【摘 要】 手动挡汽车换挡膜片弹簧离合器分离过程中需要消耗一定的能量，其大小等于分离力对分离行程的定积分，本文称之为“离合器分离功”。膜片弹簧的碟簧部分和分离指部分的弹性变形会吸收能量，膜片弹簧与压盘、支承环（或支承筋）和分离轴承之间的摩擦需要消耗能量。盖和安装螺栓在离合器分离过程中发生弹性变形，虽然释放一些能量，但相应减小压盘的升程。在满足离合器压盘升程的前提下，减小分离过程中的能量消耗，才能提高离合器操纵舒适性。
【关键词】 离合器 能量消耗 弹性变形
目前汽车广泛使用推式或拉式膜片弹簧离合器，手动挡汽车换挡时需踩下离合器踏板，对没有外部动力助力的离合器分离系统，这一过程消耗驾驶员大量体力，影响离合器操纵舒适性。一般的文献资料在比较推式、拉式膜片弹簧离合器的优缺点时，认为拉式比推式具有更小的分离力，因而拉式离合器的操纵更轻便。
只用分离力大小来评价离合器操纵性能是不全面的，要正确评价离合器踏板是否轻便，需要同时考虑离合器分离力和分离行程的大小，即驾驶员分离离合器所做的功等于踏板力对踏板行程
的定积分。考虑分离系统的效率，能量传递到离合器分离指表现为分离力对分离行程的定积分。为了提高无外部动力助力汽车的离合器操纵舒适性，设计适当的踏板行程和踏板力，减小“离合器分离功”，即减小分离过程中的能量消耗是关键。
为了简化和便于比较，不单独计算传动片和从动盘波形片弹性变形对离合器分离功的影响，而是体现在实际检测的离合器压盘载荷特性或分离载荷特性曲线与理论计算曲线的差异上。
1 膜片弹簧离合器分离特性分析
以文献1，P164[计算实例9-1]为例。假设推式和拉式离合器采用相同尺寸参数的膜片弹簧，主要参数（mm）：R=105、r=83.5、h=4.3、t=2.6、L=103、l=84、rF=26、re=70.5、r0=22.5、δ1=3.2、δ2=11，n=18。
理论计算时不考虑分离指弯曲所叠加的小端分离行程，不考虑离合器盖变形、各零件摩擦的影响，离合器的膜片弹簧载荷-变形特性见图1，两种离合器的分离载荷特性与压盘升程特性见图2。
1.1 推式和拉式离合器分离力分析
推式杠杆比kT=3.05，拉式杠杆比kL=4.05，kT/kL=0.7531，理论计算拉式分离点的小端分离力F2c（L）=1203N，推式分离点的小端分离力F2c（T）=1587N，F2c（L）/F2c（T）≈0.7580，与kT/kL接近。在工作压紧力相同的条件下，拉式离合器分离力小于推式离合器分离力，推式和拉式离合器的分离力大小与杠杆比成反比。
1.2 推式和拉式离合器分离行程分析
不考虑分离指弯曲所叠加的小端分离行程，在相同的膜片弹簧大端变形量5.5mm时，推式和拉式离合器小端分离行程的理论计算值λ’2f（T）=6.41mm，λ’2f（L）=8.51mm，λ’2f（T）/λ’2f（L）= 0.7532，与kT/kL的值接近，即拉式离合器需要更大的分离行程，推式和拉式离合器的分离行程与杠杆比成正比。
1.3 两种离合器理论分离功计算分析
分别计算两种离合器分离力对分离行程的定积分，或直观理解为图2分离载荷特性曲线分离力与分离行程起止点所包围的面积，推式离合器分离功10.21J，拉式离合器分离功10.28J。即推式和拉式离合器采用相同尺寸参数的膜片弹簧，其理论分离功相同，拉式离合器省力不省功。
本例推式和拉式离合器分离的最终效果，是使膜片弹簧从理论工作点F1b=5264N变形到大端变形量5.5mm时的F1c=4869N，计算图1载荷-变形特性曲线（加载）大端载荷对大端变形量的定积分，需要的能量为10.26J，忽略计算误差，这一数值理论上与推式拉式离合器分离功相等。
2 膜片弹簧离合器盖受力及盖变形分析
2.1 离合器盖刚度定义
在离合器分离过程中，盖变形和安装螺栓变形对压盘升程有影响，为了简化和实用，将离合器盖刚度kc定义为：用螺栓将离合器安装在飞轮上，膜片弹簧（碟簧部分）通过支承环或其它零件对盖施加轴向力Fcc，盖在轴向力Fcc作用点的轴向变形量为λc，则定义kc=Fcc/λc。
2.2 离合器盖受力及盖变形分析
图3-a为离合器膜片弹簧受力及盖变形示意图。
图3-b为接合状态膜片弹簧受力示意图，选择膜片弹簧作为分离体，在离合器接合状态下，
膜片弹簧在支承处受到来自压盘的力FP，来自盖的力Fc，当分离力Fr=0时，FP与Fc大小相等，方向相反，离合器盖在Fc的反力作用下向远离压盘的方向变形。与离合器盖在自由状态相比较，推式离合器盖变形λeT，拉式离合器盖变形λeL。
图3-c为分离状态膜片弹簧受力示意图，在离合器分离过程中，分离力Fr作用于分离指，当压盘开始离开从动盘直至达到分离点分离行程时，来自压盘的力FP=0，膜片弹簧在支承处受到来自盖的力Fc，此时Fc与Fr大小相等，方向相反。推式离合器盖在Fc的反力作用下向靠近压盘的方向变形，拉式离合器盖在Fc的反力作用下仍然向远离压盘的方向变形。与离合器盖在自由状态相比较，推式离合器盖变形-λrT，拉式离合器盖变形λrL。
在离合器从接合到分离的过程中，推式离合器盖的总变形量为λeT+λrT，拉式离合器盖的总变形量为λeL-λrL。
2.3 膜片弹簧离合器盖变形量检测分析
选取推式395和拉式395离合器，安装螺栓M12×60 （12件），分离过程盖变形量检测结果：
推式盖钢板厚度7mm，作用力臂aT=67mm，杠杆比3.808，工作压紧力18207N，分离点分
离力5117N。离合器从接合到分离的过程中，推式盖零件支承处受力从18207N降到0N，再反方向受力5117N，推式离合器盖的总变形量λeT+λrT为0.31mm；拉式盖钢板厚度5mm，作用力臂aL=27.5mm，杠杆比4.625，工作压紧力19349N，分离点分离力3479N。从接合到分离的过程中，拉式盖零件支承处受力从19349N降到3479N，拉式离合器盖的总变形量λeL-λrL为0.11mm。
可见，在离合器规格相同，工作压紧力相近的条件下，拉式盖刚度远大于推式盖刚度，拉式盖零件可以采用较薄的钢板。
3 膜片弹簧离合器实际分离功检测分析
选取与2.3相同的推式395和拉式395离合器，安装螺栓M12×60（12件）。由于这两种离合器所用的膜片弹簧不同，离合器载荷特性、分离特性都不可比，只检测分析实际分离功。
推式395工作压紧力18207N，分离行程11mm时的压盘升程1.57mm，检测实际分离功44.34J。
拉式395工作压紧力19349N，分离行程12mm时的压盘升程1.79mm，检测实际分离功40.06
J。
以上分离功包括膜片弹簧（碟簧部分）变形、分离指弯曲变形和各零件摩擦所吸收的能量，离合器盖和安装螺栓的变形减小会释放一些能量，但相应减小压盘升程。本例在推式压盘升程比拉式小12%的情况下，拉式比推式节省约10%的分离功。
分离功曲线见图4。
4 膜片弹簧离合器分离过程能量消耗分析
选取与2.3相同的推式395和拉式395离合器为分析对象，分析离合器分离过程中消耗的能量及占比。膜片弹簧与压盘、支承环（或支承筋）的摩擦对分离功的影响，表现为离合器压盘载荷特性加载曲线和卸载曲线之差，为简化分析过程，分析离合器压盘载荷特性加载曲线对应的能量消耗。
4.1 膜片弹簧（碟簧部分）变形吸收能量分析
计算两种离合器载荷特性（加载）曲线大端载荷对大端变形量的定积分，推式395消耗的能量为32.61J，拉式395消耗的能量为33.63J。
4.2 膜片弹簧分离指弯曲变形吸收能量计算分析
按照文献1，P57的计算方法，推式395分离指变形量为3.19mm，消耗的能量为9.23J，拉式395分离指变形量为2.70mm，消耗的能量为5.31J。
4.3 盖变形变形吸收能量分析
离合器从接合到分离的过程中，检测推式395盖总变形量0.31mm，拉式395盖总变形量0.11mm，根据检测的盖变形曲线，计算推式395盖总变形释放能量2.28J，拉式395盖总变形释放能量0.93J。
4.4 离合器分离过程中消耗的能量及占比（如表1）
5 结语
（1）如果采用相同尺寸参数的膜片弹簧，推式和拉式离合器的理论分离功相同，拉式离合器省力不省功。提高无外部动力助力汽车的离合器操纵舒适性，获得适当的踏板行程和踏板力，需要减小离合器分离功。
（2）考虑膜片弹簧分离指弯曲变形、离合器盖（含安装螺栓）变形和各零件摩擦吸收能量，相同规格、相同压力的离合器在压盘升程相近的情况下，拉式比推式节省10%以上的分离功。
（3）在分离功构成中，膜片弹簧碟簧部分的弹性变形所吸收能量占70%～85%，分离指弯曲变形吸收的能量10～20%，其余为各零件摩擦所吸收的能量。要减小推式离合器分离功，提高分离指的刚度比提高盖刚度效果更明显。
（4）在离合器从接合到分离的过程中，离合器盖（含安装螺栓）变形量减小，会释放一些能量，但相应减小压盘升程。
参考文献：
[1]林世裕.膜片弹簧与蝶形弹簧离合器的设计与制造.南京：东南大学出版社，1995.12.
[2]娄岳海.膜片弹簧离合器工况特性分析.拖拉机与农用运输车，2008（8）36-28.
[3]同济大学航空航天与力学学院基础力学教学研究部.材料力学.上海：同济大学出版社，2011.02，第2版.
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