汽车设计
第四版
本章主要内容
* 概 述
* 离合器的结构方案分析
* 离合器主要参数的选择
* 离合器的设计与计算
* 扭转减振器的设计
* 离合器的操纵机构
* 离合器主要零部件的结构设计
第二章 离合器设计
第一节 概 述
一、组成:
5）应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、调整方便等。
四、发展趋势
提高离合器的可靠性和延长其使用寿命，适应发动机的高转速，增加离合器传递转矩的能力和简化操纵。
第一节结束！
第二节 离合器的结构方案分析
分类 ：
3、多片离合器
特点：
多为湿式，具有接合更加平顺、柔和，摩擦表面温度较低，磨损较小，使用寿命长等优点。
但分离行程大，分离不彻底，轴向尺寸和从动部分转动惯量大。
应用：主要应用于最大总质量大于14t的商用车的行星齿轮变速器换挡机构中。
二、压紧弹簧和布置形式的选择
1、周置弹簧离合器
布置形式：均采用圆柱螺旋弹簧，并均匀地布置在一个或同心的两个圆周上 。
4、膜片弹簧离合器
特点（优缺点）：
①具有较理想的非线性弹性特性（图2-14）。
②膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，结构简单、紧凑，轴向尺寸小，零件数目少，质量小。
③高速旋转时，弹簧压紧力降低很少，性能较稳定。
④膜片弹簧以整个圆周与压盘接触，使压力分布均匀，摩擦片接触良好，磨损均匀。
⑤易于实现良好的通风散热，使用寿命长。
⑥膜片弹簧中心与离合器中心线重合，平衡性好。
但膜片弹簧的制造工艺较复杂，制造成本较高，对材质和尺寸精度要求较高，其非线性弹性特性在生产中不易控制，开口处容易产生裂纹，端部容易磨损。
应用：近年来，不仅在乘用车上被大量采用，而且在各种形式的商用车上也被广泛采用。
拉式膜片弹簧离合器（图2-4）
特点（优缺点）：
其结构更简单、紧凑，零件数目更少，质量更小；
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；
减少了摩擦损失，传动效率较高，踏板操纵更轻便；
无论在接合状态或分离状态，在支承环磨损后不会形成间隙而增大踏板自由行程，不会产生冲击和噪声；使用寿命更长。
但是，拉式膜片弹簧的分离指是与分离轴承套筒总成嵌装在一起的，需采用专门的分离轴承（图2-22），结构较复杂，安装拆卸较困难。
应用：目前在各种汽车中的应用日趋广泛。
三、膜片弹簧的支承形式
推式膜片弹簧支承结构按支承环数目不同分为单支承环形式 、双支承环形式、无支承环形式三种。
四、压盘的驱动方式
压盘的驱动方式主要有凸块一窗孔式、传力销式、键块式和弹性传动片式等多种。
弹性传动片式是近年来广泛采用的驱动方式（图2-2）。
第二节结束！
第三节 离合器主要参数的选择
摩擦离合器的静摩擦力矩Tc为
对于具有Z个摩擦面的离合器，其摩擦力矩为
式中，c＝d／D，一般在0．53～0．70之间。
为了保证离合器在任何工况下都能可靠地传递发动机的最大转矩，设计时Tc应大于发动机最大转矩，即
第三节结束！
二、膜片弹簧的弹性特性
三、膜片弹簧的强度计算
建立如图2-13所示的坐标系xOy，则断面上任意点（x，y）的切向应力σt（MPa）为
令dσtB／dφ＝0，可求出σtB达到极大值时的转角φP
四、膜片弹簧基本参数的选择
（1）比值H／h和h的选择
为保证离合器压紧力变化不大和操纵轻便，汽车离合器用膜片弹簧的H／h一般为1.5～2.0，板厚h为2～4mm。
（2） R／r比值和R、r的选择
根据结构布置和压紧力的要求，R／r一般为1.20～1.35。
（3）α的选择
α＝arctanH／（R－r）≈H／（R－r），一般在9°～15°范围内。
（5）分离指数目n的选取
分离指数目n常取为18，大尺寸膜片弹簧可取24，小尺寸膜片弹簧可取12。
（6）膜片弹簧小端内半径r0（及分离轴承作用半径rf的确定
r0由离合器的结构决定，其最小值应大于变速器第一轴花键的外径。 rf ＞r0
（7）切槽宽度δ1、δ2及半径re的确定
δ1＝
3.2～3.5mm，δ2＝9～10mm，
re的取值应满足r－re≥δ2的要求。
（8）压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定
R1和r1的取值将影响膜片弹簧的刚度。r1应略大于r且尽量接近r，R1应略小于R且尽量接近R。
五、膜片弹簧材料及制造工艺
国内膜片弹簧一般采用60Si2MnA或50CrVA等优质高精度钢板材料。
为了保证其硬度、几何形状、金相组织、载荷特性和表面质量等要求，需进行一系列热处理。
为了提高膜片弹簧的承载能力，要对膜片弹簧进行强压处理；另外，对膜片弹簧的凹面或双面进行喷丸处理 。
为了提高分离指的耐磨性，可对其端部进行高频淬火、喷镀铬合金和镀镉或四氟乙烯。在膜片弹簧与压盘接触圆形处，为了防止由于拉应力的作用而产生裂纹，可对该处进行挤压处理，以消除应力源。
膜片弹簧表面不得有毛刺、裂纹、划痕、锈蚀等缺陷。碟簧部分的硬度一般为45～50HRC，分离指端硬度为55～62HRC，在同一片上同一范围内的硬度差不大于3个单位。
六、膜片弹簧的优化设计
就是要确定一组弹簧的基本参数，使其弹性特性满足离合器的使用性能要求，而且弹簧强度也满足设计要求，以达到最佳的综合效果。
1．目标函数
1）弹簧工作时的最大应力为最小。
2）在从动盘摩擦片磨损前后，弹簧压紧力之差的绝对值为最小。
3）在分离行程中，驾驶员作用在分离轴承上的分离操纵力的平均值为最小。
4）在摩擦片磨损极限范围内，弹簧压紧力变化的绝对值的平均值为最小。
5）选3）和4）两个目标函数为双目标。
总目标函数
9） σ tBmax≤[σ tB]
第四节结束！
第五节 扭转减振器的设计
扭转减振器的组成：弹性元件（减振弹簧或橡胶）和阻尼元件（阻尼片）等。
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，改善离合器接合平顺性。
第五节 扭转减振器的设计
扭转减振器具有线性和非线性两种特性。
单级线性减振器广泛应用于汽油机汽车中。
在柴油机汽车中，目前广泛采用具有怠速级的两级或三级非线性扭转减振器。
在扭转减振器中，也有采用橡胶代替螺旋弹簧作为弹性元件，以液体
阻尼器代替干摩擦阻尼的新结构。
减振器的扭转刚度κφ，和阻尼摩擦元件间的阻尼摩擦转矩Tμ，是两个主要
1、极限转矩Tj
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
根据扭转刚度的定义，κφ＝T／φ，则
6、减振弹簧个数Zj
Zj参照表2-6选取。
目前通用的从动盘减振器在特性上存在如下局限性：
1）它不能使发动机、变速器振动系统的固有频率降低到发动机怠速转速以下，因此不能避免怠速时的共振。
2）它在发动机实用转速范围1000～2000r／min内，难以通过降低减振弹簧刚度来得到更大的减振效果。
第五节结束！
第六节 离合器的操纵机构
1、对离合器操纵机构的要求
1）踏板力要尽可能小，乘用车一般在80～150N范围内，商用车不大于150～200N。
2）踏板行程一般在80～150mm范围内，最大不应超过180mm 。
3）应有踏板行程调整装置，以保证摩擦片磨损后分离轴承的自由行程可以复原。
4）应有踏板行程限位装置，以防止操纵机构的零件因受力过大而损坏。
5）应具有足够的刚度。
6）传动效率要高。
7）发动机振动及车架和驾驶室的变形不会影响其正常工作。
8）工作可靠、寿命长，维修保养方便。
第六节 离合器的操纵机构
2、操纵机构结构形式选择
常用的离合器操纵机构，主要有机械式、液压式、机械式和液压式操纵机构的助力器、气压式和自动操纵机构等。
液压式操纵机构主要由吊挂式离合器踏板、主缸、工作缸、管路系统和回位弹簧等部分组成。
3、离合器操纵机构的设计计算
踏板力Ff为
第六节结束！
第七节 离合器主要零部件的结构设计
一、从动盘总成
组成：从动盘毂、摩擦片、从动片、扭转减振器等。
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，使离合器接合平顺，便于起步，而且使摩擦面压力均匀，以减小磨损。
3）应安装扭转减振器，以避免传动系共振，并缓和冲击。
1、轴向弹性从动盘的结构形式
第七节 离合器主要零部件的结构设计
2、从动盘毂
承受载荷最大。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，花键的尺寸可根据摩擦片的外径D与发动机的最大转矩Temax由表2-7选取。
从动盘毂轴向长度：一般取1．0～1．4倍的花键轴直径。
材料及热处理：一般采用锻钢（如35，45，40Cr等），并经调质处
理，表面和心部硬度一般在26～32HRC。
3、摩擦片
离合器摩擦片在性能上应满足如下要求：
1）摩擦因数较高且较稳定，工作温度、单位压力、滑磨速度的变化对其影响要小。
2）具有足够的机械强度与耐磨性。
3）密度要小，以减小从动盘的转动惯量。
4）热稳定性好，在高温下分离出的粘合剂少，无味，不易烧焦。
5）磨合性能好，不致刮伤飞轮和压盘表面。
6）接合时应平顺而不产生“咬合”或“抖动”现象。
7）长期停放后，摩擦面间不发生“粘着”现象。
离合器摩擦片所用的材料：主要有石棉基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和金属陶瓷摩擦材料。
4、从动片
要求：质量轻，具有轴向弹性，硬度和平面度要求高。
材料：常用中碳钢板（如50号）或低碳钢板（如10号）。
一般厚度为1．3～2 ．5mm，表面硬度为35～40HRC。
5、波形片和减振弹簧
波形片一般采用65Mn，厚度小于1mm，硬度为40～46HRC，并经过表面发蓝处理。
减振弹簧常采用60Si2MnA、50CrVA、65Mn等弹簧钢丝。
二、离合器盖总成
组成：压紧弹簧、离合器盖、压盘、传动片、分离杠杆装置及支承环等。
1、离合器盖
对离合器盖结构设计的要求：
1）应具有足够的刚度。
可采取如下措施：适当增大盖的板厚，一般为2．5～4．0mm；在盖上冲制加强肋或在盖内圆周处翻边；尺寸大的离合器盖可改用铸铁铸造。
2）应与飞轮保持良好的对中，以免影响总成的平衡和正常的工作。
对中方式采用定位销或定位螺栓，也可采用止口对中。
3）盖的膜片弹簧支承处应具有高的尺寸精度。
4）为了便于通风散热，防止摩擦表面温度过高，可在离合器盖上开较大的通风窗孔，或在盖上加设通风扇片等。
材料要求：
乘用车和载质量较小的商用车的离合器盖一般用08、10钢等低碳钢板，载质量较大的商用车则常用铸铁件或铝合金压铸件。
2、压盘 汽车阻尼片
对压盘结构设计的要求：
1）压盘应具有较大的质量，以增大热容量，减小温升，防止其产生裂纹和破碎，有时可设置各种形状的散热筋或鼓风筋，以帮助散热通风。中间压盘可铸出通风槽，也可采用传热系数较大的铝合金压盘。
2）压盘应具有较大的刚度，使压紧力在摩擦面上的压力分布均匀并减小受热后的翘曲变形，以免影响摩擦片的均匀压紧及与离合器的彻底分离，厚度约为15～25mm。
3）与飞轮应保持良好的对中，并要进行静平衡，压盘单件的平衡精度应不低于15～
4）压盘高度（从承压点
到摩擦面的距离）公差要小。
压盘的厚度初步确定后，应根据下式来校核离合器一次接合的温升（不超过8～10℃ ）
3．传动片
作用：在离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转，分离时，又可利用它的弹性来牵动压盘轴向分离并使操纵力减小。
常用3～4组，每组2～3片，每片厚度为0．5～1 ．0mm。
材料：一般由弹簧钢带65Mn制成。
4．分离杠杆装置
对于分离杠杆装置的结构设计要求：
1）分离杠杆应具有较大的弯曲刚度，以免分离时杆件弯曲变形过大，减小了压盘行程，使分离不彻底。
2）应使分离杠杆支承机构与压盘的驱动机构在运动上不发生干涉。
3）分离杠杆内端高度应能调整，使各内端位于平行于压盘的同一平面，其高度差不大于0．2mm。
4）分离杠杆的支承处应采用滚针轴承、滚销或刀口支承，以减小摩擦和磨损。
5）应避免在高速转动时因分离杠杆的离心力作用而降低压紧力。
6）为了提高通风散热能力，可将分离杠杆制成特殊的叶轮形状，用以鼓风。
材料：主要由08低碳钢板冲压和35等中碳钢锻造成形（锻件硬度为131～156HBS）而成。
5、支承环
支承环和支承铆钉的安装尺寸精度要高，耐磨性要好。
支承环一般采用3．0～4．0mm的碳素弹簧钢丝。
三、分离轴承总成
组成：分离轴承、分离套筒等。
应用：以前主要采用推力球轴承（图2-20a）或向心球轴承，但其润滑条件差，磨损严重、噪声大、可靠性差、使用寿命低。目前国外已采用角接触推力球轴承（图2-20b、c）。
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