汽车螺旋弹簧离合器的设计

摘要以内燃机在作为动力的机械传动汽车中，离合器是作为一个独立的总成而存在的。离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动局部与发动机飞轮相连，从动局部与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器，实际上是一种依靠其主、从动局部间的摩擦来传递动力且能别离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机与传动系平顺的接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系别离，减少变速器中换档齿轮间的冲击；在工作中受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，以防止传动系个零部件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪音。本车设计采用单片螺旋弹簧离合器。本车采用的摩擦式离合器是因为其结构简单，可靠性强，维修方便，目前大多数汽车都采用这种形式的离合器。而采用干式离合器是因为湿式离合器大多是多盘式离合器，用于需要传递较大转矩的离合器，而该车型不在此列。采用螺旋弹簧离合器是因为螺旋弹簧离合器具有很多优点：首先，由于螺旋弹簧具有非线性特性，因此可设计成当摩擦片磨损后，弹簧压力几乎可以保持不变，且可减轻别离离合器时的踏板力，使操纵轻便；其次，螺旋弹簧的安装位置对离合器轴的中心线是对的，因此其压力实际上不受离心力的影响，性能稳定，平衡性也好；再者，螺旋弹簧本身兼起压紧弹簧和别离杠杆的作用，使离合器的结构大为简化，零件数目减少，质量减小并显著地缩短了其轴向尺寸；另外，由于螺旋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，磨损均匀，也易于实现良好的散热通风等。由于螺旋弹簧离合器具有上述一系列的优点，并且制造螺旋弹簧的工艺水平也在不断地提高，因而这种离合器在轿车及微型、轻型客车上已得到广泛的采用，而且逐渐扩展到载货汽车上。从动盘选择单片式从动盘是一位其结构简单，调整方便。压盘驱动方式采用传动片式是因为其没有太明显的缺点且简化了结构，降低了装配要求又有利于压盘定中。选择拉式离合器是因为其较拉式离合器零件数目更少，结构更简化，轴向尺寸更小，质量更小；并且别离杠杆较大，使其踏板操纵力较轻。关键字：螺旋弹簧离合器螺旋弹簧离合器摩擦片减振盘第1章绪论引言以内燃机在作为动力的机械传动汽车中，离合器是作为一个独立的总成而存在的。离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动局部与发动机飞轮相连，从动局部与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器，实际上是一种依靠其主、从动局部间的摩擦来传递动力且能别离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机与传动系平顺的接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系别离，减少变速器中换档齿轮间的冲击；在工作中受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，以防止传动系个零部件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪音。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拟简单，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，都容易造成别离不彻底甚至出现主、从动件根本无法别离的自锁现象。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拟平顺，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，能到达更为满意的性能。浸在油中的盘片式离合器，盘子直径不能太大，以防止在高速时把油甩掉。此外，油也容易把金属盘片粘住，不易别离。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良，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廉价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，这和前面提到的创造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良使人们逐渐趋向于首选单片干式摩擦离合器，因为它具有从动局部转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、别离彻底等优点，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，离合器已在原有根底上得到不断改良，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，简化操作，已成为重型离合器当前的开展趋势。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良，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，摩擦外表温度较低(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。螺旋弹簧离合器的结构及其优点螺旋弹簧离合器的结构螺旋弹簧离合总成由螺旋弹簧、离合器盖、压盘、传动片和别离轴承总成等局部组成。1、离合器盖离合器盖一般为120°或90°旋转对称的板壳冲压结构，通过螺栓与飞轮联结在一起。离合器盖是离合器中结构形状比拟复杂的承载构件，压紧弹簧的压紧力最终都要由它来承受。2、螺旋弹簧螺旋弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周外表上开有许多均布的长径向槽，在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔，可以穿过支承铆钉，这局部称之为别离指；从窗孔底部至弹簧外圆周的局部形状像一个无底宽边碟子，其截面为截圆锥形，称之为碟簧局部。3、压盘压盘的结构一般是环形盘状铸件，离合器通过压盘与发动机紧密相连。压盘靠近外圆周处有断续的环状支承凸台，最外缘均布有三个或四个传力凸耳。4、传动片离合器接合时，飞轮驱动离合器盖带动压盘一起转动，并通过压盘与从动盘摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动；在离合器别离时，压盘相对于离合器盖作自由轴向移动，使从动盘松开。这些动作均由传动片完成。传动片的两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联接，一般采用周向布置。在离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转；在离合器别离时，可利用它的弹性恢复力来牵动压盘轴向别离并使操纵力减小。5、别离轴承总成别离轴承总成由别离轴承、别离套筒等组成。别离轴承在工作时主要承受轴向别离力，同时还承受在高速旋转时离心力作用下的径向力。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，其端面形状与别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。螺旋弹簧离合器的工作原理由图可知，离合器盖1与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当螺旋弹簧3被预加压紧，离合器处于接合位置时，由于螺旋弹簧大端对压盘5的压紧力，使得压盘与从动盘6摩擦片之间产生摩擦力。当离合器盖总成随飞轮转动时(构成离合器主动局部)，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〕别离位置1-离合器盖2-铆钉3-螺旋弹簧4-支撑环5-压盘6-摩擦片7-别离轴承总成8-离合器踏板9-输出轴螺旋弹簧离合器的工作原理图要别离离合器时，将离合器踏板8踏下，通过操纵机构，使别离轴承总成7前移推动螺旋弹簧别离指，使螺旋弹簧呈反锥形变形，其大端离开压盘，压盘在传动片的弹力作用下离开摩擦片，使从动盘总成处于别离位置，切断了发动机动力的传递。螺旋弹簧离合器的优点螺旋弹簧离合器与其他形式离合器相比，具有一系列优点：1、螺旋弹簧离合器具有较理想的非线性弹性特性；2、螺旋弹簧兼起压紧弹簧和别离杠杆的作用，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、螺旋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、螺旋弹簧中心与离合器中心线重合，平衡性好。设计内容1、压盘设计。2、离合器盖设计。3、从动盘总成设计。4、螺旋弹簧设计。Pro/E软件的特点Pro/Engineer是美国PTC公司开发的一套机械CAD/CAE/CAM集成软件，其技术领先，在机械、电子、航空、邮电、兵工、仿真等各行各业都有应用，在CAD/CAE/CAM领域中处于领先地位。它集零件设计、大型组件设计、钣金设计、造型设计、模具开发、数控加工、运动分析、有限元分析、数据库管理等功能于一身，具有参数化设计，特征驱动，单一数据库等特点，大大加快了产品开发速度。本设计使用的Pro/EngineerPro/Engineer的最新版本，其功能较以前的版本有了很大的提高，而且操作界面也更为好用，可以大大提高技术人员的工作效率。1.6方案选择本次设计采用单片螺旋弹簧离合器。本车采用的摩擦式离合器是因为其结构简单，可靠性强，维修方便，目前大多数汽车都采用这种形式的离合器。而采用干式离合器是因为湿式离合器大多是多盘式离合器，用于需要传递较大转矩的离合器，而该车型不在此列。采用螺旋弹簧离合器是因为螺旋弹簧离合器具有很多优点：首先，由于螺旋弹簧具有非线性特性，因此可设计成当摩擦片磨损后，弹簧压力几乎可以保持不变，且可减轻别离离合器时的踏板力，使操纵轻便；其次，螺旋弹簧的安装位置对离合器轴的中心线是对的，因此其压力实际上不受离心力的影响，性能稳定，平衡性也好；再者，螺旋弹簧本身兼起压紧弹簧和别离杠杆的作用，使离合器的结构大为简化，零件数目减少，质量减小并显著地缩短了其轴向尺寸；另外，由于螺旋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，磨损均匀，也易于实现良好的散热通风等。由于螺旋弹簧离合器具有上述一系列的优点，并且制造螺旋弹簧的工艺水平也在不断地提高，因而这种离合器在轿车及微型、轻型客车上已得到广泛的采用，而且逐渐扩展到载货汽车上。从动盘选择单片式从动盘是一位其结构简单，调整方便。压盘驱动方式采用传动片式是因为其没有太明显的缺点且简化了结构，降低了装配要求又有利于压盘定中。选择拉式离合器是因为其较拉式离合器零件数目更少，结构更简化，轴向尺寸更小，质量更小；并且别离杠杆较大，使其踏板操纵力较轻。综上本次设计选择单片拉式螺旋弹簧离合器。第2章根本尺寸参数选择离合器根本性能关系式摩擦片或从动盘的外径是离合器的重要参数，它对离合器的轮廓尺寸有决定性的影响，并根据离合器能全部传递发动机的最大转矩来选择。为了能可靠地传递发动机最大转矩，离合器的静摩擦力矩应大于发动机最大转矩，而离合器传递的摩擦力矩又决定于其摩擦面数Z、摩擦系数f、作用在摩擦面上的总压紧力PΣ与摩擦片平均摩擦半径Rm，即〔2.1〕式中：—离合器的后备系数，见下表。—摩擦系数，计算时一般取0.30。该车型发动机最大转矩为200N·m，取摩擦系数为可得离合器的静摩擦力矩为N·m[1]。离合器的后备系数，选择时应考虑摩擦片磨损后仍能传递及防止起步时滑磨时间过长；同时应考虑防止传动系过载及操纵轻便等。表后备系数表车型轿车轻型货车中、重型货车越野车牵引车后备系数～～～本设计是基于长城赛弗F1汽车的离合器设计，该车型属于越野车类型，应选择本次设计的后背系数β在～之间选择。因为该车型为城市越野车，不需要太大的后备系数，取=2.0。摩擦片外径是离合器的根本尺寸，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来确定DD的尺。表离合器尺寸选择参数表摩擦片外径D/mm发动机最大转矩Temax/N·m单片离合器双片离合器重负荷中等负荷极限值225—130150170250—170200230280—240280320300—260310360325—320380450350—410480550380—510600700410—6207208304303506808009304503808209501100所选的尺寸D应符合有关标准(JB1457-74)的规定。表2.2给出了离合器摩擦片的尺寸系列和参数。另外，所选的D应符合其最大圆周速度不超过65～70m/s的要求，且重型汽车不应超过50m/s。表离合器摩擦片尺寸系列和参数外径内径厚度内外径之比单位面积1601101060018012513200200140160002251502210025015530200280165402003001754660032519054600350195467800380205472900根据发动机参数该车型发动机最大转矩Temax为190N·m，且离合器摩擦片外径为250mm。再查表2.3即可得到摩擦片的具体参数，如下：摩擦片外径D=250mm摩擦片内径d=155mm摩擦片厚度摩擦片内外径比d/D单面面积F=30200mm2所示所示。然后在盘体上剪切出孔所示并进行阵列如图。图2.3摩擦片Pro/E建立过程3图2.4摩擦片Pro/E建立过程4结本章对离合器的摩擦片进行了设计选择，确定了离合器摩擦片的外径尺寸，对以后其他多个部件总成的外形尺寸选择起了决定作用。通过对摩擦片这个零件的设计选择，还可以间接确定离合器的外形尺寸等。第3章主动局部设计压盘参数的选择和校核压盘形状较复杂，要求传热性好、具有较高的摩擦系数及耐磨。故通常由灰铸铁HT200铸成，金相组织呈珠光体结构，硬度HB170～227。另外可添加少量金属元素(如镍、铁、锰合金等)以增强其机械强度。压盘的外径可根据摩擦片的外径由结构确定。为了使每次接合的温升不致过高，压盘应具有足够大的质量以吸收热量；为了保证在受热情况下不致翘曲变形，压盘应具有足够大的刚度且一般都较厚(载货汽车的离合器压盘，其厚度一般不小于15mm)。此外，压盘的结构设计还应注意其通风冷却要好，例如在压盘体内铸出导风槽。压盘的厚度初步确定后，应校核离合器一次接合的温升不应超过8℃～10℃温升τ的校核按式为：τ=γL/mc〔3.1〕式中：γ—传到压盘的热量所占的比率。对单片离合器，γ；m—压盘的质量，kg；c—压盘的比热容，铸铁的比热容为℃)；L—滑磨功，J。假设温升过高，可适当增加压盘的厚度。压盘单件的平衡精度应不低于15～20g·cm。选择压盘厚度为20mm，外径255mm，内径150mm。代入公式〔〕进行校核计算，℃符合标准[2，3]。压盘的Pro/E绘图过程所示所示，最后画出凸耳所示。1一般采用厚2.5～5mm的低碳钢钢板冲压制造。离合器盖的形状和尺寸由离合器的结构设计确定。在设计时要特别注意的是刚度、对中、通风散热等问题。离合器盖的刚度不够，会产生较大变形，这不仅会影响操纵系统的传动效率，还可能导致别离不彻底、引起摩擦片早期磨损，甚至使变速器换档困难。离合器盖内装有压盘、别离杠杆、压紧弹簧等，因此，其对于飞轮轴线的对中十分重要。对中方式可采用定位销或定位螺栓以及止口对中。为了加强通风散热和去除摩擦片的磨损粉末，在保证刚度的前提下，可在离合器盖上设置循环气流的入口和出口，甚至将盖设计成带有鼓风叶片的结构。本设计离合器盖要求离合器盖内径大于离合器摩擦片外径，能将其他离合器上的部件包括其中即可[4]。压盘与飞轮通过弹性传动片连接时，那么传动片应进行拉伸应力的强度校核；假设通过凸块一窗孔、传力销或键连接时，那么应进行挤压应力的强度校核：〔3.2〕式中：—考虑发动机转矩分配到压盘上的比例系数，单片离合器取；—力的作用半径(见图)，m；—工作元件(例凸块一窗孔、传动销、键)的数目，这里取3组每组4片；—接触面积，mm2，这里取长为65mm，宽为20mm，所以F=1300mm2。计算得[5]。1-传力装置；2-别离杠杆中间支承；3-支承叉；4-调整螺母本章对离合器主动件进行了设计、计算、选择及校核。主动件包括离合器盖、压盘等。这些部件都是给离合器传递扭矩的部件，他们共同的特点是都要有良好的散热能力，有能有效把在主动局部的热传递出去的能力。这些部件总成都是符合标准的部件，经过严格的校核计算，可以符合使用的标准，满足使用的需要。第4章从动盘总成设计离合器外表片在离合器接合过程中将遭到严重的滑磨，在相对很短的时间内产生大量的热，因此，要求面片应有以下一些综合性能：1、在工作时有相对较高的摩擦系数；2、在整个工作寿命期内应维持其摩擦特性，步希望出现，摩擦系数衰退现象；3、在短时间内能吸收相对高的能量，且有好的耐磨性能；4、能承受较高的压盘作用载荷，在离合器接合过程中表现出良好的性能；5、能抵抗高转速下大的离心力载荷而不破坏；6、在传递发动机转矩时，有足够的剪切强度；7、具有小的转动惯量，材料加工性能良好；8、在整个正常工作温度范围内，和对偶材料压盘、飞轮等有良好的兼容摩擦性能；9、摩擦副对偶面有高度的溶污性能，不易影响它们的摩擦作用；10、具有良好的性能/价格比，不会污染环境。鉴于以上各点，近年来，摩擦材料的种类增长极快。挑选摩擦材料的根本原那么是：1、满足较高性能标准；2、本钱最小；3、考虑代替石棉。本设计离合器摩擦片选用金属陶瓷材料。它是由金属机体、陶瓷成分和润滑剂组成的一种多元复合材料。金属基体的主要作用是以机体接合方式将陶瓷成分和润滑剂保持其中，形成具有一定机械强度的整体；陶瓷组分主要起摩擦剂作用；而润滑剂组分那么主要起提高材料抗咬合性和抗战粘性的润滑作用，并使摩擦副工作平稳。润滑剂组分和陶瓷组分一起共同形成金属陶瓷摩擦磨损性能调节剂。这种材料能和好的的完成上边提到的各种要求，所以选择这种材料。摩擦片的尺寸参数在第节中已经查表得出，不再表达[6]。从动盘毅的花键孔与变速器第一轴前端的花键轴以齿侧定心矩形花键的动配合相联接，以便从动盘毅能作轴向移动。花键的结构尺寸可根据从动盘外径和发动机转矩按GB1144-74选取(见表4.1)。从动盘毅花键孔键齿的有效长度约为花键外径尺寸的～1.4)倍(上限用于工作条件恶劣的离合器)，以保证从动盘毅沿轴向移动时不产生偏斜。表GB1144-74从动盘外径D/mm发动机转矩/Nm花键齿数n花键外径D/mm花键内径d/mm键齿宽b/mm有效齿长l/mm挤压应力/MPa160501023183201018070102621320200110102923425225150103226430250200103528435280280103532440300310104032540325380104032545350480104032550380600104032555410720104536560430800104536565450950105241665花键尺寸选定后应进行挤压应力(MPa)及剪切应力τj(MPa)的强度校核：〔4.1〕〔4.2〕式中：，—分别为花键外径及内径，mm；n—花键齿数；，b—分别为花键的有效齿长及键齿宽，mm；z—从动盘毅的数目；—发动机最大转矩，Nmm。从动盘毅通常由40Cr，45号钢、35号钢锻造，并经调质处理，HRC28～32。由表4.1选取得：花键齿数n=10；花键外径D=35mm；花键内径D=28mm；键齿宽b=4mm；有效齿长l=35mm；挤压应力；校核；符合强度得要求。从动片通常用～厚的钢板冲压而成。有时将其外缘的盘形局部磨薄至～，以减小其转动惯量。从动片的材料与其结构型式有关，整体式即不带波形弹簧片的从动片，一般用高碳钢(50或85号钢)或65Mn钢板，热处理硬度HRC38～48；采用波形弹簧片的分开式(或组合式)从动片，从动片采用08钢板，氰化外表硬度HRC45，层深～；波形弹簧片采用65Mn钢板，热处理硬度HRC43～51。振器设计扭转减振器的功能为了降低汽车传动系的振动，通常在传动系中串联一个弹性一阻尼装置，它就是装在离合器从动盘上的扭转减振器。其弹性元件用来降低传动系前端的扭转刚度，降低传动系扭振系统三节点振型的固有频率，以便将较为严重的扭振车速移出常用车速范围(当然，在实际中要做到这一点是非常困难的)；其阻尼元件用来消耗扭振能量，从而可有效地降低传动系的共振载荷、非共振载荷及噪声[7]。扭转减振器的结构类型的选择图4.1给出了几种扭转减振器的结构图，它们之间的差异在于采用了不同的弹性元件和阻尼装置。采用圆柱螺旋弹簧和摩擦元件的扭转减振器(见图a-d)得到了最广泛的应用。在这种结构中，从动片和从动盘毅上都开有6个窗口，在每个窗口中装有一个减振弹簧，因而发动机转矩由从动片传给从动盘毅时必须通过沿从动片圆周切向布置的弹簧，这样即将从动片和从动盘毅弹性地连接在一起，从而改变了传动系统的刚度。当6个弹簧属同一规格并同时起作用时，扭转减振器的弹性特性为线性的。这种具有线性特性的扭转减振器，结构较简单，广泛用于汽油机汽车中。当6个弹簧属于两种或三种规格且刚度由小变大并按先后次序进人工作时，那么称为两级或三级非线性扭转减振器(图e为三级的)。这种非线性扭转减振器，广泛为现代汽车尤其是柴油发动机汽车所采用。柴油机的怠速旋转不均匀度较大，常引起变速器常啮合齿轮轮齿问的敲击。为此，可使扭转减振器具有两级或三级非线性弹性特性。第一级刚度很小，称怠速级，对降低变速器怠速噪声效果显著。线性扭转减振器只能在一种载荷工况(通常为发动机最大转矩)下有效地工作，而三级非线性扭转减振器的弹性特性那么扩大了适于其有效工作的载荷工况范围，这有利于防止传动系共振，降低汽车在行驶和怠速时传动系的扭振和噪声。采用空心圆柱形见(图f)或星形等其他形状的橡胶弹性元件的扭转减振器，也具有非线性的弹性特性。虽然其结构简单、橡胶变形时具有较大的内摩擦，因而不需另加阻尼装置，但由于它会使从动盘的转动惯量显著增大，且在离合器热状态下工作需用专门的橡胶制造，因此尚未得到广泛采用。减振器的阻尼元件多采用摩擦片，在(图a)的结构中阻尼摩擦片的正压力靠从1-从动片；2-从动盘毂；3-摩擦片；4-减振弹簧；5-碟形弹簧垫片；6-压紧弹簧；7-减振盘；8-橡胶弹性元件动片与减振盘间的连接铆钉建立。其结构虽简单，但当摩擦片磨损后，阻尼力矩便减小甚至消失。为了保证正压力从而阻尼力矩的稳定，可加进碟形弹簧(图c，d)，同时采用不同刚度的碟形弹簧和圆柱螺旋压簧分别对两组摩擦片建立不同的正压力(图d)，就可实现阻尼力矩的非线性变化。扭转减振器的参数确定1、扭转减振器的角刚度减振器扭转角刚度Ca决定于减振弹簧的线刚度及结构布置尺寸，按以下公式初选角刚度Ca≤13〔4.3〕式中：为极限转矩，按下式计算=～〕〔4.4〕式中：适用乘用车，适用商用车，本设计为商用车，选取1.5，为发动机最大扭矩，代入数值得=380，Ca≤本设计初选Ca=7000N·m/raD。2、扭转减振器最大摩擦力矩由于减振器扭转刚度Ca受结构及发动机最大转矩的限制，不可能很低，故为了在发动机工作转速范围内最有效地消振，必须合理选择减振器阻尼装置的阻尼摩擦转矩。一般可按下式初选为=〔～〕〔〕取5，本设计按其选取=N·m。3、扭转减振器的预紧力矩减振弹簧安装时应有一定的预紧。这样，在传递同样大小的极限转矩它将降低减振器的刚度，这是有利的，但预紧力值一般不应该大于摩擦力矩否那么在反向工作时，扭转减振器将停止工作。一般选取～〕=19N·m。4、扭转减振器的弹簧分布半径减振弹簧的分布尺寸R1的尺寸应尽可能大一些，一般取R1～〕D/2〔4.6〕其中D为摩擦片内径，代入数值，得R1=56mm。5、扭转减振器弹簧数目可参考表4.1选取，本设计D=250mm，应选取Z=4。减振弹簧的选取离合器摩擦片外径减振弹簧数目Z225～2504～6250～3256～8325～3558～10>35010以上6、扭转减振器减振弹簧的总压力当限位弹簧与从动盘毂之间的间隙被消除时，弹簧传递扭矩到达最大Tj=〔4.7〕式中：的计算应按Tj的大者来进行=678.57N。每个弹簧工作压力〔4.8〕=169.64N。7、从动片相对从动盘毂的最大转角〔4.9〕=4.528、限位销与从动盘缺口侧边的间隙〔4.10〕式中：R2为限位销的安装半径，λ一般为2.5～4mm。本设计取λ=3。9、限位销直径限位销直径按结构布置选定，一般=9.5～12mm，本设计取=11。10、从动盘毂缺口宽度及安装窗口尺寸为充分利用减振器的缓冲作用，将从动片上的局部窗口尺寸做的比从动盘毂上的窗口尺寸稍大一些，如下图。图4.2从动盘窗口尺寸简图一般推荐A1-A=a=1.4～16mm。这样，当地面传来冲击时，开始只有局部弹簧参加工作，刚度较小，有利于缓和冲击。本设计取a=，A=25mm，A1=减振弹簧的尺寸确定在初步选定减振器的主要尺寸后，即可根据布置上的可能来确定和减振弹簧设计的相关尺寸。弹簧的平均直径：一般由结构布置决定，通常选取=11～15左右。本设计选取=12。弹簧钢丝直径：〔4.11〕式中：扭转许用应力=550～600MPa，D1算出后应该圆整为标准值，一般为3～4mm左右。代入数值，得98，符合上述要求。[8]减振弹簧刚度：〔4.12〕=N/mm减振弹簧的有效圈数：=〔4.13〕式中：G为材料的扭转弹性模数，对钢=83000N/mm2，代入数值，得=。减振弹簧的总圈数=5.98。减振弹簧在最大工作压力P时最小长度：〔4.14〕式中：=0.337为弹簧圈之间的间隙。减振弹簧的总变形量：〔4.15〕=减振弹簧的自由高度：〔6〕=2减振弹簧的预变形量：〔7〕=减振弹簧安装后的工作高度：〔8〕=24.4.5扭转减振器的Pro/E绘图过程首先画出减振盘如图4.3，图4.4所示；图4.3减振盘Pro/E建立过程1图4.4减振盘Pro/E建立过程2再画出减振弹簧如图4.5，图4.6所示；图4.5减振盘Pro/E建立过程3图4.6减振盘Pro/E建立过程4最后进行装备如图4.7所示。图4.7减振盘Pro/E建立过程5本章小结本章对离合器从动盘各部件总成进行了设计计算及校核。从动盘包括摩擦片、扭转减振器、波形弹簧、从动盘毂及其他一些起紧固、传递力作用的零件。考虑了其各方面的要求及特征，改良了原零件的一些设计方案和材料，使整体效果更好一些。并能提高离合器本身的使用寿命及汽车的舒适性等。第5章螺旋弹簧设计螺旋弹簧的概念螺旋弹簧的大端处为一完整的截锥，类似无底的碟子，和一般机械上用的碟形弹簧一样，故称作碟簧局部。螺旋弹簧起弹性作用的正是其碟簧局部。与碟形弹簧不同的是在螺旋弹簧上还有径向开槽局部，形成许多称为别离指、起别离杠杆作用的弹性杠杆。别离指与碟簧局部小端交接处的径向槽较宽且呈长方孔，别离指根部的过渡圆角半径应大于，以减少别离指根部的应力集中，长方孔又可用来安置销钉固定螺旋弹簧。螺旋弹簧的弹性特性螺旋弹簧的弹性特性是由其碟簧局部所决定，是非线性的，与自由状态下碟簧局部的内锥高H及弹簧的钢板厚h有关。不同的H/h值有不同的弹性特性(见图5.1)。当(H/h)<时，P为增函数，这种弹簧的刚度大适于承受大载荷并用作缓冲装置中的行程限制。当(H/h)=，特性曲线上有一拐点，假设(H/h)=1.5≈，那么特性曲线中段平直，即变形增加但载荷P几乎不变，故这种弹簧称零刚度弹簧。当<H/h)<2，那么特性曲线中有一段负刚度区域，即变形增加而载荷反而减小。这种特性很适于作为离合器的压紧弹簧。因为可利用其负刚度区使别离离合器时载荷下降，到达操纵省力的目的。当然，负刚度也不宜过大，以免弹簧工作位置略微变动就引起弹簧压紧力过大的变化。为兼顾操纵轻便及压紧力变化不大，汽车离合器螺旋弹簧通常取1.5<(H/h)<2。当(H/h)=那么特性曲线的极小点落在横坐标轴上；当(H/h)>2，那么特性曲线具有更大的负刚度区且具有载荷为负值的区域。这种弹簧适于汽车液力传动中的锁止机构[9，10，11]。碟形弹簧当其大、小端部承受压力时，载荷P与变形久之间有如下关系：〔5.1〕式中：E—弹性模量，对于钢：E=21X104MPaμ—波桑比，钢材料取μ=0.3；h—弹簧钢板厚度，mm；H—碟簧的内截锥高，mm；R—碟簧大端半径，mm；A—系数，m—碟簧大、小端半径之比，m=R/r。汽车离合器螺旋弹簧在实际安装中的支承点如图4-10所示。自由状态；〔b〕结合状态；〔c〕别离状态螺旋弹簧在离合器接合和别离状态时的受力以及变形()经过整理式〔〕可得如下关系式：〔〕利用式〔〕可绘制出螺旋弹簧的—特性曲线，如下图。图5.3螺旋弹簧特性曲线〔〕式〔〕即为别离轴承推力与螺旋弹簧变形的关系式。将〔〕与〔〕代入〔〕中，〔〕〔〕可得到与的关系式〔〕，式中为别离轴承作用半径=25mm〔〕螺旋弹簧的强度计算前述螺旋弹簧的载荷与变形之间的关系式，是在假定螺旋弹簧在承载过程中，其子午截面无变形而只是刚性地绕该截面上的某一中性点O转动的条件下推导出的。根据这一假定可知，截面在O点处沿圆周方向的切向应变为零，因而该点处的切向应力亦为零。O点以外的截面上的点，一般均产生切向应变，故亦有切向应力。假设如图5.4所示以中性点O为坐标原点在子午截面处建立x-y坐标系，那么截面上任意点的切向应力为：〔5.8〕式中：—碟簧局部子午截面的转角，rad；—螺旋弹簧自由状态时的圆锥底角，rad；图5.4中性点O为坐标原点在子午截面处建立x-y坐标系—中性点O的半径，mm；。经计算=537MPa，不大于1500~1700Mpa，符适宜用强度。螺旋弹簧根本参数的选择1、螺旋弹簧原始内截锥高与弹簧片厚度比的选择此比值对螺旋弹簧的弹性特性影响极大，因此，要利用H/h对弹簧特性的影响正确地选择该比值，以得到理想的特性曲线及获得最正确的使用性能。一般汽车的螺旋弹簧离合器多取：其中：h为钢板厚度，取3mm，H/h取等于那么螺旋弹簧原始内截锥高。2、螺旋弹簧工作点位置的选择汽车离合器螺旋弹簧特性曲线的形状如图5.5所示。选择好曲线上的几个特定工图5.5螺旋弹簧工作位置图作点的位置很重要。拐点T对应着螺旋弹簧的压平位置，而τ为曲线凸点M和凹点N的横坐标平均值。B点为新离合器(摩擦片无磨损)在接合状态时的工作点，通常取在使其横坐标为=(0.8～1.0)τ的位置，以保证摩擦片在最大磨损后的工作点A处压紧力变化不大。摩擦片总的最大允许磨损量可按下式求得：〔5.9〕式中：—离合器的摩擦片工作外表数目，例单片=2；—每个摩擦工作外表的最大允许磨损量，一般为=0.5～lmm。C点为离合器彻底别离时的工作点。它以靠近N点为好，以减小别离轴承的推力使操纵轻便。这里本离合器为单片式离合器，所以=2，该车型以城市公路为主，再考虑经济性，故取=lmm。由上可知=2mm。3、螺旋弹簧大端半径及大端半径与别离指半径比的选择螺旋弹簧的大端半径R应根据结构要求和摩擦片的尺寸来确定。比值R/r的选定影响到材料的利用效率。R/r愈小，那么弹簧材料的利用效率愈好。碟形弹簧储存弹性能的能力在为最大，用于缓和冲击、吸收振动等需要储存大量弹性能的碟簧最正确。但对汽车离合器螺旋弹簧来说，并不要求储存大量的弹性能，而应根据结构布置及压紧力的需要，通常取(即左右)[17，18]。螺旋弹簧大端半径即为摩擦片外径取R=250mm。而，所以r=200mm。4、螺旋弹簧在自由状态下的圆锥底角螺旋弹簧在自由状态下的圆锥底角α在10°～12°范围内选择。取α=10°。5、螺旋弹簧小端半径及别离轴承作用半径螺旋弹簧小端半径由离合器的结构决定，其最小值应大于变速器第一轴的花键外径。别离轴承作用半径为标准件，应大于。按华健外径选用，也应大于华健外径35mm，取=20mm。6、别离指的数目和切槽宽及半径别离指的数目n多取为18；切槽宽=3.2～3.5mm；=9～l0mm；半径的取值应满足(r-)>δ2的要求。选取=3.3mm，=9mm；=90mm，其满足(r-)>的要求[17，18，19]。7、支承圈平均半径和螺旋弹簧与压盘的接触半径支承圈平均半径与螺旋弹簧与压盘的接触半径的取值将影响螺旋弹簧的刚度。应略大于r且尽量接近r；应略小于R且尽量接近于R。螺旋弹簧的Pro/E绘图过程先拉伸出一个整体的外形如图5.6，图5.7所示，图5.6螺旋弹簧Pro/E建立过程1图5.7螺旋弹簧Pro/E建立过程2然后对其进行抽壳处理如图5.8所示，图5.8螺旋弹簧Pro/E建立