机械毕业设计（论文）-轻型卡车离合器设计【全套图纸】

中文题目：轻型卡车离合器设计 外文题目： 全套图纸，加 153893706 毕业设计（论文）共 68 页（其中：外文文献及译文 16 页） 图纸共 4 张 II 完成日期 2011 年 6 月 答辩日期 2011 年 6 月 I 摘要 离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和实现对传 动系的动力传递，保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合，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，能限制传动系所承受的最大转矩，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和噪声。 本文基于重型载货汽车的设计要求和设计参数，确定了以拉式膜片弹簧离合器作为 设计目标。膜片弹簧离合器是近年来在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重型载货汽车膜片弹簧离合器的结构形式，参数选择以及计 算过程。 本次设计根据车型的类别、使用要求、制造条件以及“三化” （即系列化、通用化、 标准化）要求等，选择了结构方案及有关参数，进行了总成设计，并对其一些零件进行 了校核：包括摩擦片外径的确定，离合器后备系数的确定，单位压力的确定，从动盘设 计，压盘设计，膜片弹簧设计等，为以后从事汽车技术工作打下良好的基础。不仅如此， 本次设计借鉴了相关的资料，采用了相关的标准，充分吸收了前人宝贵的经验。 关键词：重型载货汽车；离合器；膜片弹簧；从动盘；设计 II Abstract Clutch is the assembly which is directly connected with engine in the automobile power train. And its main function is to cut off and implement the transmission of power in the power train. It ensures the engine and the power train perfectly smooth join together when the automobile is starting up and insures the automobile started up smooth. The clutch disconnects the engine and the power train when the automobile stage change over. It reduces the impact between the shift gears of the transmission. When the transmission worked on the great dynamic load, the clutch can limit the breakdown torque of the power train in order to prevent the accessory of the power train that is damaged due to overload. It also can effectively reduce the vibration and noise of the power train. This article is based on the design requirements and the design parameters of the light truck, it is identified with the pull-type diaphragm spring clutch as the design goal. In recent years, diaphragm spring clutch is a kind of clutch that was widely adopted in saloon cars and light vehicles. It has great capacity of torque and more stable. Meanwhile it manipulate conveniently and has good balance. And It also has high output. So the research of the clutch is become more and more important. This design manual elaborated on the construction form, the parameters choose and process of calculate of the light trucks. According to the vehicle category, the operation requirements, the manufacture condition as well as “three“ (that is seriation, universalization and standardization) requirements, and so on, this design choose the structure scheme and relevant parameters. Meanwhile this design complete assembly design and checking for some of its parts. They include the determination of friction plate diameter, the determination of backup coefficient, the determination of the unit pressure, the design of driven plat, the design of pressure plate and diaphragm, etc. This design can lay a good foundation for engaging in vehicle technology work in the future. In addition, this design profit from the related material, and use the related standard, and fully absorb predecessors valuable experience. Key words: I 目录 1 绪论.1 1.1 引言 .1 1.2 汽车离合器结构的发展 .1 1.3 离合器概述 .3 1.3.1 离合器的功用4 1.3.2 汽车离合器设计的基本要求4 1.3.3 离合器工作原理5 2 离合器的结构方案分析7 2.1 离合器设计所需数据 .7 2.2 结构设计 .7 2.2.1 从动盘数及干、湿式的选择 .7 2.2.2 压紧弹簧的结构型式及布置8 2.2.3 膜片弹簧的支承形式9 2.2.4 压盘的驱动方式10 2.2.5 分离轴承总成10 2.2.6 离合器的通风散热措施11 3 离合器主要参数的选择12 3.1 摩擦片外径 D 的确定.12 II 3.2 离合器后备系数的确定 13 3.3 摩擦因数F、摩擦面数 Z 和离合器间隙T的确定14 3.4 单位压力P的确定.15 0 4 离合器基本参数的优化16 4.1 设计变量 .16 4.2 目标函数 .16 4.3 约束条件 .16 5 离合器零件的结构选型及设计计算19 5.1 从动盘总成 .19 5.1.1 从动片的选择和设计19 5.1.2 从动盘毂设计20 5.1.3 摩擦片设计22 5.2 离合器盖总成设计 .23 5.2.1 离合器盖设计24 5.2.2 压盘设计24 5.2.3 传动片设计26 5.2.4 支承环设计26 6 扭转减振器的设计27 6.1 扭转减振器主要参数的确定 .27 6.2 减振器的结构计算 .28 III 7 膜片弹簧设计32 7.1 膜片弹簧结构形状的特点 .32 7.2 膜片弹簧的弹性特性 .32 7.3 膜片弹簧基本参数的选择 .33 7.4 膜片弹簧的优化设计 .34 7.5 膜片弹簧材料及制造工艺 .35 7.6 膜片弹簧的计算 .36 7.6.1 绘制膜片弹簧的特性曲线36 7.6.2 确定膜片弹簧的工作点位置37 7.6.3 求离合器彻底分离时分离轴承作用的载荷 F2.38 7.6.4 求分离轴承的行程 238 7.6.5 膜片弹簧强度校核39 8 技术经济性分析40 9 结论41 致谢42 参考文献43 辽宁工程技术大学毕业设计 1 1 绪论 1.1 引言 在以内燃机作为动力的机械传动汽车中，无论是 AMT 或 MT，离合器都作为一个独立 的部件而存在。虽然发展自动传动系统是汽车传动系的发展趋势，但有人指出：根据德 国出版的 2003 年世界汽车年鉴，2002 年世界各国 114 家汽车公司所生产的 1864 款乘用 车中，手动机械变速器车款数为 1337 款；在我国，乘用车中自动挡车款式只占全国平均 数的 26.53%；若考虑到商用车中更多是多数采用手动变速器，手动挡汽车目前仍然是世 界车款的主流（当然并不排除一些国家或地区自动挡式车款是主流产品） 。谈及未来，考 虑到传动系由 MT 向自动传动系过渡，采用 AMT 技术其产品改造较为容易，因此 AMT 技术 是自动传动系统有力的竞争者。可以说，从目前到将来离合器这一部件将会伴随着内燃 机一起存在，不可能在汽车上消失。 1.2 汽车离合器结构的发展 在早期研发的离合器结构中，锥形离合器最为成功。它的原型设计曾装在 1889 年德 国戴姆勒公司生产的钢制车轮的小汽车上。它是将发动机飞轮的内孔做成锥体作为离合 器的主动件。采用锥形离合器的方案一直延续到 20 世纪 20 年代中叶，对当时来说，锥 形离合器的制造比较简单，摩擦面容易修复。它的摩擦材料曾用过骆毛带、皮革带等。 那时曾出现过蹄-鼓式离合器，其结构有利于在离心力作用下使蹄紧贴鼓面。蹄-鼓式离 合器用的摩擦元件是木块、皮革带等，蹄-鼓式离合器的重量较锥形离合器轻。无论锥形 离合器或蹄-鼓式离合器，都容易造成分离不彻底甚至出现主、从动件根本无法分离的自 锁现象。 现今所用的盘式离合器的先驱是多片盘式离合器，它是直到 1925 年以后才出现的。 多片离合器最主要的优点是，汽车起步时离合器的接合比较平顺，无冲击。早期的设计 中，多片按成对布置设计，一个钢盘片对着一青铜盘片。采用纯粹的金属的摩擦副，把 它们浸在油中工作，能达到更为满意的性能。 陈真： 轻型卡车离合器设计 2 浸在油中的盘片式离合器，盘子直径不能太大，以避免在高速时把油甩掉。此外， 油也容易把金属盘片粘住，不易分离。但毕竟还是优点大于缺点。因为在当时，许多其 他离合器还在原创阶段，性能很不稳定。 石棉基摩擦材料的引入和改进，使得盘片式离合器可以传递更大的转矩，能耐受更 高的温度。此外，由于采用石棉基摩擦材料后可用较小的摩擦面积，因而可以减少摩擦 片数，这是由多片离合器向单片离合器转变的关键。20 世纪 20 年代末，直到进入 30 年 代时，只有工程车辆、赛车和大功率的轿车上才使用多片离合器。 早期的单片干式离合器由与锥形离合器相似的问题，即离合器接合时不够平顺。但 是，由于单片干式离合器结构紧凑，散热良好，转动惯量小，所以以内燃机为动力的汽 车经常采用它，尤其是成功地开发了价格便宜的冲压件离合器盖以后更是如此。 实际上早在 1920 年就出现了单片干式离合器，这和前面提到的发明了石棉基的摩擦 面片有关。但在那时相当一段时间内，由于技术设计上的缺陷，造成了单片离合器在接 合时不够平顺的问题。第一次世界大战后初期，单片离合器的从动盘金属片上是没有摩 擦面片的，摩擦面片是贴附在主动件飞轮和压盘上的，弹簧布置在中央，通过杠杆放大 后作用在压盘上。后来改用多个直径较小的弹簧，沿着圆周布置直接压在压盘上，成为 现今最为通用的螺旋弹簧布置方法。这种布置在设计上带来了实实在在的好处，使压盘 上的弹簧的工作压力分布更均匀，并减小了轴向尺寸。 多年的实践经验和技术上的改进使人们逐渐趋向于首选单片干式摩擦离合器，因为 它具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等 优点，而且由于在结构上采取一定措施，已能做到接合盘式平顺，因此现在广泛采用于 大、中、小各类车型中。 如今单片干式离合器在结构设计方面相当完善。采用具有轴向弹性的从动盘，提高 了离合器的接合平顺性。离合器从动盘总成中装有扭转减振器，防止了传动系统的扭转 共振，减小了传动系统噪声和载荷。 随着人们对汽车舒适性要求的提高，离合器已在原有基础上得到不断改进，乘用车 上愈来愈多地采用具有双质量飞轮的扭转减振器，能更好地降低传动系的噪声。 对于重型离合器，由于商用车趋于大型化，发动机功率不断加大，但离合器允许加 大尺寸的空间有限，离合器的使用条件日酷一日，增加离合器传扭能力，提高使用寿命， 辽宁工程技术大学毕业设计 3 简化操作，已成为重型离合器当前的发展趋势。为了提高离合器的传扭能力，在重型汽 车上可采用双片干式离合器。从理论上讲，在相同的径向尺寸下，双片离合器的传扭能 力和使用寿命是单片的 2 倍。但受到其他客观因素的影响，实际的效果要比理论值低一 些。 近年来湿式离合器在技术上不断改进，在国外某些重型车上又开始采用多片湿式离 合器。与干式离合器相比，由于用油泵进行强制冷却的结果，摩擦表面温度较低(不超过 93)，因此，起步时长时间打滑也不致烧损摩擦片。查阅国内外资料获知，这种离合器 的使用寿命可达干式离合器的 5-6 倍，但湿式离合器优点的发挥是一定要在某温度范围 内才能实现的，超过这一温度范围将起负面效应。目前此技术尚不够完善。 1.3 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： 1）结合时平顺、柔和，使汽车起步时没有抖动、冲击； 2）离合器分离迅速、彻底； 3）从动部分惯量小，以减轻换档时变速器齿轮轮齿间的冲击并方便换挡； 4）散热性能好； 5）高速旋转时具有可靠的强度； 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； 陈真： 轻型卡车离合器设计 4 7）操纵轻便，工作性能稳定，使用寿命长。 1.3.1 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。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 300500r/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。 1.3.2 汽车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，对汽车离合器设计提出如下基本要求： 1)在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备。 辽宁工程技术大学毕业设计 5 2)接合时要平顺柔和，以保证汽车起步时没有抖动和冲击。 3)分离时要迅速、彻底。 4)离合器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)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)应使传动系避免扭转共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力。 7)操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳。 8)作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，以 保 9)应有足够的强度和良好的动平衡，以保证其工作可靠、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。 1.3.3 离合器工作原理 由图 1-1 可知，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。离合器盖 1 与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧 3 被预加压紧， 离合器处于接合位置时，由于膜片弹簧大端对压盘 5 的压紧力，使得压盘与从动盘之间 产生摩擦力。当离合器盖总成随飞轮转动时(构成离合器主动部分)，就通过摩擦片上的 摩擦转矩带动从动盘总成和变速器一起转动以传递发动机动力。 （1）接合位置 （2）分离位置 1-离合器盖 2-铆钉 3-膜片弹簧 4-支撑环 5-压盘 6-摩擦片 陈真： 轻型卡车离合器设计 6 7-分离轴承总成 8-离合器踏板 9-输出轴 图 1-1 离合器的工作原理图 Fig.1-1 The clutchs the working principle 要分离离合器时，将离合器踏板 8 踏下，通过操纵机构，使分离轴承总成 7 前移推 动膜片弹簧分离指，使膜片弹簧呈反锥形变形，其大端离开压盘，压盘在传动片的弹力 作用下离开摩擦片，使从动盘总成处于分离位置，切断了发动机动力的传递。 辽宁工程技术大学毕业设计 7 2 离合器的结构方案分析 为了满足现代汽车的设计理念，在设计汽车离合器时应根据车型的类别、使用要求、 制造条件，以及“系列化、通用化、标准化”的要求等，合理地选择离合器总成结构及 有关组件结构。 2.1 离合器设计所需数据 发动机最大功率及转速：63Kw/3800rpm 发动机最大转矩及转速：179 N.m/2500rpm 整车总质量： 4.095t 装载质量： 2t 主减速比： 5.83 变速器低档传动比： 5.56 轮胎型号： 6.50-16 2.2 结构设计 2.2.1 从动盘数及干、湿式的选择 单片干式摩擦离合器结构简单，调整方便，轴向尺寸紧凑，分离彻底，从动件转动 惯量小，散热性好，采用轴向有弹性的从动盘时也能接合平顺。因此，广泛用于各级轿 车及微、轻、中型客车与货车上，在发动机转矩不大于 1000Nm 的大型客车和重型货车 上也有所推广。当转矩更大时可采用双片离合器。 陈真： 轻型卡车离合器设计 8 双片干式摩擦离合器与单片离合器相比，由于摩擦面增多使传递转矩的能力增大， 接合也更平顺、柔和；在传递相同转矩的情况下，其径向尺寸较小，踏板力较小。但轴 向尺寸加大且结构复杂；中间压盘的通风散热性差易引起过热而加快摩擦片的磨损甚至 烧伤碎裂；分离行程大，调整不当分离也不易彻底；从动件转动惯量大易使换档困难等。 仅用于传递的转矩大且径向尺寸受到限制时。 多片离合器多为湿式，它有分离不彻底、轴向尺寸和质量大等缺点，以往主要用于 行星齿轮变速器换挡机构中。但它具有接合平顺柔和、摩擦表面温度较低、磨损较小、 使用寿命长等优点，主要应用于重型牵引车和自卸车上。 本次设计为轻型卡车离合器设计，由于发动机的最大转矩为 179 Nm，其小于 1000Nm，故选用单片干式磨擦离合器作为本次设计对象。 2.2.2 压紧弹簧的结构型式及布置 离合器压紧装置可分为周布弹簧式、中央弹簧式、斜置弹簧式、膜片弹簧式等。其 中膜片弹簧的主要特点是用一个膜片弹簧代替螺旋弹簧和分离杠杆。膜片弹簧与其他几 类相比又有以下几个优点： 1）由于膜片弹簧有理想的非线性特征,弹簧压力在摩擦片磨损范围内能保证大致不 变，从而使离合器在使用中能保持其传递转矩的能力不变。当离合器分离时，弹簧压力 不像圆柱弹簧那样升高，而是降低，从而降低踏板力； 2）膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使结构简单紧凑，轴向尺寸小，零件 数目少，质量小； 3）高速旋转时，压紧力降低很少，性能较稳定；而圆柱弹簧压紧力明显下降； 4）由于膜片弹簧大断面环形与压盘接触，故其压力分布均匀，摩擦片磨损均匀，可 提高使用寿命； 5）易于实现良好的通风散热，使用寿命长； 6）平衡性好； 7）有利于大批量生产，降低制造成本。 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 辽宁工程技术大学毕业设计 9 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 802000Nm、最大摩擦片外径 达 420mm 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 2832t 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。 另外，与推式相比，拉式膜片弹簧离合器具有许多优点： 1)由于取消了中间支承各零件，并只用一个或不用支承环，使其结构更简单、紧凑， 零件数目更少，质量更小。 2)由于拉式膜片弹簧是以中部与压盘相压，因此在同样压盘尺寸条件下可采用直径 较大的膜片弹簧，从而提高了压紧力与传递转矩的能力，而并不增大踏板力；或在传递 相同转矩时，可采用尺寸较小的结构。 3)在接合或分离状态下，离合器盖的变形量小，刚度大，故分离效率更高。 4)拉式的杠杆比大于推式杠杆比，且中间支承少，减少了摩擦损失，传动效率较高， 使踏板操纵更轻便。拉式踏板力比推式一般约可减少 2530。 5)拉式无论在接合状态或分离状态，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产生冲击和噪声。 6)使用寿命更长。 综上，根据本所设计离合器的已知系数和使用条件选取拉式膜片弹簧离合器比较合 适。 2.2.3 膜片弹簧的支承形式 图 2-1 为拉式膜片弹簧的支承结构形式单支承环形式，将膜片弹簧大端支承在离合 器盖中的支承环上，这种支承形式广泛应用于轿车和货车上。 陈真： 轻型卡车离合器设计 10 图2-1 拉式膜片弹簧单支承形式 Fig.2-1 the form of Rumsfeld diaphragm spring single support 2.2.4 压盘的驱动方式 压盘是离合器的主动部分，在传递发动机转矩时它和飞轮一起带动从动盘转动，但 这种连接应允许压盘在离合器分离过程中能自由的作轴向移动。 压盘与飞轮的连接方式或其驱动方式有：凸块窗孔式、传力销式、键式以及弹性 传动片式等。 凸块窗孔式是在单片离合器中曾长期采用的传统结构。该结构是在压盘外缘铸出 34 个凸块，装配时伸入离合器盖对应的长方形窗孔中，而离合器盖则与飞轮相连。考虑 到摩擦片磨损后压盘将向前移，因此凸块应突出窗孔以外。其结构简单，但凸块与窗孔 的配合处磨损后易使定心精度降低而失去平衡，且会产生冲击和噪声。因此，在现代离 合器中已很少采用，为弹性传动片所取代。 传力销式是双片离合器采用的传统结构，它是用沿圆周均匀分布的几个传力销将飞 轮与中间压盘连接在一起。 键式也是一种压盘的驱动方式，包括键槽指销或键齿将压盘与飞轮相连接而又不 影响分离时压盘的轴向移动。 上述的几种压盘驱动方式有一个共同的缺点，即连接之间有间隙（如凸块与窗孔之 间的间隙约为 0.2mm） 。这样在传动时将产生冲击和噪声。且随着接触部分磨损的增加， 间隙将加大，引起更大的冲击和噪声，甚至可能导致凸块根部产生裂纹而造成零件的早 期破坏。另外，在离合器分离时，由于零件间的摩擦将降低离合器操纵部分的传动效率。 为了消除上述缺点，近年来广泛采用了弹性传动片的传力方式。 辽宁工程技术大学毕业设计 11 弹性传动片是由薄弹簧钢冲压而成，其一端铆在离合器盖上，另一端用螺钉固定在 压盘上，且一般用 34 组（每组 23 片）沿圆周切向布置以改善传动片的受力状况，这 时，当发动机驱动时传动片受拉，当拖动发动机时传动片受压。这种利用传动片驱动压 盘的方式不紧消除了上述缺点，而且简化了结构，降低了对装配精度的要求且有利于压 盘的定中。故本次设计选用弹性传动片式驱动压盘。 2.2.5 分离轴承总成 分离轴承总成由分离轴承、分离套筒等组成。分离轴承在工作时主要承受轴向分离 力，同时还承受在高速旋转时离心力作用下的径向力。离合器的分离轴承主要有径向止 推轴承和止推轴承两种。前者适合于高速低轴向负荷，后者适合于相反情况。目前国产 的汽车中多使用角接触推力球轴承，采用全密封结构和高温铿基润滑脂，其端面形状与 分离指舌尖部形状相配合，舌尖部为平面时采用球形端面，舌尖部为弧形面时采用平端 面或凹弧形端面。 2.2.6 离合器的通风散热措施 提高离合器工作性能的有效措施是借助于其通风散热系统降低其摩擦表面的温度。 试验表明，摩擦片的磨损是随压盘温度的升高而增大的，当压盘工作表面超过 180200时摩擦片磨损剧烈增加，正常使用条件下的离合器盘的工作表面的瞬时温 度一般在 180以下。在特别频繁的使用下，压盘表面的瞬时温度有可能达到 1000。 过高的温度能使压盘受压变形产生裂纹和碎裂。为使摩擦表面温度不致过高，除要求压 盘有足够大的质量以保证足够的热容量外，还要求散热通风好。改善离合器散热通风结 构的措施有：在压盘上设散热筋，或鼓风筋；在离合器中间压盘内铸通风槽；将离合器 盖和压杆制成特殊的叶轮形状，用以鼓风；在离合器外壳内装导流罩等。 本次设计为了使离合器实现良好的通风散热，设计时在离合器盖上开有许多通风窗 口，以加强离合器的冷却。 陈真： 轻型卡车离合器设计 12 3 离合器主要参数的选择 在初步确定离合器的结构型式之后，就要确定其基本结构尺寸、参数，它们是： （1）摩擦片外径 D； （2）单位压力 p0； （3）后备系数 。 在选定这些尺寸参数时，下列一些车辆参数对它们有重大影响： （1）发动机最大转矩 Temax ； （2）整车总质量 ma； （3）传动系总的速比 i； （4）车轮滚动半径 rk 。 下面讨论有关参数的选择。 3.1 摩擦片外径 D 的确定 摩擦片外径是离合器的基本尺寸，它关系到离合器的结构重量和使用寿命，它和离 合器所需传递的转矩大小有一定关系。显然，传递大的转矩，就需要大的尺寸。发动机 转矩是重要的参数，当按发动机最大转矩 Temax（Nm）来确定 D 时，有下列经验公式参 考： 辽宁工程技术大学毕业设计 13 （3-1） A T D emax 100 式中，系数 A 反映了不同结构和使用条件对 D 的影响，可参考下列范围： 小轿车 A=47； 一般载货汽车 A=36（单片）或 A=50（双片） ； 自卸车或使用条件恶劣的载货汽车 A=19。 由所选车型得 Temax=179Nm，A=36。 则将各参数值代入式(3-1)后计算得 D=222.98mm。 根据离合器摩擦片尺寸的系列化和标准化原则，根据下表 3-1 表 3-1 离合器摩擦片尺寸系列和参数（即 GB1457-74） Tab.3-1 Clutch friction slices size series and parameters(GB1457-74) 外径 D/mm 160180200225250280300325350 内径 d/mm 110125140150155165175190195 厚度 h/mm 3.23.53.53.53.53.53.53.54 C=d/D 0.6870.6940.7000.6670.5890.5830.5850.5570.540 1- C30.6760.6670.6570.7030.7620.7960.8020.8000.827 单位面积 F/mm3 106132160221302402466546678 可取：摩擦片相关标准尺寸： 摩擦片外径 D=225mm； 摩擦片内径 d=150mm； 摩擦片厚度 h=3.5mm； 摩擦片内外径比 d/D=0.667。 3.2 离合器后备系数 的确定 在确定摩擦片外径的同时，还应初选离合器的后备系数 。 陈真： 轻型卡车离合器设计 14 后备系数 是离合器设计时用到的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机最大 转矩的可靠程度。在选择 时，应考虑以下几点： 1)摩擦片在使用中磨损后，离合器还应能可靠地传递发动机最大转矩。 2)要防止离合器滑磨过大。 3)要能防止传动系过载。 显然，为可靠传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨过大， 不宜选取太小；为使 离合器尺寸不致过大，减少传动系过载，保证操纵轻便， 又不宜选取太大；当发动机 后备功率较大、使用条件较好时， 可选取小些；当使用条件恶劣，需要拖带挂车时， 为提高起步能力、减少离合器滑磨， 应选取大些；货车总质量越大， 也应选得越大； 采用柴油机时，由于工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的 值应比汽油机大些；发动 机缸数越多，转矩波动越小， 可选取小些；膜片弹簧离合器由于摩擦片磨损后压力保 持较稳定，选取的 值可比螺旋弹簧离合器小些；双片离合器的 值应大于单片离合 器。各类汽车离合器 的取值范围见表 3-2。 表 3-2 离合器后备系数 的取值范围 Tab.3-2 the numeric area of clutchs backup coefficient 车 型后备系数 乘用车及最大总质量小于 6t 的商用车1.201.75 最大总质量为 614t 的商用车1.502.25 挂车1.804.00 本次设计是基于轻型卡车的离合器设计，参考有关统计资料，并根据最大总质量不 超过 6 吨的载货汽车 =1.201.75，结合设计实际情况，选取后备系数 的值为 1.40。 3.3 摩擦因数 f、摩擦面数 Z 和离合器间隙t 的确定 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。摩擦片的材料主要有石棉基材料、粉末冶金材料和金属陶瓷材料等。石棉基材 料的摩擦因数 f 受工作温度、单位压力和滑磨速度的影响较大，而粉末冶金材料和金属 辽宁工程技术大学毕业设计 15 陶瓷材料的摩擦因数 f 较大且稳定。各种摩擦材料的摩擦因数 f 的取值范围见表 3-3。 表 3-3 摩擦材料的摩擦因数 f 的取值范围 Tab.3-3 the numeric area of friction materials friction factor f 摩 擦 材 料摩擦因数f 模压0.200.25 石棉基材料 编织0.250.35 铜基0.250.35 粉末冶金材料 铁基0.350.50 金属陶瓷材料0.4 本次设计取 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。 离合器间隙t 是指离合器处于正常结合状态、分离套筒被回位弹簧拉到后极限位置 时，为保证摩擦片正常磨损过程中离合器仍能完全结合，在分离轴承和分离杠杆内端之 间留有的间隙。该间隙t 一般为 34mm 。本次设计取t =3 mm。 3.4 单位压力 p 的确定 0 单位压力 p0 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，发动机后备功率大小，摩擦片尺寸、材料及其质量和 后备系数等因素。对于离合器使用频繁、发动机后备系数较小、在质量大或经常在坏路 面上行驶的汽车，p0应取小些；当摩擦片外径较大时，为了降低摩擦片外缘处的热负荷， p0应取小些；后备系数较大时，可适当增大 p0。 当摩擦片采用不同的材料时，p0取值范围见表 3-4。 表 3-4 摩擦片单位压力 p0的取值范围 Tab.3-4 the numeric area of Friction slices unit pressure p0 摩擦片材料单位压力 p0/Mpa 石棉基材料模压0.150.25 陈真： 轻型卡车离合器设计 16 编织0.250.35 铜基 粉末冶金材料 铁基 0.350.50 金属陶瓷材料0.701.50 前面已经初步确定了摩擦片的基本尺寸：外径 D=225mm，内径 d=150mm，厚度 h=3.5mm，内径与外径比值 d/D=0.667，又初选 =1.40，运用式（3-2）可校核单位压力 p0。 （3-)1 ( 12 33 0max cDfZp TT ec 2） 式中：f 为摩擦面间的静摩擦因数，取 f=0.3；Z 为摩擦面数，单片离合器的 Z=2。 根据式（3-2）代入相关数据得：单位压力 p0=0.20MPa。 本次设计摩擦片采用石棉基材料，查表 3-4 可知单位压力 p0的取值范围为 0.150.35MPa。显然，单位压力 p0在容许范围之内，故所选离合器的尺寸、基本参数合 适。 4 离合器基本参数的优化 设计离合器要确定离合器的性能参数和尺寸参数，这些参数的变化直接影响离合器 的工作性能和结构尺寸。这些参数的确定在前面是采用先初选、后校核的方法。下面采 用优化的方法来确定这些参数。 4.1 设计变量 后备系数 取决于离合器工作压力 F 和离合器的主要尺寸参数 D 和 d。单位压力 p0 也取决于离合器工作压力 F 和离合器的主要尺寸参数 D 和 d。因此，离合器基本参数的优 化设计变量选为： TT FDdxxxX 321 辽宁工程技术大学毕业设计 17 4.2 目标函数 离合器基本参数优化设计追求的目标，是在保证离合器性能要求的条件下使其结构 尺寸尽可能小，即目标函数为： )( 4 min)( 22 dDxf 4.3 约束条件 1）摩擦片外径 D（mm）的选取应使最大圆周速度不超过 6570m/s，即 D v （4-smDnv eD /706510 60 3 max 1） 式中，为摩擦片最大圆周速度（m/s） ；为发动机最高转速（r/min） 。 D v maxe n 所以 v =nD 10 =3800 225 10 =44.75m/s 6570m/s D 60 emax 3 60 3 故符合条件。 2）摩擦片的内外径比 c 应在 0.530.70 范围内，即 0.53c0.70 本次设计 c=d/D=150/225=0.667，显然满足 0.53c0.70 的条件范围。 3）为了保证离合器可靠地传递发动机的转矩，并防止传动系过载，不同车型 的 值应在一定的范围内，最大范围为 1.24.0，即 1.24.0 本次设计取 =1.40，在规定范围内，故满足要求。 4）为了保证扭转减震器的安装，摩擦片内径d必须大于减振器弹簧位置直径2R0约 50mm，即 d2R0+50mm 式中，减振器弹簧位置半径R0(0.60.75)d/2，故R0=0.65d/2=48.75mm，取R0为 48mm。 所以d-2R0150-248=54mm50mm，故符合d2R0+50mm的优化条件。 陈真： 轻型卡车离合器设计 18 5）为反映离合器传递转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许 用值，即 （4-2） )( 4 0 22 0c c c T dDZ T T 式中，Tc0为单位摩擦面积传递的转矩(Nm/mm2)；Tc0为其允许值(Nm/mm2)，按 表41选取。 表4-1 单位摩擦面积传递转矩的许用值 (Nm/mm2) Tab.4-1 allowable values in unit friction area transmission torque (Nm/mm2) 离合器规格 D/mm 210210250250325325 Tc0/10-20.280.300.350.40 根据式（3-2）知 Tc=1.4179=250.6(Nm)，故 maxe T )150225(214 . 3 6 .2504 )( 4 2222 0 dDZ T T c c =0.0057(Nm/mm2) 根据表 4-1 可知，当摩擦片外径 D210250mm 时，Tc0 =0.30Nm/mm20.0057Nm/mm2，故符合要求。 6)为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，对于不同车型，单位压力 p0根 据所用的摩擦材料在一定范围内选取，p0的最大范围为 0.101.50Mpa，即 0.10MPap01.50MPa 本次设计 p0=0.20Mpa，在规定范围内，故满足要求。 7）为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨，防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤， 每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值，即 （4-3） )( 4 22 dDZ W 式中，为单位摩擦面积滑磨功(J/mm2)；为其许用值(J/mm2)，对于乘用车车： =0.40J/mm2，对于轻型货车：=0.33J/mm2，对于最大总质量大于6.0t的商用车： =0.25J/mm2；W为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功(J)，可根据下式计算 （4-4） 22 0 222 1800 g rae ii rmn W 辽宁工程技术大学毕业设计 19 式中，ma为汽车总质量(kg)；rr为轮胎滚动半径(m)；ig为起步时所用变速器挡位的 传动比；i0为主减速器传动比；ne为发动机转速(r/min)，计算时乘用车取2000r/min，商 用车取1500r/min。 根据式（4-3）及（4-4）代入相关数据得：=0.139J/mm20.33J/mm2=，故满足 设计要求。 5 离合器零件的结构选型及设计计算 5.1 从动盘总成 从动盘总成主要由摩擦片、从动片、扭转减振器、从动盘毂等组成。它是对离合器 工作性能影响很大的构件，其工作寿命薄弱，因此在结构和材料上的选择是设计的重点。 设计从动盘总成时应注意满足以下几个方面的要求： 1）为了减少变速器换档时齿轮间的冲击，从动盘的转动惯量应尽可能小。 2）为了保证汽车平稳起步、摩擦面片上的压力分布均匀等从动盘应具有轴向弹性。 陈真： 轻型卡车离合器设计 20 3）为了避免传动系的扭转共振以及缓和冲击载荷，从动盘中应装有扭转减振器。 4）要有足够的抗爆裂强度。 5.1.1 从动片的选择和设计 设计从动片时，要尽量减轻其重量，并应使质量的分布尽可能靠近旋转中心，以获 得最小的转动惯量。这是因为汽车在行驶中进行换档时，首先要切断动力分离离合器， 而在变速器挂档的过程中，与变速器第一轴相连的离合器从动盘的转速一定发生变化， 或是增速（由高档换低档时）或是降速（由低档换高档时） 。离合器从动盘转速的变化将 引起惯性力，惯性使变速器换档齿轮的轮齿间产生冲击或使变速器中的同步装置加速磨 损。惯性力的大小与从动盘的转动惯量成正比，因此为了减小转动惯量以减轻变速器换 挡时的冲击，从动片一般都做的比较薄，通常是用 1.32.0mm 厚的钢板冲制而成。为了 进一步减小从动片的转动惯量，有时将从动片外缘的盘形部分磨至 0.651.0mm，使其质 量分布更加靠近旋转中心。 为了使离合器结合平顺，保证汽车平稳起步，单片离合器的从动片一般都作成具有 轴向弹性的结构。这样，在离合器的结合过程中，主动盘和从动盘之间的压力是逐渐增 加的。由于从动片有轴向弹性，从而保证离合器所传递的转矩能平稳增长，这样就允许 离合器在发动机较低的转速下结合，从而延长了摩擦片的使用寿命。此外，弹性从动片 还能使作用在摩擦面片上的压力分布得更均匀，改善了摩擦副表面的接触，减少摩擦表 面热点的形成，有利于摩擦片磨损均匀并减小。 具有轴向弹性的的从动片有以下三种结构型式：整体式弹性从动片，分开式弹性从 动片及组合式弹性从动片。 整体式弹性从动片是在从动片上开 T 形槽，外缘形成许多扇形，并将它们冲压成依 次向不同方向弯曲的波浪形。两边的摩擦片则分别铆在每相隔一个的扇形片上。在离合 器接合时，从动片被压紧，弯曲的波浪形扇形部分被逐渐压平，使从动盘上的压力和传 递的转矩逐渐增大，故接合平顺柔和。这种切槽有利于减少从动片的翘曲，其缺点是很 难保证每片扇形部分的刚度完全一致。 分开式结构中，波形弹簧片与从动片分别冲压成型后铆在一起。由于波形弹簧片是 辽宁工程技术大学毕业设计 21 由同一模具冲制，故其刚度比较一致；由于波形弹簧是采用比从动片更薄的钢板(厚度仅 为 0.7mm)，故这种结构容易得到更小的转动惯量，这些方面都优于整体式结构。 在载货汽车上常采用一种所谓组合式从动片。这种结构在靠近压盘一侧的从动片上 铆着波形弹簧片，摩擦片则铆在波形弹簧片上，而靠近飞轮一侧的摩擦片则直接铆在从 动片上。其转动惯量较大，但对于要求刚度较高、外形稳定性较好的大型从动片来说， 这种结构也是可以采用的。当载货汽车离合器的直径小于 380mm 时，则从动片仍可采用 前两种结构。 本次设计考虑车型及从动盘结构，选择从动片的结构型式为整体式。整体式弹性从 动片一般用高碳钢（如 50）或 65Mn 钢板，热处理硬度 3848HRC。离合器从动片采用 2mm 厚的