⑨减振弹簧预变形量
指减震弹簧安装时的预压缩变形，它和选取的预紧力矩有关，其值为
（3-14）
⑩减振弹簧安装工作高度
它关系到从动盘榖等零件窗口尺寸的设计，为
（3-15）
3）从动盘钢片相对从动盘毂的最大转角
减振器从预紧转矩增加到极限转矩时，从动钢片相对从动盘毂的极限转角与减震弹簧的工作变形量有关，其值为
（3-16）
通常取，对于平顺性要求高或对工作不均匀的发动机，去上限
第4章从动盘总成设计
4.1从动片设计
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。
因为分开式弹性从动盘钢片是将钢片沿半径尺寸方向分开，波形弹簧片较薄，且位于从动盘钢片的最大半径上，从动盘钢片的尺寸较大，但它在旋转中心。
具有更小的转动惯量。
因此本设计采用分开式弹性从动盘钢片
图4-1从动盘
4.2从动盘毂设计
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由表4-1选取。
表4-1从动盘毂花键尺寸系列
摩擦片外径D/mm
发动机最大转矩T/（N·m）
花键尺寸
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/mm
160
50
10
23
18
3
20
10
180
70
10
26
21
3
20
11.8
200
110
10
29
23
4
25
11.3
225
150
10
32
26
4
30
11.5
250
200
10
35
28
4
35
10.4
280
280
10
35
32
4
40
12.7
300
310
10
40
32
5
40
10.7
325
380
10
40
32
5
45
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