拉式膜片弹簧离合器设解析.docx
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拉式膜片弹簧离合器设解析
沈阳理工大学
拉式膜片弹簧离合器设计
指导教师：
学院：
专业班级：
学号：
学生姓名：
2013年12月23日
摘要…………………………………………………………………4
1绪论…………………………………………………………………5
1.1离合器概论………………………………………………………5
1.2离合器的功用……………………………………………………5
1.3离合器的工作原理………………………………………………6
1.4膜片弹簧离合器的概论…………………………………………7
1.5拉式膜片弹簧离合器的优点……………………………………8
2离合器结构方案选取………………………………………………8
2.1离合器车型的选定………………………………………………8
2.2离合器设计的基本要求…………………………………………8
3离合器基本参数及尺寸的确定……………………………………9
4离合器后备系数β的确定………………………………………10
5单位压力P的确定………………………………………………11
6离合器膜片弹簧设计……………………………………………11
6.1膜片弹簧的结构特点…………………………………………11
6.2膜片弹簧的变形特性和加载方式……………………………11
6.3膜片弹簧的弹性变形特性……………………………………12
6.4膜片弹簧的参数尺寸确定……………………………………13
6.4.1H/h比值的选取……………………………………………14
6.4.2R及R/r确定…………………………………………………14
6.4.3膜片弹簧起始圆锥底角
…………………………………15
6.4.4膜片弹簧小端半径r
及分离轴承的作用半径r
…………15
6.4.5分离指数目n、切槽宽
、窗孔槽宽
、及半径r
…………15
7离合器压盘设计…………………………………………………16
7.1压盘的传力方式选择…………………………………………16
7.2压盘的几何尺寸的确定………………………………………16
7.3压盘传动片的材料选择………………………………………16
8离合器盖的设计…………………………………………………17
9离合器从动盘设计………………………………………………17
9.1从动盘结构介绍………………………………………………17
9.2从动盘设计……………………………………………………18
9.2.1从动片的选择和设计………………………………………18
9.2.2从动盘毂的设计……………………………………………19
9.2.3摩擦片的材料选取及与从动片的固紧方式………………19
结论………………………………………………………………21
参考文献……………………………………………………………22
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，参数选择以及计算过程。
本文基于给定的设计参数，确定了以拉式膜片弹簧离合器作为设计目标。
根据拉式膜片弹簧离合器工作原理和使用要求，采用系统化设计方法，把离合器分为主动部分、从动部分、操纵机构。
通过对各个部分设计方案的原理阐释和优缺点的比较，确定了相关部分的基本结构及其零部件的制造材料。
根据车辆使用条件和车辆参数，按照离合器系统的设计步骤和要求，主要进行了以下工作：
选择相关设计参数主要为：
摩擦片外径D的确定，离合器后备系数β的确定，单位压力P的确定。
并进行了总成设计主要为：
分离装置的设计，以及从动盘设计（从动盘毂的设计）和膜片弹簧设计等。
1绪论
1.1离合器概述
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[2]：
（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。
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1.1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。
离合器在接合状态时，发动机扭矩自曲轴传出，通过飞轮2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8，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5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2，这样发动机的扭矩又传入变速器。
图1.1离合器总成
1-轴承2-飞轮3-从动盘4-压盘5-离合器盖螺栓
6-离合器盖7-膜片弹簧8-分离轴承9-轴
1.4膜片弹簧离合器概述
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。
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曾经都采用压式机构，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。
当前膜片弹簧离合器的操纵机构已经为拉式操纵机构所取代。
后者的膜片弹簧为反装，并将支承圈移到膜片弹簧的大端附近，使结构简化，零件减少、装拆方便；膜片弹簧的应力分布也得到改善，最大应力下降；支承圈磨损后仍保持与膜片的接触使离合器踏板的自由行程不受影响。
而在压式结构中支承圈的磨损会形成间隙而增大踏板的自由行程。
1.5拉式膜片弹簧离合器的优点
与推式相比，拉式膜片弹簧离合器具有许多优点：
取消了中间支承各零件，并不用支承环或只用一个支承环，使其结构更简单、紧凑，零件数目更少，质量更少；拉式膜片弹簧是中部与压盘相压在同样压盘尺寸的条件下可采用直径较大的膜片弹簧，提高了压紧力与传递转矩的能力，且并不增大踏板力，在传递相同的转矩时，可采用尺寸较小的结构；在接合或分离状态下，离合器盖的变形量小，刚度大，分离效率更高；拉式的杠杆比大于推式的杠杆比，且中间支承减少了摩擦损失，传动效率较高，踏板操纵更轻便，拉式的踏板力比推式的一般可减少约
；无论在接合状态或分离状态，拉式结构的膜片弹簧大端与离合器盖支承始终保持接触，在支承环磨损后不会形成间隙而增大踏板自由行程，不会产生冲击和哭声；使用寿命更长。
2离合器结构方案选取
2.1离合器的选定
其基本参数如下：
整车质量：
5955（kg）
最大扭矩：
194/2350（N.m）
一档传动比：
i=6.4
主减速器传动比：
i=6.67
轮胎：
7.00——20
汽车总质量：
5955（kg）
2.2离合器设计的基本要求
为了保证离合器具有良好的工作性能，设计离合器应满足以下要求：
1）在任何行驶条件下，都能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备，又能防止传动系过载。
2）接合时要完全、平顺、柔和，保证汽车起步时没有抖动和冲击。
3）分离要迅速、彻底。
4）从动部分转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击，便于换挡和减小同步器的磨损。
5）具有足够的吸热能力和良好的通风散热效果，以保证工作温度不致过高，延长其使用寿命。
6）应能避免和衰减传动系的扭转振动，并具有吸收振动、缓和冲击和降低噪声的能力。
7）操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳。
8）作用在从动盘上的总压力和摩擦离合器和摩擦材料的摩擦因数在离合器工作过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能。
9）具有足够的强度和良好的动平衡，以保证其工作可靠、使用寿命长。
10）结构应简单、紧凑，质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便。
3离合器基本参数及尺寸的确定
摩擦片外径是离合器的主要参数，它对离合器的轮廓尺寸、质量和使用寿命有决定性的影响。
摩擦片材料的选定：
摩擦片的摩擦因数f取决于所用的材料及工作温度，单位压力和滑磨速度等因素。
摩擦片材料用：
石棉编织摩擦因数范围0.25-0.35：
取f=0.26
摩擦片面数：
Z=2（单片离合器）
离合器间隙；3-4mm之间。
当离合器结构形式及摩擦片材料已选定，发动机最大转矩
已知，适当选取后备系数β和单位压力P0，可估算出摩擦片外径。
摩擦片外径D（mm）也可以根据发动机最大转矩
（N.m）按如下经验公式选用
（3.1）
式中，
为直径系数，取值范围见表3-1。
由选车型得
=194N·m，
=14.6，
则将各参数值代入式后计算得D=203.35mm
表3-1直径系数
的取值范围
车型
直径系数
乘用车
14.6
最大总质量为1.8～14.0t的商用车
16.0～18.5（单片离合器）
13.5～15.0（双片离合器）
最大总质量大于14.0t的商用车
22.5～24.0
根据离合器摩擦片的标准化，系列化原则，根据下表3-2
表3-2离合器摩擦片尺寸系列和参数（即GB1457—74）
外径D/mm
160
180
200
225
250
280
300
325
350
内径d/mm
110
125
140
150
155
165
175
190
195
厚度h/
3.2
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
4
=d/D
0.687
0.694
0.700
0.667
0.589
0.583
0.585
0.557
0.540
1－
0.676
0.667
0.657
0.703
0.762
0.796
0.802
0.800
0.827
单位面积F/
106
132
160
221
302
402
466
546
678
可取：
摩擦片相关标准尺寸：
外径D=225mm内径d=150mm厚度h=3.5mm
内径与外径比值C′=0.6671－
=0.703
4离合器后备系数β的确定
后备系数β是离合器的重要参数，反映离合器传递发动机最大扭矩的可靠程度，选择β时，应从以下几个方面考虑：
a.摩擦片在使用中有一定磨损后，离合器还能确保传递发动机最大扭矩；b.防止离合器本身滑磨程度过大；c.要求能够防止传动系过载。
通常轿车和轻型货车β=1.2～1.75。
根据最大总质量不超过6吨的汽车
=1.20—1.75，结合设计实际情况，故选择β=1.5。
表4-1 离合器后备系数的取值范围
车型
后备系数β
乘用车及最大总质量小于6t的商用车
1.20～1.75
最大总质量为6～14t的商用车
1.50～2.25
挂车
1.80～4.00
5单位压力P的确定
摩擦面上的单位压力P的值和离合器本身的工作条件,摩擦片的直径大小,后备系数,摩擦片材料及质量等有关.
离合器使用频繁,工作条件比较恶劣（如城市用的公共汽车和矿用载重车）,单位压力P较小为好。
当摩擦片的外径较大时也要适当降低摩擦片摩擦面上的单位压力P。
因为在其它条件不变的情况下，由于摩擦片外径的增加，摩擦片外缘的线速度大，滑磨时发热厉害，再加上因整个零件较大，零件的温度梯度也大，零件受热不均匀，为了避免这些不利因素，单位压力P应随摩擦片外径的增加而降低。
前面已经初步确定了摩擦片的基本尺寸；
外径D=225㎜内径d=150㎜厚度h=3.5㎜
内径与外径比值C′=0.6671－
=0.703
由公式D³πfZP（1-c³）=12β
得
P=0.267mpa在范围0.25-0.35之间。
6离合器膜片弹簧设计
6.1膜片弹簧的结构特点
由前面可以知道，本设计中的压紧弹簧是膜片弹簧。
而膜片弹簧离合器分推式和拉式，在本设计中采用拉式结构。
膜片弹簧在结构形状上分为两部分。
在膜片弹簧的大端处为一完整的截锥体，它的形状像一个无底的碟子和一般机械上用的碟形弹簧完全一样，故称作碟簧部分。
膜片弹簧起弹性作用的正是其碟簧部分。
碟形弹簧的弹性作用是这样：
沿其轴线方向加载，碟簧受压变平，卸载后又恢复原形所。
可以说膜片弹簧是碟形弹簧的一种特殊结构形式。
所不同的是，在膜片弹簧上还包括有径向开槽部分。
膜片弹簧上的径向开槽部分像一圈瓣片，它的作用是，当离合器分离时作为分离杠杆。
故它又称分离爪。
分离爪与碟簧部分交接处的径向槽较宽呈长方圆形孔。
这样做，一方面可以减少分离爪根部应力集中，一方面又可用来安置销钉固定膜片弹簧，分离爪根部的过渡圆角R＞4.5。
6.2膜片弹簧的变形特性和加载方式
由于膜片弹簧采用推式结构，故其正装。
离合器在分离和接合时，膜片弹簧的加载情况不一样，相应的有两种加载方式和变形情况：
（1）接合时：
离合器接合时，膜片弹簧起压紧弹簧之用，在压盘——离合器盖总成未与飞轮装合以前，膜片弹簧近似处于自由状态，膜片弹簧对压盘无压紧作用。
当压盘——离合器盖总成与飞轮装合时，离合器盖前端面向飞轮前端面靠拢。
因此，离合器盖通过支承环4对膜片弹簧施加载荷P
，膜片弹簧几乎变平。
同时在压盘处也作用有载荷P
。
我们把P
称作压紧力。
支承环4和膜片弹簧压盘接触处之间的高度变化称作大端变形
，膜片弹簧分离轴承相对于压盘高度的变化称之为小端变形
。
（2）分离时：
当分离轴承以P
力作用在膜片弹簧的小端时，支承环4逐渐不起作用，而支承环5开始起作用。
当P
力达到一定值时，膜片弹簧被压翻。
分离时在膜片弹簧的大端处及小端处将进一步产生附加变形
和
。
此时膜片弹簧大端处的变形
=
+
。
6.3膜片弹簧的弹性变形特性
前面说过膜片弹簧起弹性作用的部分是其碟簧部分，碟簧部分的弹性变形特性和螺旋弹簧是不一样的，它是一中非线性的弹簧，其特性和碟簧部分的原始内截锥高H及弹簧片厚h的比值H/h有关。
不同的H/h值可以得到不同的特性变形特性。
一般可以分成下列四中情况：
⑴
＜
如下图6.1中H/h=0.5的曲线,其曲线形状表现为:
载荷P的增加,变形
总是不断增加.这种弹簧的刚度很大,可以承受很大的载荷,适合与作为缓冲装置中的行程限制器。
⑵
=
如图6.1中H/h=1.5≈
的曲线,弹性特性曲线在中间有一段很平直,变形的增加,载荷P几乎不变.这种弹簧叫做零刚度弹簧.
⑶
＜
＜2
如图6.1中
=2.75者,弹簧的特性曲线中有一段负刚度区域,即当变形增加时,载荷反而减少具有这种特性的膜片弹簧很适合用于作为离合器的压紧弹簧,因为可利用其负刚度区,达到分离离合器时载荷下降,操纵省力的目的,当然负刚度过大也不适宜,以免弹簧工作位置略微变动造成弹簧压紧力过大.
⑷
＞
如下图6.2,这种弹簧的的特性曲线中具有更大的负刚度不稳定工作区,而且有载荷为负值的区域.这种弹簧适合于汽车液力传动中的锁止机构。
图6.1三种不同H/h值时的无因次特曲线
图6.2各种不同H/h值时的无因次弹性变形特性
6.4膜片弹簧的参数尺寸确定
在设计膜片弹簧时，一般初步选定其全部尺寸然后进行一系列的验算，最后优选最合适的尺寸。
其结构示意图见图6.3
图6.3膜片弹簧示意简图
6.4.1H/h比值的选取
设计膜片弹簧时，要利用其非线性的弹性变形规律，因此要正确选择其特性曲线的形状，以获得最佳性能。
一般汽车汽车膜片弹簧的H/h值的范围在1.5～2.0之间。
2-4mm
我设计的膜片弹簧，H=5.4；h=3
所以，
=1.8
6.4.2R及R/r确定R=125mmRc=（D+d）/4=100
比值R/r对弹簧的载荷及应力特性都有影响，从材料利用率的角度，比值在1.8～2.0时，碟形弹簧储存弹性的能力为最大，就是说弹簧的质量利用率和好。
因此设计用来缓和冲击，吸收振动等需要储存大量弹性能时的碟簧时选用。
对于汽车离合器的膜片弹簧，设计上并不需要储存大量的弹性能，而是根据结构布置与分离的需要来决定，一般R/r取值为1.2～1.35.对于R,膜片弹簧大端外径R应满足结构上的要求和摩擦片的外径相适应，大于摩擦片内径，近于摩擦片外径。
此外，当H，h及R/r等不变时，增加R有利于膜片弹簧
应力的下降。
参考下表可6-1
表6-1一些车型膜片弹簧的R和R/r的值
车型
外径（㎜）
内径（㎜）
半径2R（㎜）
R/r
丰田
225
160
206
103/81=1.27
北京BJ751
228
150
210
105/8.5=1.25
上海SH771
280
165
252
126/103.5=1.21
初步确定R=125mm；r=100mm
所以，R/r=
=1.25
6.4.3膜片弹簧起始圆锥底角
H=5.4R=125r=100
汽车膜片弹簧一般起始圆锥底角
在9°～15°之间，
≈
代入数值计算可得：
=12.18
6.4.4膜片弹簧小端半径r
及分离轴承的作用半径r
r
的值主要由结构决定，最小值应大于变速器第一轴花键外径，分离轴承作用半径r
大于r
。
因为花键外径D=26㎜，要使2r
＞D，所以取r
=20㎜，r
=22㎜
6.4.5分离指数目n、切槽宽
、窗孔槽宽
、及半径r
汽车离合器膜片弹簧的分离指数目n＞12，一般在18左右，采用偶数，便于制造时模具分度切槽宽
≈3.2㎜，
≈10㎜，窗孔半径r
一般情况下由
（r－r
）≈（0.8～1.4）
所以取r－r
=1
=10㎜
参考下表6-2
表6-2一些车型膜片弹簧的分离爪数n、切槽宽
、
及半径
车型
n
（㎜）
（㎜）
r－
（㎜）
丰田
18
3
升级会员 