第二章 离合器设计ppt课件.ppt

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1、第二章 离合器设计,2-1 概述,一、离合器的功用1.确保起步平稳,切断和实现对传动系的动力传递，以保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地结合，确保汽车平稳起步。,在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换挡齿轮之间的冲击。,在工作中受到大的动载荷时，能限制传动系所受的最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏。,有效地降低传动系中的振动与噪声。,4. 减振降噪,3. 限制过载,2. 减少冲击,二、摩擦离合器构成：,主动部分：,从动盘、减振弹簧、花键、从动盘毂,操纵机构：,分离叉、分离弹簧、离合器踏板及传动部件、回位弹簧,从动部分：,压紧部分：,发动机飞轮、离合器盖、压盘,压紧弹簧,分离杠杆要有足

2、够的刚度，在分离轴承推力作用下不变形,Tc=Temax后备系数,1.可靠地传递发动机最大转矩Temax,措施：,3.主动与从动部分分离要彻底,分离时压盘从动盘之间要有足够大的间隙 单盘0.851.3mm,从动盘片上开槽,作用：排屑、避免吸附作用,2.接合平顺柔和确保起步平稳,措施：,将从动盘做成具有弹性的盘,在从动盘上装波形钢片,三、对离合器的要求,在离合器壳上开散热孔,措施：,4. 从动部分转动惯量要小 减轻换挡时的冲击、减小同步器齿轮磨损,将飞轮压盘上的质量设计得重些,中间压盘铸通风槽,6.避免传动系扭转共振，具有吸振、缓冲击和减噪能力,5.吸热能力高，散热能力好,分离杠杆设计凸起，用以鼓

3、风,从动盘片上开槽散热,8. 使用中，作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数变化要小,推式膜片弹簧离合器拉式结构,发展方向：,7. 操纵轻便、准确减轻驾驶员疲劳,9. 具有足够的强度和良好的动平衡工作可靠、寿命长,10. 结构简单、紧凑、质量小，制造工艺好，拆装、维修、调整方便,传统操纵形式自动操纵形式,分类,2-2 离合器的结构方案分析,一、从动盘数的选择,周布弹簧离合器,优点：结构简单，制造容易，应用较为广泛 缺点：受离心力产生严重变形，弹簧易受热退火,特点：弹簧压紧力是通过杠杆放大后作用于压盘上, 可选择刚度较小的弹簧,中央弹簧离合器,特点：膜片弹簧具有非线性的特点,膜片弹簧离合器,特

4、点：摩擦片磨损后，弹簧压紧力基本不变,斜置弹簧离合器：,二、压紧弹簧和布置型式的选择,压紧力：F1= FQ cos,膜片弹簧结构特点：,优点：,缺点：制造工艺及尺寸精度要求严格使生产工艺复杂。,1） 弹簧压紧力在摩擦片允许磨损的范围内基本不变2） 结构简单，轴向尺寸小，零件数目少3） 操纵轻便，省力 4） 高速旋转时性能较稳定5） 压力分布均匀，摩擦片磨损均匀6） 散热通风好，使用寿命长7） 平衡性好8） 有利于批量生产，降低制造成本,接合处,膜片弹簧离合器拉式和推式,主要区别膜片弹簧安装方向相反，支承方式不同,当离合器尺寸、Temax相同时 。,拉式和推式膜片弹簧离合器,特点比较,拉式离合器

5、 缺点：,1） 需专门的分离轴承，结构较复杂，安装与拆卸较困难。,2） 分离行程较大。,三、膜片弹簧支承型式,3. 无支承环,2. 单支承环,1. 双支承环,型式：,按支承环数目分为三种,4. 拉式膜片弹簧支承型式,四、压盘的驱动方式,凸块窗孔式,型式：,凸块窗孔式、销钉式、键块式、钢带式,销钉式,键块式,钢带式,为单片离合器长期采用的传统结构,用于双盘离合器,用于驱动中间压盘,轴向或径向布置,特点：无摩擦和磨损，无传动间隙，效率高，无噪声，定中精度高，使用中平衡性好,2-3 离合器主要参数的选择,一、静摩擦力矩Tc的计算,结构上：Tc= fFZRc （2-2）,离合器后备系数，反映离合器传递

6、发动机最大转矩的可靠程度,要求：TcTemax.,取：Tc Temax,（2-1）（ 1）,f静摩擦因数 0.250.30,F工作压力,Rc摩擦片的平均摩擦半径,Z摩擦面数(从动盘数的2倍),式中：,离合器传递转矩的能力取决于摩擦面间的静摩擦力矩Tc ：,1. 设工作压力均匀：,讨论：,当d/D0.6时，Rc=（D+d）/ 4,0摩擦面单位压力；,将(2)、(3)代入(1)：,（2-3）,D、d摩擦片外、内径,2. Rc(为摩擦片平均半径)：,（2-4）,（2-5）,3. Tc：,c= d/D，一般取 c= 0.530.70,式中：,二、离合器基本参数的选择,摩擦片磨损后，离合器还能可靠地传递

7、发动机最大转矩,选取原则 ：, 和 p0 、D 和 d 及 b,基本参数：,1. 后备系数：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，,要防止离合器滑磨过大,要能防止传动系过载, =Tc/ Temax,考虑以下因素，不宜选取过大防止传动系过载紧急接合离合器，TC（23）Temax不松开离合器、紧急制动，TC=（1520）Temax保证离合器尺寸小，结构简单。减少踏板力，操纵轻便。（单位压力小）发动机缸数多，转矩平稳， 可取小些。膜片弹簧离合器可以取小。（压紧力稳定）,1）离合器使用：频繁， p0 取小些 ，反之p0取大些；,2. 单位压力p0,影响因素：,2）发动机后备功率大小：较小

8、， p0 取小些 ，反之p0取大些；,3）离合器外径：D大， p0 取小些 ，反之p0取大些；,0的推荐值：,石棉基 ： p0=0.100.35MPa,粉末冶金 ： p0=0.350.60MPa,金属陶瓷 ： p0=0.701.50MPa,下列因素要求不宜选取过小衬片磨损后，仍能可靠传递Temax，宜取大些。防止离合器接合时滑磨过大，导致寿命下降；使用条件恶劣，有拖挂，为提高起步能力；柴油机因工作粗暴，转矩不平稳，宜取大些。,3、摩擦片外径D、内径d和厚度b当离合器结构形式及摩擦材料选定，发动机最大转矩已知，适当选取后备系数和单位压力，可估算：摩擦片外径也可根据发动机最大转矩按经验公式选用式中

9、KD为直径系数，取值见表2-3。,当D确定后，d 可按d/D在0.530.70来确定；D不变时，若d取小时：摩擦面积增加，Tc增加；但压力分布不均匀；内外圆圆周速度差别大；减振器安装困难。D、d、b应符合国标GB/T5764-1998汽车用离合器面片。所选D应使摩擦片最大圆周速度不超过65-70m/s，以免摩擦片发生飞离。,厚度b ：,主要有：3.2mm，3.5mm，4.0mm三种,内径d ：,4、摩擦因数f、摩擦面数Z和间隙t摩擦因数 f 取决于摩擦片所用材料及其工作温度、单位压力和滑磨速度等因素摩擦片材料主要有石棉基材料、粉末冶金和金属陶瓷等。石棉基材料摩擦因数受工作温度、单位压力和滑磨速

10、度影响较大，而粉末冶金和金属陶瓷的摩擦因数较大且稳定。 各种材料的 f 见表2-4。,Z摩擦面数(从动盘数的2倍),间隙t一般为34 mm,2-4 离合器的设计与计算,一、离合器基本参数的优化,特点： f (F，D，d) ；p0 f (F，D，d),目标：保证离合器性能要求下，使结构尺寸最小,2. 目标函数,1. 设计变量,基本参数：性能参数、尺寸参数,（1） D(mm)的选取应使VD6570m/s,（2）内外径比c的限定范围,（3）的限定范围,3. 约束条件,（4）d 的限定范围,mm,单位摩擦面积传递转矩的许用值,TC0单位摩擦面积传递的转矩(Nm/mm2)；TC0TC0的允许值(Nm/m

11、m2)。,式中：,（5） 离合器的能力限定范围,要求：在保证离合器传递转矩并保护过载的要求下，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许可值,(Nm/mm2),离合器规格D/mm 210 210250 250325 325,TC010 -2 0.28 0.30 0.35 0.40,（6） 离合器热负荷对p0的限定范围,（7） 离合器滑磨功的限定范围,要求：减少滑磨、防止温度过高，单位摩擦面积滑磨功应小于其许可值,式中：,w单位摩擦面积滑磨功(J/mm2)；ww的允许值(J/mm2)；,W汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功（J）。,W的计算：,式中：,ma汽车总质量(kg)；,ne发动机转速，计算时

12、轿车取2000r/min，货车取1500r/min。,i0 主减速器传动比；,ig起步时变速器挡位传动比；,rr 轮胎滚动半径（m）；,二、膜片弹簧的载荷变形特性,1. 膜片弹簧载荷与变形的关系,膜片弹簧,（2-11）,（1） 压紧力F1与膜片大端变形1的关系,式中：,E材料的弹性模量，钢：E=21104(N/mm2)；泊松比，钢： =0.3；1从自由状态算起的膜片弹簧大端加载点的变形量； h弹簧钢板厚度； H在自由状态下，碟簧部分的内截锥高度；R、r在自由状态下，碟簧部分的大、小端半径；R1、r1压盘加载点和支承环加载点半径。,(2) 推力F2、其作用点位移2与F1、1的关系,式中：,rf

13、膜片弹簧分离指与分离轴承接触点的半径；2从自由状态算起的膜片弹簧分离指加载点的变形量。,(2-12)、（2-13）、（2-11）可得到 F2、2 的关系,(3) 分离指的移动行程2f （不计分离指弯曲变形）,式中：1f 压盘的分离行程。,三、膜片弹簧的应力计算,1. 假设：,膜片弹簧在承载过程中其子午断面刚性地绕此断面的某一中性点O转动,O点特点：断面在O点处沿圆周方向的切应变为零，因而O点的切向应力为零；O点以外的断面上的点一般均产生切向应变，故产生切向应力。,2. 切向应力：,断面任意点处的切向应力：,式中：,碟簧部分子午断面的转角(从自由状态初始位置算起)； 碟簧部自由状态时的圆锥底角;

14、 e 中性点的半径，采用下式计算：e=(Rr)/ln(R/r)。,最大切向压应力：,令,3. 弯曲正应力：,式中：,n分离指数目； br 分离指根部宽度。,4. 强度条件：,B点当量应力：,强度条件：,材料：60Si2MnA =15001700MPa,四、膜片弹簧主要参数的选择,1. H/h比值的选择：,此值对膜片弹簧的弹性特性影响很大！,推荐：,2.比值R/r和R、r的选择：,H/h=1.52.0，h=24 mm。,R/r 影响碟簧材料的利用！,R/r=1.201.35时，碟簧贮存弹性能的能力最大；R/r，材料利用率，弹簧愈硬； R/r ，应力，弹性曲线受直径影响 。,推荐：,讨论：,R/r

15、=1.201.35。,3. 膜片弹簧工作点位置的选择：,4. 的选择：,推荐：, =915, 常取11 ,拐点H（压平位置):,工作点B:,5. n的选择：,分离指数目：n =1224，常取 n=18。,五、膜片弹簧材料及制造工艺,1. 材料：,60Si2MnA、50CrVA,硬度：,2. 制造工艺：,碟簧部分：4550HRC；分离指端：5562HRC。,强压处理：在分离方向上，使之过位移38次，塑性变形产生反向残余应力，使疲劳寿命提高5%30%。 凹面或双面喷丸处理：表层产生塑性变形，形成强化层，提高疲劳寿命。分离指端部高频淬火与镀铬：可提高耐磨能力膜片弹簧与压盘接触圆处挤压处理：防止产生裂

16、纹,2-5 扭转减振器的设计,一、概述,弹性元件,1. 组成及功能,阻尼元件,组成：,降低扭转刚度，降低系统某阶固有频率，改变系统固有振型，避免共振,有效地耗散振动能量,1.从动片2.从动盘毂3.摩擦片4.减振弹簧5.碟性弹簧垫圈6.压紧弹簧7.减振盘8.橡胶弹性元件,功能：,1）降低扭转刚度，调谐传动系扭转固有频率,3）控制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转与噪声,2）增加扭振阻尼，抑制共振响应振幅，衰减瞬态扭振,4）缓和扭转冲击载荷，改善离合器的接合平顺性,线 性. （采用同一规格弹簧）,2. 弹性特性类型,非线性.（采用不同规格弹簧）,产生正压力的

17、方式,广泛用于汽油机,用于现代汽车、柴油机,3. 阻尼元件,摩擦片,连接铆钉,碟簧,液体阻尼器,二、主要参数选择,1. 极限转矩 Tj,减振弹簧产生最大变形时所能传递的转矩值（限位销起作用时的转矩）,式中系数：,参数：扭转刚度,摩擦转矩,极限转矩,预紧转矩,极限转角,Tj =Temax+Tj=(1.52.0)Temax (2-27),推荐：,货车取1.5；轿车取2.0 。,传递转矩：,2. 扭转刚度,扭转刚度：,式中：,K每个减振弹簧的线刚度（N/mm)；Zj减振弹簧个数；,R0减振弹簧位置半径（m）.,Tn,共振频率将向减小频率的方向移动，但TnT,3. 阻尼摩擦转矩 T,经验公式估算：,4

18、. 预紧转矩 Tn,特点 ：,有效消振,初选：,推荐：,5. 减振弹簧位置半径 R0,一般取：,6. 减振弹簧个数 Zj,7. 减振弹簧总压力 F,一般取：,表3-3 减振弹簧各数的选择,8. 极限转角,减振器从预紧转矩增加到极限转矩时，从动片相对从动盘毂的极限转角,减振弹簧的工作变形量,225250 46,250325 68,325350 810,350 10,摩擦片外径D/mm Zj,三、双飞轮扭转减振器,1. 目前通用的从动盘减振器局限性,2. 双质量飞轮减振器,讨论：,1）不能使扭振系统的固有频率降低到怠速转速以下,2)在发动机常用转速范围：10002000r/min，难以通过降低减振

19、弹簧刚度以取得更大的减振效果,扭振系统固有频率：4070Hz,相当于转速:,四缸12002100r/min六缸8001400r/min.,优点：,1）可降低发动机变速器扭振系统的固有频率，避免怠速时发生共振,2）可加大减振弹簧的安装半径，降低减振弹簧刚度，并允许增大转角,3）减振效果较好，故在变速器中可采用粘度较低的齿轮油而不致产生齿轮冲击噪声，并可改善冬季的换挡过程,2-6 离合器的操纵机构,一、对操纵机构的要求,操纵轻便,车型 轿车 货车,踏板力(N) 80150150200,行程(mm) 80150 180,有行程限位装置,有足够的刚度,踏板行程可调整,振动和车架、驾驶室的变形不会影响其

20、正常工作,传动效率高,二、操纵机构结构型式选择,型式：,机械式,液压式,杆系,绳索,应用广泛,应用于轻型车,应用广泛,三、离合器操纵机构的设计计算,液压式,1. 总传动比和总行程的计算,踏板总行程：,式中：,S 踏板自由行程Sg 踏板工作行程,总传动比：,总行程：,机械式,式中：,m 离合器在接合状态下从动盘的变形量，对具有轴向弹性的从动盘取m=1.01.5mm，对非弹性从动盘取m=0.150.25mm。,总传动比：,总行程：, 分离轴承自由行程，一般=24mm, S=2030mm；,S 压盘行程：S=ZcS + m；,Zc离合器的摩擦表面数（单片Zc=2,双片Zc=4）；,S分离状态下对偶摩

21、擦面间的间隙,(单片S=0.751.0mm，双片S=0.150.6mm)；,2. 离合器彻底分离时的踏板力Q,式中：,Qh克服各回位弹簧拉力所需的踏板力。,分离离合器所作的功：,踏板力：,Pmax 离合器彻底分离时压紧弹簧的总压力；,i 操纵机构的总传动比；,操纵机构的总传动效率，机械式取0.70.8，液压式取0.80.9；,式中：,P 离合器接合状态下每个弹簧的压紧力；,Pmax 离合器彻底分离时每个弹簧的压紧力；,ns 弹簧个数； S压盘行程；,要求：,W 30J,2-7 离合器的结构元件,一、从动盘总成,组成：,摩擦片、从动片、减振器、花键毂,设计要求:,摩擦片性能要求：,1）转动惯量小

22、 减小换挡时齿轮间冲击,7）长期停放不发生“粘着”现象,1）摩擦因数高，工作温度、单位压力、滑磨速度变化对其影响小,2）足够的机械强度和耐磨性,3）密度小 减小从动盘转动惯量,4）热稳定性好，高温下分离出的粘合剂少，无味、不易烧焦,5）磨合性能好,6）接合平顺，不产生“咬合”或“抖动”现象,3）应装扭转减振器 避免共振、缓和冲击,2）应具有轴向弹性 接合平顺、摩擦面压力均匀,花键毂：,材料：锻钢（45#、45Cr),硬度：2632HRC,二、离合器盖总成,组成：,离合器盖、压紧弹簧、压盘、传动片、分离杆杆,设计要求:,压盘设计要求：,1）足够的刚度 板厚：2.54.0mm，加强肋或翻边,3）高

23、度公差要小,2）足够的刚度,1）较大质量 增大热容量、减小温升、防裂及破碎,4）便于散热通风,3）压紧弹簧支承处应有较高尺寸精度,2）应保持良好对中 定位销或定位螺栓、止口对中,温升计算：,c比热容，铸铁：c =481.4J/(kg); g传到压盘的热量所占的比例，单片： g=0.5，双片: g=0.25，中间压盘: g=0.5,4）应保持良好对中并进行静平衡,材料：,传动片,分离杠杆装置设计要求：,接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转分离时，利用其弹性来牵动压盘轴向分离以减小操纵力,3）其内端高度能调整（处于同一平面），高度差0.2mm,2）其支承机构与压盘的驱动机构不发生干涉,1）较大

24、弯曲刚度 以免分离时弯曲变形过大，分离不彻底,支承环：,常用34组,每组24片,每片厚度0.51.0mm 材料：一般为65Mn弹簧钢带,4）其支承处应采用滚针轴承、滚销或刀口支承 减小摩擦和磨损,制造方式：,作用：,5）避免高速时因离心力降低压紧力,6）起通风散热作用 鼓风降温,安装精度要求高，耐磨性要好,材料：3.04.0mm碳素弹簧钢丝,三、分离轴承总成,组成：,分离轴承、分离套,承载:,轴向分离力、 高速时离心力作用下的径向力,型式：,a)推力球轴承,b) 、 c)角接触球轴承,d)自动调心式分离轴承装置,1)轴承内圈2)轴承外圈3)外罩壳4)波形弹簧5)分离套筒6)碟型弹簧7)挡环8)弹性锁环,