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Φ395膜片弹簧离合器设计

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膜片 弹簧 离合器 设计
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毕业设计(论文)中期报告题目:395 膜片弹簧离合器设计1 中期工作重点及进展2013 年 12 月初,在学院组织的自主选择毕业导师及毕业题目的会议中,我定了下来,选择了在曹岩老师的指导下开始了我的毕业设计:395 膜片弹簧离合器设计。2013 年 12 月初第一周接受了来自导师的任务书,然后就立刻着手资料的收集准备。在搜集资料的过程中,我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆搜集资料,还在网上查找各类相关资料,将这些宝贵的资料全部记在笔记本上,尽量使我的资料完整、精确、数量多,这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类,按照任务书的内容及每周的安排开始进行每一个模块的资料收集并做好记录。 3 月初,论文的文字初步叙述已经完成,接着开始进行相关图形的绘制工作。在设计初期,由于设计方案众多,觉得无从下手,空有很多设计思想,却不知道应该选哪个,经过大量的查找资料,我的设计渐渐有了头绪,通过查阅资料,逐渐确立系统方案中,最终定下了当前的初步设计当我终于完成了图后整个人都很累,但同时看着电脑荧屏上的毕业设计初步稿件还是比较愉快的,打响了第一战。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习,再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。2 离合器详细数据的设计已知条件:膜片弹簧直径 395a. 比值 和 的选择:h为了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 一般为 ,板厚 为m0.251hm42故初: H3.,4则:b. 比值和 R、r 的选择:由于摩擦片平均半径:膜片弹簧直径 ,则膜片弹簧的 值,应满足关系395mR5.197mRc.17hH,54.1,6.2mhHdDccocHT)d-Z(D423rH通常,摩擦片内、外径之比 c要满足 的m70.53.0根据 ,故可取 ,再结合实际情况取 。Rc19D31md135c. 扭转减振器的优化对于摩擦片内径 , 而减振器弹簧位置半径 ,故取:d35取:圆整为oRm45所以: do 02132故符合 的优化条件。mRo40d. 单位摩擦面积传递的转矩 coT根据汽车设计 (王望予编著,机械工业出版社出版)式(27)知,故: NTec 5.319.max根据根据汽车设计 (王望予编著,机械工业出版社出版)表(25)知,当摩擦片外径 时,mD0故符合要求 7。e. 单位压力 oP为降低离合器滑磨时的热负荷,防止摩擦片损伤,选取单位压力的 最大范围为oP,Ma35.01.由于已确定单位压力 ,在规定范围内,故满足要求Pao25.0f. 的选择:,满足 的范围。orRH46.1).83(.4actn)(arctn o159分离指数目 的选取取:。ng. 膜片弹簧小端内半径 及分离轴承作用半径 的确定orfr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。ordRc5.19742)7.06(Ro 2207.30. NNTco 由机械设计3maxedTK公式,可求得 ,则取 ,再取分离轴承md35.24ro25mrf30h. 切槽宽度 、 及半径1取:, , 满足 ,则.102r2rr5.71.82故取: r7i. 压盘加载点半径 和支承环加载点半径 的确定1R1r根据汽车设计 (王望予编著,机械工业出版社出版)知, 和 需满足下列条件:1Rr71R60r故选择 , mR103r8413 完成本课题的工作方案及进度计划(按周次填写)(1)13 周:调研并收集资料;(2)46 周:确定设计方案和整体结构特点;(3)711 周:完成结构设计计算;(4)1215 周:完成零件图和装配图的绘制;(5)16-18 周:完成论文撰写,准备答辩。 指导教师签字:mdo 8.4325.65. 年 月 日毕业设计(论文)开题报告题目:395 膜片弹簧离合器设计1 毕业设计(论文)综述(题目背景、研究意义及国内外相关研究情况)1.1 题目背景 膜片弹簧离合器相对于螺旋弹簧离合器有着一系列的优点:膜片弹簧的非线性特性使在摩擦片整个磨损过程中保证压盘受到压紧力基本保持不变,保证离合器工作性能更稳定;膜片弹簧的分离指起到分离杠杆的作用,这样,省去了多组分离杠杆装置,零件数目减少,质量也减轻;在满足相同压紧力的情况下,膜片弹簧的轴向尺寸较螺旋弹簧小,在有限的空间内便于布置,使离合器的结构更为紧凑;同时膜片弹簧是圆形旋转对称零件,平衡性好,在高速时,其压紧力降低很少。并且制造工艺水平的不断提高,膜片弹簧离合器越来越广泛运用在现在汽车中。1.2 研究意义针对原离合器传递扭矩不足、离合器烧片等问题,设计新的离合器产品,具有新的结构特点,并对该离合器的传递扭矩、温升、滑磨功、踏板力进行校核。与原产品相比,使其具有后备系数大、传递扭矩大等优点,更能满足重型车的需要。本课题的意义在于采用先进的优化软件对膜片弹簧离合器进行优化设计,由于优化设计是产品定量精确设计的核心基础 ,因此本文的工作内容具有广泛的应用前景。 1.2 国内外相关研究情况为了满足需要,上世纪 80 年代,几个厂家先后从国外引进了膜片弹簧设计与制造技术。这些企业为今后工作打下了一定的基础,但由于技术与资金的有限,缺乏长期高额投资的能力,形式不容乐观,与国外先进产家相比仍有相当大的差距。在生产规模方面,制造工艺和装备的制约,我国的生产规模与国外先进厂家相差甚远。在技术水平方面,虽然国内各主要离合器厂家先后从国外引进生产技术,但由于引进产品品种比较窄,产品比较落后。同时在技术消化、技术积蓄、技术发展等方面未作大的人力,物力投入,缺乏独立自主开发能力,不能形成系列化产品。而国外各厂家不仅产品品种多,从 160mm 到 430mm 有几千种产品,而且深度上不断突破,如复合整体双飞轮及紧凑离合器系统、液力变矩器、电子控制离合器系统等均已商业化。在生产管理方面,由于国内离合器厂家大多数起点比较低,观念又未及时更新,生产管理很大程度上还停留在行政指令阶段,生产与销售市场脱节,盲目生产,生产线上紊乱无序,而国外大多推广精益生产方式,实行倒拉式生产,生产线始终保持均衡有序地流动。在产品质量方面,由于我国基础工业相对比较落后,原材料不能满足技术要求,同时由于各厂家生产纲领小,高效、高精度设备采用较少,如多工位压力机,高速精密冲床及热处理,机械加工自动化生产线等,量刃具精度也严重影响产品质量,使我国产品质量不能满足主机厂技术要求,而国外厂家仍在不断制定更严格标准来促进各厂家产品质量的提高。因此,国内离合器发展还有好一段长路要走,有待我们做出更大的贡献。2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题研究的主要内容与主要思路2.1.1 主要内容在计算中,首先确定摩擦片外径尺寸,然后根据该尺寸对其他部件总成进行了计算和设计。通过计算校核摩擦片外径尺寸,计算选择出其他部件的外形尺寸,再对其进行校核,确定是否能达到设计要求。设计包括对从动盘总成的设计校核,对压盘的设计校核,对离合器盖的设计校核及离合器盖的设计校核和优化。具体设计计算了摩擦片、扭转减振器、膜片弹簧、压盘、离合器盖、传动片等多个部件总成。2.1.2 主要思路主要分析了了膜片弹簧离合器,对膜片弹簧离合器进行了分类,阐述了膜片弹簧离合器的原理和组成,及其特性。通过详细的推导过程积累了大量的数据,叙述了离合器的发展现状,和它的工作原理,在此过程中,经过对比结合,初步确定了合适的离合器结构形式,选取了拉式膜片弹簧离合器,并且带有扭转减振器,为后面的计算提供了理论基础。2.2 拟采用的研究方案、研究方法或措施根据离合器设计的要求与特点,在保证零件强度刚度和寿命的前提条件下,膜片弹簧进行设计。在对膜片弹簧离合器主要思路是:(1)对现在离合器的结构和设计状况做简要介绍;(2)介绍膜片弹簧离合器的主要优点;(3)重点对膜片弹簧离合器现状进行分析,对膜片弹簧离合器进行优化设计。2.2.1 设计395 离合器盖及压盘总成采用膜片弹簧离合器,使用 DB 的结构形式,压盘和从动盘的外径增大至 395,内径增大至 230,压紧力增大至 175001000N。1)离合器盖:所以在离合器盖的设计时,我们使用了另一种方案(如图 1),改用长螺钉将离合器安装在发动机飞轮上。考虑到离合器安装面距飞轮面有一距离,故取消原定位销的定位方式,在离合器盖外圆车一止口,采用止口定位,从而保证了安装精度。另外,395DB 离合器盖膜片铆钉部分设计了凸起鼓包结构,不断使强度有所加强,也有利于离合器在高速旋转时的散热。 图 1 395 离合器盖及压盘总成1.限位挂罩 2.离合器盖 3.膜片弹簧 4.支承盘 5.离合器压盘2)压盘:压盘设计了通风槽结构,也有利于离合器散热。压盘的外圆增大到 395,使得压盘的质量有所增加,有利于降低压盘起步时的温升。压盘的材料采用HT250,并增加了合金元素,提高了耐磨性。压盘加工时,采用以车代磨的加工方式,并将压盘大面加工成凹锥面,保证了在工作时压盘温度升高使压盘接合面成一平面。图 2 395 从动盘总成1.摩擦片 2.减震弹簧 3.盘芯 4.盘套 5.钢片6.欲减震弹簧 7.波形片 8.减震盘3)膜片弹簧:膜片弹簧采用双锥度设计方案,使结构更为紧凑。膜片弹簧指端采用弧形指结构,便于分离指端更好地与平分离轴承接合。离合器盖及压盘总成对从动盘总成的冲击也相应增大,从动盘总成拟采用带预减振机构的方案。(如图 2)从动盘动力的传递方向为:(飞轮,压盘)摩擦片钢片减振弹簧减振盘盘套预减振弹簧盘芯(一轴输出)。由于预减振弹簧的刚度远远小于主减振弹簧的刚度,所以在发动机怠速的时候,主减振弹簧不起作用,仅预减振弹簧起作用,对发动机微小的扭矩起到了很好的缓冲作用。从动盘总成的摩擦片采用无石棉摩擦材料,利于环保。3 本课题研究的重点及难点,前期已开展工作3.1 重点及难点本课题的重点和难点:研究膜片弹簧离合器工作原理,完成设计内容及其装配图。3.2 前期已开展工作前期已开展的工作:查阅各种学术文献,期刊杂志,科技报纸等资料深入了解本课题内容的具体工作状况,分析部件的工作原理。4 完成本课题的工作方案及进度计划(按周次填写)(1)13 周:调研并收集资料;(2)46 周:确定设计方案和整体结构特点;(3)711 周:完成结构设计计算;(4)1215 周:完成零件图和装配图的绘制;(5)16-18 周:完成论文撰写,准备答辩。 指导教师意见(对课题的深度、广度及工作量的意见)指导教师签名: 年 月 日 所在系审查意见系主管领导签名: 年 月 日 参考文献1濮良贵,纪名刚,陈国定,吴立言.机械设计J. 西北工业大学机械原理及机械零件教研室.2011.5(4):352-3572侯书林,朱海. 机械制造基础(上册)工程材料及热加工工艺基础B.2011.4(7):98-1103林世裕主编. 膜片弹簧与碟形弹簧离合器的设计与制造M. 南京:东南大学出版社,1995.4刘惟信主编. 机械最优化设计M. 北京:清华大学出版社,1994.45刘朝儒,彭福,荫高政一主编. 机械制图M. 第 4 版. 北京:高等教育出版社,2001.56杨坤怡主编. 制造技术M.北京:国防工业出版社,2006.37阎春利,张希栋. 离合器膜片弹簧的优化设计J. 林业机械与木工设备,2006.38李林,刘惟信. 离合器膜片弹簧的优化设计J. 清华大学学报,2000.59肖文颖,许海华. 合器膜片弹簧的优化设计J. 公路与汽运,2007.410程汉应. 离合器摩擦片数量选择及其参数优化设计J. 汽车工程,2001.711浦定真. 膜片弹簧离合器的设计与研究J. 汽车技术,2006.612严正峰,盛学斌. 395 膜片弹簧离合器校核设计J. 汽车设计,2003.1113钱云峰,殷锐. 互换性与测量技术M. 电子工业出版社,2011.414林世裕主编. 膜片弹簧与碟形弹簧离合器的设计与制造M. 东北大学,2005.615司传胜. 膜片弹簧离合器的优化设计J. 林业机械与木工设备,2004,1216刘红欣. 膜片弹簧应力分布的试验和有限元分析J. 力学与实践,2003,3 17张卫波. 汽车膜片弹簧离合器智能优化设计技术研究J. 中国工程机械学报,2007,118Liu Weixin,Ge Ping,Li WeiOptimal Design Torsional Dampers in Automobile Clutch Proceedings of the International Conference on CAD of Machinery.1991,Sept:1620,19Li WeiLiu,WeixinNew Methods to Raise Accuracy for Road Unevenness Measurement. in:Ahmadian M ,edAdvanced Automotive Technologies.1993,(12):657020Ahern,Kathy,Manathunga,Catherine. clutch-Starting Stalled Research Students. Innovative Higher Education.2004,(22) :237254本科毕业设计(论文)题目: 395 膜片弹簧离合器设计 395 膜片弹簧离合器设计摘要汽车离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内,用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上,离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。在汽车行驶过程中,驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板,使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合,以切断或传递发动机向变速器输入的动力。其功用为:(1)使汽车平稳起步(2)中断给传动系的动力,配合换档;(3)防止传动系过载。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。关键字:离合器;膜片弹簧;从动盘;压盘;摩擦片Design of Diaphragm Springs for Automotive ClutchesAbstractAutomobile Clutch in the engine and gearbox between the flywheel shell with screw will be fixed in the clutch assembly after the plane of the flywheel, clutch gearbox output shaft is the input shaft. In the process of moving vehicle, the driver may need Pedal or release the clutch pedal so that the engine and gearbox temporary separation and progressive joint, to cut off the engine or transmission to the transmission input power. Its function as: (1) the car a smooth start, (2) to interrupt the transmission of power to meet the shift, (3) to prevent transmission of the overloadKey Words: Clutch; theca spring; driven plate; friction disc主要符号表载荷系数tK使用系数A动载系数vS 安全系数P 功率T 转矩Z 齿数W 抗弯截面系数原动机类型有关的动载荷系数1K工作机类型有关的动载荷系数2精度系数3楔角m 滚柱质量F 变形量K 曲度系数 G 切变模量K 弹簧刚度 C 旋绕比间距Z 滚珠数目D 滚柱直径S 膜片厚度F 滚动摩擦系数滑动摩擦角目 录1 绪论 .11.1 前言 .11.2 离合器概述 .11.2.1 离合器的特点 .11.2.2 离合器的功能 .21.2.3 现代汽车离合器应满足的要求 .31.2.4 离合器工作原理 .32 离合器机构方案的选取 .52.1 参数和机构设计要求 .52.2 结构设计 .52.2.1 从动盘数及干湿式选取 .52.2.2 压紧弹簧的结构形式及布置 .52.3 设计变量 .62.4 目标函数 .73 离合器详细数据的设计 .83.1 膜片弹簧的基本参数选择 .83.2 膜片弹簧的弹性特性曲线 .103.3 强度校核 .133.4 从动盘设计 .133.4.1 从动盘结构简要介绍 .133.4.2 从动盘设计 .143.4.3 从动片的选择和设计 .143.4.4 从动盘毂的设计 .163.4.5 摩擦片的材料选取及从动片的固紧方式 .173.5 压盘的设计 .183.5.1 压盘传力方式的选择 .183.6 离合器盖的设计 .193.7 从动轴的计算 .203.8 分离杆的设计 .203.9 离合器分离套筒和分离轴承的设计 .204 扭转减震器的设计 .234.1 扭转减震器主要参数 .234.2 减振弹簧的计算 .245 从动盘总成的设计 .275.1 从动盘毂 .275.2 从动片 .275.3 波形片和减振弹簧 .276 压盘设计 .286.1 离合器盖 .286.2 压盘 .286.3 传动片 .286.4 分离轴承 .297 总结与展望 .297.1 总结 .297.2 展望 .29致 谢 .30参考文献 .31毕业设计(论文)知识产权声明 .33毕业设计(论文)独创性声明 .3401 绪论1.1 前言近年来各国政府都从资金、技术方面大力发展汽车工业,使其发展速度明显比其它工业要的多,因此汽车工业迅速成为一个国家工业发展水平的标志。对于内燃机汽车来说,离合器在机械传动系中作为一个独立的总成而存在,它是汽车传动系中直接与发动机相连接听总成。快目前,各种汽车广泛采用的摩擦式离合器主要依靠主、从动部分之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。在早期研发的离合器中,锥形离合器最为成功。现今所用的盘片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。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采用多片离合器。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离合器。近来,人们对离合器的要求越来越高,传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式膜片弹簧离合器结构发展,传统的操纵形式的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此,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,已成为离合器的发展趋势。随着汽车发动机转速、功率不断提高和汽车电子技术的高速发展,人们对离合器的要求越来越高。从提高离合器工作性能的角度出发,传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式膜片弹簧离合器结构发展,传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此,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,已成为离合器的发展趋势。随着计算机的发展,设计工作已从手工转向电脑,包括计算、性能演示、计算机绘图、制成后的故障统计等等 1。 1.2 离合器概述1.2.1 离合器的特点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1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: a. 结合时平顺、柔和,使汽车起步时不震动、冲击;b. 离合器分离彻底;c. 从动部分惯量小,以减轻换档时齿轮副的冲击;d. 散热性能好;e. 高速回转时只有可靠强度;f. 避免汽车传动系共振,具有吸收震动、冲击和减小噪声能力;g. 操纵轻便;h. 工作性能(最大摩擦力矩和后备系数保持稳定) ;i. 使用寿命长。1.2.2 离合器的功能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 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 2。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2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。1.2.3 现代汽车离合器应满足的要求根据离合器的功用,它应满足下列主要要求:a能在任何行驶情况下,可靠地传递发动机的最大扭矩。为此,离合器的摩擦力矩应大于发动机最大扭矩;b接合平顺、柔和。即要求离合器所传递的扭矩能缓和地增加,以免汽车起步冲撞或抖动;c分离迅速、彻底。换档时若离合器分离不彻底,则飞轮上的力矩继续有一部份传入变速器,会使换档困难,引起齿轮的冲击响声;d从动盘的转动惯量小。离合器分离时,和变速器主动齿轮相连接的质量就只有离合器的从动盘。减小从动盘的转动惯量,换档时的冲击即降低;e具有吸收振动、噪声和冲击的能力;f散热良好,以免摩擦零件因温度过高而烧裂或因摩擦系数下降而打滑;g操纵轻便,以减少驾驶员的疲劳。尤其是对城市行驶的轿车和公共汽车,非常重要;摩擦式离合器,摩擦衬面要耐高温、耐磨损,衬面磨损在一定范围内,要能通过调整,使离合器正常工作。1.2.4 离合器工作原理如图 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 3 和压盘 11 借摩擦作用传给从动盘 7,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 13,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 8 上的支柱为支点,而外端与压盘 11 连接,所以能克服压紧弹簧的力量拉动压盘 11 向左,这样,从动盘 7 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3紧弹簧就推动压盘 11 向右,仍将从动盘 7 压紧在飞轮 3 上,这样发动机的扭矩又传入变速器 3。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-轴图 1.1 离合器总成42 离合器机构方案的选取2.1 参数和机构设计要求在设计离合器时,应根据车型的类别,使用要求制造条件以及“三化” (系列化,通用化,标准化)要求等,合理选择离合器的结构。在离合器的结构设计时必须综合考虑以下几点:a. 保证离合器结合平顺和分离彻底;b. 离合器从动部分和主动部分各自的连接形式和支承;c. 离合器轴的轴向定位和轴承润滑;d. 运动零件的限位;e. 离合器的调整。输入参数如下:膜片弹簧直径:395mm,结合点和分离点压紧力175001000N,分离行程 11.5mm。2.2 结构设计结构设计的各项要求,在本设计中都将全面的考虑,并采用相应的措施予以实现。2.2.1 从动盘数及干湿式选取通常膜片弹簧离合器选择单片干式膜片弹簧摩擦离合器,因为这种结构的离合器结构简单,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结合平顺,广泛用于轿车及微、中型客车和货车上,在发动机转矩不大于 1000N.m 的大型客车和重型货车上也有所推广。因此该离合器选取单片干式膜片弹簧离合器 4。2.2.2 压紧弹簧的结构形式及布置离合器的压紧弹簧的结构形式有:圆柱螺旋弹簧、矩形断面的圆锥螺旋弹簧和膜片弹簧等。可采用沿圆周布置、中央布置、和斜置等布置形式。根据本所设计的离合器的已知系数和使用条件选取膜片弹簧离合器比较合适。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 5。膜片弹簧的两侧有支承5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移到膜后移使离合器分离。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802000N.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 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 6。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。 2.3 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 P 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:TTFxX321(2.1)62.4 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:(2.2))(4min)(2dDxf73 离合器详细数据的设计3.1 膜片弹簧的基本参数选择已知条件:膜片弹簧直径 395a. 比值 和 的选择:h(3.1)为了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 一般为 ,板厚 为m0.251hm42故初: 3.,4H则:b. 比值和 R、r 的选择:由于摩擦片平均半径: (3.2)膜片弹簧直径 ,则膜片弹簧的 值,应满足关系395m5.197Rm.17cR通常,摩擦片内、外径之比 c要满足 的70.53.0根据 ,故可取 ,再结合实际情况取 。19cRm31Dm135dc. 扭转减振器的优化hH,m54.1,6.2h5.1974dDcdDc 2)7.06(dRococHT)d-Z(D423r8对于摩擦片内径 , 而减振器弹簧位置半径 ,故取:m135d取:圆整为oRm45所以: 02132od故符合 的优化条件。40d. 单位摩擦面积传递的转矩 coT根据汽车设计 (王望予编著,机械工业出版社出版)式(27)知,故: mN5.319.maxecT根据根据汽车设计 (王望予编著,机械工业出版社出版)表(25)知,当摩擦片外径 时,0D故符合要求 7。e. 单位压力 oP为降低离合器滑磨时的热负荷,防止摩擦片损伤,选取单位压力的 最大范围oP为 ,Ma35.01.由于已确定单位压力 ,在规定范围内,故满足要求Pa25.0of. 的选择:,满足 的范围。orRH46.1).83(.4actn)(arctn o159分离指数目 的选取取:。g. 膜片弹簧小端内半径 及分离轴承作用半径 的确定orfr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。or由机械设计(3.3)3maxedTK公式,可求得 ,则取 ,再取分离轴承35.24d25or m30frh. 切槽宽度 、 及半径1取: 207.0. NNTco9, , 满足 ,则m2.31102r2r m5.7310.82r故取: 7r(3.4)i. 压盘加载点半径 和支承环加载点半径 的确定1R1r根据汽车设计 (王望予编著,机械工业出版社出版)知, 和 需满足下列1Rr条件:71R60r故选择 , m103R841r3.2 膜片弹簧的弹性特性曲线假设膜片弹簧在承载过程中,其子午线刚性地绕上地某中性点转动。设通过支承环和压盘加载膜片弹簧上地载荷 P1(N)集中在支承点处,加载点间的相对轴向变形为 x1(mm),则膜片弹簧的弹性特性如下式表示: 2112121 )()(/ln)6)( hrRxHrxrRbEhfP式中:E弹性模量,钢材料取 ;MPa05Eb泊松比,钢材料取 ,mm;3.bR自由状态下碟簧部分大端半径,mm;r自由状态下碟簧部分小端半径,mm;R1压盘加载点半径,mm;R1支承环加载点半径,mm;H自由状态下碟簧部分内截锥高度,mm ;h膜片弹簧钢板厚度,mm。利用 Matlab 软件进行 P1-x1 特性曲线的绘制,程序和图形如下:程序如下:x1=0:0.2:7;%x1 为膜片弹簧在压盘接触点处的轴向变形E=2.0*105;%弹性模量( Mpa)b=0.3;%泊松比R=105;%自由状态下碟簧部分大端半径 (mm)r=83.5;%自由状态下碟簧部分小端半径(mm)87.43256.05. doZdDTe)(4max10H=4.3;%自由状态下碟簧部分内截锥高度(mm) h=2.6;%膜片弹簧钢板厚度( mm)R1=103;%压盘加载点半径( mm)r1=84;%支承环加载点半径(mm)以下用于绘图clfplot(x1,P1,-b);axis(0,7,0,8000);%设置坐标hold onhold off,grid onxlabel(变形 x1/mm)ylabel(工作压力 P1/N)title(P1-x1 特性曲线)图形如下:图 3-2 P1x1 特性曲线确定膜片弹簧的工作点位置:可以利用 Matlab 软件寻找 P1x1 特性曲线中 M,N 的位置坐标,具体程序如下:x1=0:0.2:7;%x1 为膜片弹簧在压盘接触点处的轴向变形E=2.0*105;%弹性模量( Mpa)b=0.3;%泊松比R=105;%自由状态下碟簧部分大端半径 (mm)r=83.5;%自由状态下碟簧部分小端半径(mm)11H=4.3;%自由状态下碟簧部分内截锥高度(mm)h=2.6;%膜片弹簧钢板厚度( mm)R1=103;%压盘加载点半径( mm)r1=84;%支承环加载点半径(mm)以下用于绘图clfplot(x1,P1,-b);axis(0,7,0,8000);%设置坐标hold onhold off,grid onxlabel(变形 x1/mm)ylabel(工作压力 P1/N)title(P1-x1 特性曲线)zoom outx,y=ginput(1)x =2.6694y =5.2515e+003x,y=ginput(1)x =4.9767y =4.5195e+003则可知:N03.251.,m694.211 ePMM97NN上述曲线的拐点 H 对应着膜片弹簧的压平位置,而且 则:2)(11NMH新离合器在接合状态时,膜片弹簧工作点 B 一般取在凸点 M 和拐点 M 之间,且靠近或在 H 点处,一般 HB11)0.8(则取: 10.9.324B m则此时校核后备系数 :m8230.267.49.112满足要求离合器彻底分离时,膜片弹簧大端的变形量为:( 即为压盘的行程 ) (3.5)fMN11f f故:m3097.26.97.41MNf压盘刚开始分离时,压盘的行程: 15.4.8230.1Hf3.3 强度校核膜片弹簧大端的最大变形量 ,m976.41N由公式: 11122 221ln13 rRhrRrHrREhPr NNfB 得: 162BMPa3.4 从动盘设计3.4.1 从动盘结构简要介绍在现代汽车上一般都采用带有扭转减振的从动盘,用以避免汽车传动系统的共振,缓和冲击,减少噪声,提高传动系统零件的寿命,改善汽车行使的舒适性,并使汽车平稳起步。从动盘主要由从动片,从动盘毂,摩擦片等组成,由下图3.1 可以看出,摩擦片 1,13 分别用铆钉 14,15 铆在波形弹簧片上,而后者又和从动片铆在一起。从动片 5 用限位销 7 和减振 12 铆在一起。这样,摩擦片,从动片和减振盘三者就被连在一起了。在从动片 5 和减振盘 12 上圆周切线方向开有 6 个均布的长方形窗孔,在在从动片 和减振盘之间的从动盘毂 8 法兰上也开有同样数目的从动片窗孔,在这些窗孔中装有减振弹簧 11,以便三者弹性的连接起来。在从动片和减振盘的窗孔上都制有翻边,这样可以防止弹簧滑脱出来。在从动片和从动盘毂之间还装有减振摩擦片 6,9。当系统发生扭转振动时,26.119507.32.max TZRPc13从动片及减振盘相对从动盘毂发生来回转动,系统的扭转能量会很快被减振摩擦片的摩擦所吸收 8。1,13摩擦片;2,14,15铆钉;3波形弹簧片;4平衡块;5从动片;6,9减振摩擦;7限位销;8从动盘毂;10调整垫片;11减振弹簧;12减 振盘 3.1 带扭转减振器的从动盘 3.4.2 从动盘设计设计从动盘时一般应满足以下几个方面的要求:a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;b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;c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;d要有足够的抗爆裂强度。3.4.3 从动片的选择和设计设计从动片时要尽量减轻质量,并使质量的分布尽可能靠近旋转中心,以获得小的转动惯量。这是因为汽车在行驶中进行换档时,首先要分离离合器,从动盘的转速必然要在离合器换档的过程中发生变化,或是增速(由高档换为低档)或是降速(由低档换为高档) 9。离合器的从动盘转速的变化将引起惯14性力,而使变速器换档齿轮之间产生冲击或使变速器中的同步装置加速磨损。惯性力的大小与冲动盘的转动惯量成正比,因此为了见效转动惯量,从动片都做的比较薄,通常是用 1.32.0mm 厚的薄钢板冲压而成,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,从而保证离合器所传递的力矩是缓和增长的。此外,弹性从动片还使压力的分布比较均匀,改善表面的接触,有利于摩擦片的磨损。具有轴向弹性的的传动片有以下三种形式:整体式的弹性从动片,分开式的弹性从动片、及组合式弹性从动片。在本设计中,因为设计的是 2 吨轻型载货汽车的离合器,故采可以用整体式弹性从动片,其简化结构见下图 3.2,离合器从动片采用 2mm 厚的的薄钢板冲压而成,其外径由摩擦面外径决定,在这里取 225mm,内径由从动盘毂的尺寸决定,这将在以后的设计中取得。为了防止由于工作温度升高后使从动盘产生翘曲而引起离合器分离不彻底的缺陷,还在从动刚片上沿径向开有几条切口10。由于其采用整体式弹性从动片,从动片沿半径方向开槽,将外圆部分分割成许多扇形,并将扇形部分冲压成依次向相同方向弯曲的波浪形,使其具有轴向弹性,两边的摩擦片则分别铆在扇形片上.在离合器结合的过程中,从动片被压紧,弯曲的波浪扇形部分被逐渐压平从动盘摩擦面片所传递的转矩逐渐增大,使其结合过程较平顺,柔和,整体式弹性从动片根据从动片尺寸的大小可制成 612 个切槽,并常常将扇形部分与中央部分的连接处切成 T 形槽,目的是进一步减小刚度,增加弹性.相关结构尺寸参看设计图纸。从钢动片材料一般采用高碳刚或弹簧刚板冲压而成,经热处理后达到所要求的硬度,相关尺寸见零件图。151从动片;2摩擦片;3铆钉图 3.2 整体式弹性从动片3.4.4 从动盘毂的设计从动盘毂是离合器中承受载荷最大的零件,它几乎承受由发动机传来的全部转矩。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 由表 3.3 选取:一般取 1.01.4 倍的花键轴直径。从动盘毂一般采用碳钢,并经调质处理,表面和心部硬度一般 26 32 HRC。为提高花键内孔表面硬度和耐磨性,可采用镀铬工艺;对减振弹簧窗口及与从动片配合处,应进行高频处理 10。取 ,10n, , , , , 。35Dm28dm4t35lMPa2.10c验证:挤压应力的计算公式为: (3.6)式中,P 为花键的齿侧面压力,它由下式确定: 从动盘毂轴向长度不宜过小,以免在花键轴上滑动时产生偏斜而使分离不彻底, maxeT22mN057.)15(2.34coTnltRc16, 分别为花键的内外径;DdZ 为从动盘毂的数目;取 Z=1h 为花键齿工作高度; 2/)(dDh得 N, MPa MPa,合格。4.12P16.0c.表 3.3花健的的选取摩擦片的外径/mmD/N.mmaxeT齿数n外径/mmD内径/mmd齿厚/mmt有效齿长 l/mm挤压应力/MPac160 49 10 23 18 3 20 98180 69 10 26 21 3 20 116200 108 10 29 23 4 25 111225 147 10 32 26 4 30 113250 196 10 35 28 4 35 102280 275 10 35 32 4 40 125300 304 10 40 32 5 40 105325 373 10 40 32 5 45 114350 471 10 40 32 5 50 1303.4.5 摩擦片的材料选取及从动片的固紧方式摩擦片的工作条件比较恶劣,为了保证它能长期稳定的工作,根据汽车的的使用条件,摩擦片的性能应满足以下几个方面的要求:a. 应具有较稳定的摩擦系数,温度,单位压力和滑磨速度的变化对摩擦系数的影响小;b. 要有足够的耐磨性,尤其在高温时应耐磨;c. 要有足够的机械强度,尤其在高温时的机械强度应较好;d. 热稳定性要好,要求在高温时分离出的粘合剂较少,无味,不易烧焦;e. 磨合性能要好,不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面;f. 油水对摩擦性能的影响应最小;g. 结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象。由以上的要求,目前车用离合器上广泛采用石棉塑料摩擦片,是由耐热和化学稳定性能比较好的石棉和粘合剂及其它辅助材料混合热压而成,其摩擦系数17大约在 0.3 左右。这种摩擦片的缺点是材料的性能不稳定,温度,滑磨速度及单位压力的增加都将摩擦系数的下降和磨损的加剧 11。 所以目前正在研制具有传热性好、强度高、耐高温、耐磨和较高摩擦系数(可达 0.5 左右)的粉末冶金摩擦片和陶瓷摩擦材料等。在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦材料。固紧摩擦片的方法采用较软的黄铜铆钉直接铆接,采用这种方法后,当在高温条件下工作时,黄铜铆接有较高的强度,同时,当钉头直接与主动盘表面接触时,黄铜铆钉不致像铝铆钉那样会加剧主动盘工作表面的局部磨损,磨损后的生成物附在工作表面上对摩擦系数的影响也较小。这种铆接法还有固紧可靠和磨损后换装摩擦片方便等优点 12。3.5 压盘的设计3.5.1 压盘传力方式的选择压盘(其结构见零件图)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,所以它必须和飞轮连接在一起,但这种连接应允许压盘在离合器的分离过程中能自由的沿轴向移动。如前面所述采用采用传动片式的传力方式。由弹簧钢带制成的传动片一端铆在离合器盖上,另一端用螺钉固定在压盘上,为了改善传动片的受力情况,它一般都是沿圆周布置。3.5.2 压盘的几何尺寸的确定由于摩擦片的的尺寸在前面已经确定,故压盘的内外径也可因此而确定。压盘外径 D=230mm 压盘内径 d=14mm。那么压盘的的尺寸归结为确定其厚度。压盘的厚度确定主要依据以下两点:a. 压盘应有足够的质量在离合器的结合过程中,由于滑磨功的存在,每结合一次都要产生大量的热,而每次结合的时间又短(大约在 3 秒钟左右) ,因此热量根本来不及全部传到空气中去,这样必然导致摩擦副的温升。在频繁使用和困难条件下工作的离合器,这种温升更为严重。它不仅会引起摩擦片摩擦系数的下降,磨损加剧,严重时甚至会引起摩擦片和压盘的损坏 13。由于用石棉材料制成的摩擦片导热性很差,在滑磨过程中产生的热主要由飞轮和压盘等零件吸收,为了使每次接合时的温升不致过高,故要求压盘有足够大的质量以吸收热量。b. 压盘应具有较大的刚度18压盘应具有足够大的刚度,以保证在受热的情况下不致产生翘曲变形,而影响离合器的彻底分离和摩擦片的均匀压紧。 鉴于以上两个原因压盘一般都做得比较厚(载重汽车上一般不小于 15mm) ,但一般不小于 10mm,在该设计中,初步确定该离合器的压盘的厚度为 18mm。在初步确定该离合器压盘厚度以后,应校核离合器接合一次时的温升,其接合一次的温升不得超过 810。若温升过高可以适当增加压盘的厚度。根据下面公式(5.1)来进行校核:(3.6)cmL式中: 温升, L滑磨功,N.m, , , 。JaL5.0grainW22180vma分配到压盘上的滑磨功所占的百分比:单片离合器压盘 50.C压盘的比热容,对铸铁压盘, )(.4KkJCm压盘质量,根据公式(3.5)代入相关数据可得; 此数值o5Coo18故该厚度符合要求。3.6 离合器盖的设计离合器盖一般都与飞轮固定在一起,通过它传递发动机的一部分转矩。此外,它还是离合器压紧弹簧和分离杠杆的支承壳体。因此,在设计中应注意以下几个问题:a.离合器的刚度离合器分离杠杆支承在离合器盖上,如果盖的刚度不够,即当离合器分离时,可能会使盖产生较大的变形,这样就会降低离合器操纵机构的传动效率,严重时还可能造成离合器分离不彻底,引起摩擦片的早期磨损,还会造成变速器的换档困难 14。因此为了减轻重量和增加刚度,该离合器盖采用厚度约为4mm 的低碳钢板(如 08 钢板)冲压成带加强筋和卷边的复杂形状。b.离合器的通风散热为了加强离合器的冷却离合器盖必须开有许多通风窗口,通常在离合器压紧弹簧座处开有通风窗口。c.离合器的对中问题离合器盖内装有分离杠杆、压盘、压紧弹簧等重要零件,因此它相对与飞轮必须有良好的对中,否则会破坏离合器的平衡,严重影响离合器的工作。19离合器盖的对中方式有两种,一种是用止口对中,另有种是用定位销或定位螺栓对中,由于本设计选用的是传动片传动方式,因而离合器盖通过一外圆与飞轮上的内圆止口对中。3.7 从动轴的计算a. 选材40Cr 调质钢可用于载荷较大而无很大冲击的重要轴,初选 40Cr 调质 。 b. 确定轴的直径3nPAd(3.7)式中, A 为由材料与受载情况决定的系数,见表 3.4:表 3.4轴常用几种材料的 及 A 值轴的材料 Q235-A,20 Q275,35(1Cr18Ni9Ti )45 40Cr,35SiMn38SiMnMo,3Cr13aMP/15 25 20 35 2545 3556A 149 126 135 112 126103 11297取 , n 为轴的转速, ,则10r/min450,取m54.2d36d离合器的分离装置包括分离杆,分离轴承和分离套筒。3.8 分离杆的设计本设计才用的是膜片弹簧的压紧机构,分离杆的作用由膜片弹簧中的分离指来完成。其结构尺寸参数在前面的设计中已经确定。在设计分离杆时应注意以下几个问题:分离杆要有足够的刚度分离杆的铰接处应避免运动上的干涉分离杆内端的高度可以调整。3.9 离合器分离套筒和分离轴承的设计分离轴承在工作中主要承受轴向力,在离合器分离时,由于分离轴承的旋转,在受离心力的作用下,还承受径向力。在传统离合器中采用的分离轴承主要有径向止推轴承和止推轴承。而在现代汽车离合器中主要采用了角接触式的径向推力球轴承,并由轴承内圈转动 15。20本设计的是膜片弹簧离合器,为了保证在分离离合器时分离轴承能均匀地压紧膜片弹簧内端,采用可以自位(自动调准中心)的分离装置,其结构示意图见图 3.5,可以弥补因几何上偏移造成的强烈振动 16。1分离轴承罩;2分离轴承;3分离套筒;4波形弹簧片图 3.5 自动调心轴承自位分离轴承和分离套筒通过碟形弹簧装配在一起成为一体,碟形弹簧小端卡紧在轴承套筒座的外凸台部位,其大端压紧轴承外圈的内端面,依靠摩擦把分离轴承与轴承套筒连在一起。图中间隙 A 所允许的调节量为 1.42.4mm。这种轴承的内外圈可由 80Cr2 轴承钢冲制加工而成,外密封环用 0.5 厚板材冲制,表面有硫化氟橡胶,其密封刃口朝
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