膜片弹簧离合器设计

1、沈阳理工大学课程设计说明目录1结构方案分析11.1从动盘数的选择11.2 压盘的驱动方式12离合器主要参数的选择22.1后备系数22.2摩擦因数f、摩擦面数Z和离合器间隙t22.3摩擦片外径D、内径d和厚度b22.4单位压力P033离合器参数优化33.1设计变量43.2目标函数43.3约束条件43.3.1 最大圆周速度43.3.2 摩擦片内、外径之比c43.3.3 后备系数53.3.4 扭转减震器的优化53.3.5 单位压力P054膜片弹簧设计64.1膜片弹簧基本参数的选择64.1.1比值H/h和h的选择64.1.2 R/r比值和R、r的选择64.1.3 的选择64.1.4分离指数目n的选择6

2、4.1.5膜片弹簧小端内半径r0及分离轴承作用半径rf的确定64.1.6切槽宽度1、2及半径re的确定74.1.7压盘加载点的半径R1和支撑环加载点的半径r1的确定74.2膜片弹簧的优化设计74.3膜片弹簧的弹性特性曲线74.4强度校核85扭转减震器设计105.1 扭转减振器主要参数105.1.1 极限转矩Tj105.1.2 扭转刚度105.1.3 阻尼摩擦转矩T105.1.4 预紧转矩Tn105.1.5 减振弹簧的位置半径R0115.1.6 减振弹簧个数Zj115.1.7 减振弹簧总压力115.2 减振弹簧的计算115.2.1 减振弹簧的分布半径R1115.2.2 单个减振器的工作压力P11

3、5.2.3 减振弹簧尺寸116从动盘总成的设计146.1 从动盘毂146.2 从动片146.3 摩擦片147压盘设计157.1对压盘的设计要求157.2压盘材料158离合器盖设计168.1离合器盖总成结构设计要求168.2离合器盖材料16参考文献17171结构方案分析1.1从动盘数的选择单片离合器：单片离合器结构简单，轴向尺寸紧凑，散热良好，维修调整方便，从动部分转动惯量小，在使用时能保证分离彻底，采用轴向有弹性的从动盘可保证接合平顺。双片离合器：一般用于传递转矩且径向尺寸受到限制的场合。多片离合器：主要用于最大质量大于14吨的商用车的行星齿轮变速器换挡机构中。对乘用车和最大质量小于6吨的商用

4、车而言，发动机的最大转矩一般不大，在布置尺寸容许的条件下，离合器通常只设有一片从动盘。所以选择单片离合器。1.2 压盘的驱动方式压盘的驱动方式主要有凸块窗孔氏、传力销式、键块式和弹性传动片式等多种。前三种的共同特点是在连接件之间都有间隙，在传动中将产生冲击和噪声，而在零件相对滑动中有摩擦和磨损，降低了离合器的传动效率。弹性传动片是今年来广泛采用的驱动方式，沿圆周切向布置的三组或四组薄弹簧钢带传动片两端分别与离合器和压盘以铆钉和螺栓连接，传动片的弹性允许其作轴向移动。弹性传动片的驱动方式结构简单，压盘与飞轮对中性能好，使用平衡性好，工作可靠，寿命长。综上，选用三组传动片。2离合器主要参数的选择2

5、.1后备系数后备系数是离合器设计中的一个重要参数，它反映了离合器传动发动机最大转矩的可靠程度。在选择时，应考虑摩擦片在使用中的磨损后离合器仍能可靠的传递发动机的最大转矩、防止离合器滑磨时间过长、防止传动系过载以及操纵轻便等因素。乘用车选择：1.201.75，本次设计取=1.3。2.2摩擦因数f、摩擦面数Z和离合器间隙t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数。根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版）表2-4可知，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

6、金属陶瓷材料的摩擦因数f较大且稳定。本次取f=0.25（石棉基材料）。摩擦面数Z为离合器从动盘的两倍，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接合状态、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接合，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=4mm。2.3摩擦片外径D、内径d和厚度b摩擦片外径是离合器的重要参数，它对离合器的轮廓尺寸、质量和使用寿命有决定性的影响。根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版）式2-9， (2.1)式中摩擦片外径，mmTemax发动

7、机最大转矩，N· mKd为直径系数，根据车型选取14.6，根据汽车离合器（徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）表3.2.1可知，取D=200mm,d=140mm, b=3.5mm，C=d/D=0.7,1-C3=0.657。 2.4单位压力P0由公式: D3fZP（1-C3）=12Temax （2.2）得：P0=0.223Mpa。3离合器参数优化3.1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： (3.1)3.2目标函数离合器基本参数优化设计追求的目标，是

8、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 f(x)=min/4(D2-d2) (3.2)3.3约束条件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。3.3.1 最大圆周速度摩擦片的外径D（mm）的选取应使最大圆周速度VD不超过6570m/s，即 VD= （3.3）式中 ：VD为摩擦片最大圆周速度（m/s）；nemax为发动机最高转速（r/min）。符合要求。3.3.2 摩擦片内、外径之比c摩擦片的内、外径比c应在0.530.70范围内，本次设计

9、取c=0.7，符合要求。3.3.3 后备系数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，不同的车型值应在一定的范围内，最大的范围为1.24.0，本次设计取=1.30，符合要求。3.3.4 扭转减震器的优化为了保证扭转减振器的安装，摩擦片内径d必须大于减振器弹簧位置直径R0约为50mm，即d2R0+50mm。而减震器弹簧位置半径R0=0.3d=0.3x140=42mm，取R0=42mm，d-2 R0=140-42=5650mm。3.3.5 单位压力P0为了降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，对于不同的车型，单位压力P0根据所用的摩擦材料在一定的范围内选取，P0的最大范围为0.1

10、01.50MPa。本次设计P0=0.223MPa，符合要求。4膜片弹簧设计4.1膜片弹簧基本参数的选择4.1.1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1.52.0，板厚h为24mm取h=2.3mm ，即 H=1.7h=4mm。4.1.2 R/r比值和R、r的选择研究表明。R/r越大，弹簧材料利用率越低，弹簧越硬，弹性特性曲线受直径误差的影响越大，且应力越高。根据结构布置和压紧力的要求。R/r一般为1.201.35。为使摩擦片上的压力分布较均匀，推式膜片弹簧的R值宜为大于或等于，而=85mm ， 取R=94mm，而r=6978mm，则r=76

11、mm。4.1.3 的选择膜片弹簧自由状态下圆锥角与内截锥高度H关系密切，一般在9º15º范围内。= arctan H/(R-r)=12.5º ，符合要求。4.1.4分离指数目n的选择分离指数目n常取18，大尺寸膜片弹簧可取24，小尺寸膜片弹簧可取12。取分离指数目n=18。4.1.5膜片弹簧小端内半径r0及分离轴承作用半径rf的确定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。应大于。初选=32mm ，=35mm4.1.6切槽宽度1、2及半径re的确定1=3.23.5mm，2=910mm，re的取值满足r-re 2。本次设计取1=3.4mm ，2=10

12、mm， re r-2=76-10=66mm，故取re=65mm。4.1.7压盘加载点的半径R1和支撑环加载点的半径r1的确定r1应大于r且尽量接近r，R1应略小于R且尽量接近R。故取R1 =88mm, r1=78mm。4.2膜片弹簧的优化设计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）为了满足离合器的使用性能要求，弹簧的H/h与初始锥角H/(R-r)应在一定的范围内，即：1.5H/h=1.72.0；9 ºH/(R-r)=12.5 º15 º （2）膜片弹簧各部分有关尺

13、寸的比值应符合一定的范围，即：1.20R/r=1.21.35，702R/h=81100。（3）为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，拉式膜片弹簧的压盘的加载点半径应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即：（D+d）/4R1=88mmD/2（4）根据弹簧的结构布置要求，R1与R，r1与r，r0与rf只差应在一定的范围内，即：1R- R1=67，0r1- r=26，0rf -r0=24（5）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，因此其杠杆比应在一定范围内选取：2.3=4.24.5，符合要求。4.3膜片弹簧的弹性特性曲线假设膜片弹簧承载过程中，其子午断面上的某中性点转动。设通过支撑环和压盘的加载膜片弹簧上的

14、载荷F1(N)集中在支撑点处，加载点间的相对轴向变形为（mm），则膜片弹簧的弹性特性如下式表示： (4.1)式中：E弹性模量，钢材料取E=2.0×105MPa；泊松比，钢材料取=0.3；R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支撑环加载点半径，mm；H自由状态下碟簧部分内锥高度，mm；h膜片弹簧钢板厚度，mm。膜片弹簧的弹性特性曲线如图4-1所示：图4-1由图可知：1M=2.3mm,P1M=4620N, 1N=4.7mm，P1N=3600N, 1H=3.5mm, 1B=3.4mm,1c=4.95mm, 1A=1.75mm。

15、4.4强度校核 弹簧最大变形量为5.1mm。 (4.2) 带入相关数据得：1549N (4.3) (4.4)带入相关数据得1658Mpa，小于1700Mpa符合要求。 5扭转减震器设计5.1 扭转减振器主要参数5.1.1 极限转矩Tj根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版）式（231）知极限转矩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 Tj=(1.52.0) Temax （5.1）系数取2.0则Tj=2.0×118236（N·m）5.1.2 扭转刚度根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版），由经验公式初选k Tj即kTj13×23

16、63068（N·m/rad）5.1.3 阻尼摩擦转矩T根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版）式（236）可知,可按公式初选T T（0.060.17)Temax （5.2）取系数为0.1 T=0.1×118=11.8(N·m)5.1.4 预紧转矩Tn减振弹簧在安装时都有一定的预紧。根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版），Tn满足以下关系： Tn（0.050.15）Temax （5.3） TnT11.8N·m 而（0.050.15）Temax5.917.7N·m则初选Tn10N·m5.1.5 减振弹簧的位置半径R0 R0=

17、(0.600.75)d/2 (5.4)则取R0=0.6d/2=0.6×70=42(mm),可取为42mm。5.1.6 减振弹簧个数Zj根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版）表（26）知，当摩擦片外径D=250325mm时，Zj=68故取Zj=65.1.7 减振弹簧总压力当减振弹簧传递的转矩达到最大值Tj时，减振弹簧受到的压力F为 Tj/R0=236/0.042=5.619KN (5.5)5.2 减振弹簧的计算5.2.1 减振弹簧的分布半径R1根据根据汽车离合器（徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）知， R1的尺寸应尽可能大些，一般取R1=0.6d/2=42mm。5.2.2

18、 单个减振器的工作压力P P= /Z=5619/6=936.5 (N) (5.6)5.2.3 减振弹簧尺寸(1)弹簧中径Dc根据根据汽车离合器（徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）知，其一般由布置结构来决定，通常Dc=1115mm，故取Dc=11mm(2)弹簧钢丝直径d d= (5.7) 式中，扭转许用应力可取550600Mpa,故取为550Mpa 所以d=372mm，取3.7mm，符合d=35(3) 减振弹簧刚度k根据根据汽车离合器（徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版），应根据已选定的减振器扭转刚度值k及其布置尺寸R1确定，即 k= (5.8)则K=0.29N/mm(4)减振弹簧有效

19、圈数根据根据汽车离合器（徐石安，江发潮编著，清华大学出版社出版）知， i=4.01 (5.9)(5)减振弹簧总圈数n一般与有效圈数之间的关系为 n=+(1.52)=6 (5.10)减振弹簧最小高度 =24.62mm (5.11)弹簧总变形量 =P/K=936.5/290=3.23mm (5.12)减振弹簧总变形量 =27.85mm (5.13)减振弹簧预变形量 =10x1000/(290×6×42)=0.14mm (5.14)减振弹簧安装工作高度 =27.5-0.14=27.71mm (5.15) (6)从动片相对从动盘毂的最大转角最大转角和减振弹簧的工作变形量有关，其值为

20、 =3.24° (5.16)(7)限位销与从动盘毂侧边的间隙11=R2sin，1的一般为2.5-4mm，所以取1为3mm，则R2=53mm。(8)限位销直径d，一般为9.5-12mm，所以取为10mm。6从动盘总成的设计6.1 从动盘毂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，花键可根据摩擦片的外径 D与发动机的最大转矩选取。根据汽车设计（王望予编著，机械工业出版社出版）表27查出从动盘毂花键的尺寸。由于D=200mm,则查表可得：花键尺寸：齿数n=10，外径=29mm,内径23mm 齿厚b=4mm,有效齿长l=25mm。6.2 从动片从动片对离合器工作性能影响很大，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齿轮间的冲击。（2）从动盘应具有轴向弹性，使离合器结合平顺，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。材料选用中碳钢板（50号），厚度取为2mm，表面硬度为3540HRC。6.3 摩擦片摩擦片应满足以下要求： （1）摩擦因数较高且稳定，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）热稳定性要好 （5）磨合性要好，不至