桑塔纳膜片弹簧离合器设计
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JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文(设 计)题目: 桑塔纳膜片弹簧离合器设计 学 院:工 学 院姓 名:林 尤 茂学 号:20090978专 业:农业机械化及其自动化年 级:农机091指导教师:许 静 职 称:讲师 二 零 一 三 年 六 月摘要离合器是汽车传动系中的重要部件。安装在发动机与变速器之间,用来传递或切断发动机的动力输出。其功用为:使汽车平稳起步;中断给传动系的动力,配合换挡;防止传动系过载。本文是基于新桑塔纳2013款1.4L手动舒适版车型来设计的。首先通过查阅相关资料了解到膜片弹簧离合器具有转矩大容量大、稳定,操作简易轻便,平衡性好、维修方便和可大量生产等优点,因此近年来它广泛地应用在轿车和轻型汽车上。再结合拉式膜片弹簧离合器的工作原理和使用要求,最终采用系统化设计方法,根据车辆的使用条件与数,按照离合器一般的设计步骤要求进行离合器相关参数的选择、计算、校核和机构设计。关键词:离合器,摩擦片,扭转减震器,压盘,膜片弹簧The design of Diaphragm spring cluth for SantanaThe clutch is an important component of the vehicle power train. Installed between the engine and the transmission, and is used to pass or cut off the power of the engine output. Its purpose: making the car a smooth start; interruption to the power transmission system, with the shift; prevent driveline overload.This article is based on the new Santana 2013 models 1.4L manual comfort Version. Access to relevant information learned first diaphragm spring clutch with torque capacity, stable, lightweight and easy to operate, good balance, easy maintenance and can be mass-produced, so some years it is widely used in cars and light-duty vehicles . Working principle and application requirements, combined with the pull-type diaphragm spring clutch systematic design method, Finally, according to the conditions of use of the vehicle and its configuration parameters, the general steps in accordance with the clutch requirements clutch parameter selection, calculation, checking and institutional design.Keywords: clutch friction plate, reversing the shock absorbers, pressure plate, diaphragm spring1.1 引言11.2离合器的概述11.2.1离合器的功用:11.2.2 离合器的设计要求21.2.3 离合器的工作原理31.2.4膜片弹簧离合器的优点4第2章 离合器结构方案选取42.1 离合器车型的选定42.2 离合器的结构设计52.2.1从动盘数的选择52.2.2 压紧弹簧的结构形式及布置52.2.3 压盘的驱动方式62.2.4 分离轴承的类型72.2.5 离合器的通风散热8第3章 离合器的基本参数的选择93.1 后备系数93.2 摩擦片外径D、内径d和厚度b93.3 摩擦因数f、摩擦面数z和离合器间隙t的选取113.4 单位压力的确定113.5 离合器参数的约束条件计算12第四章 离合器的设计计算124.1从动盘的设计124.2 离合器压盘设计184.2.1 压盘传力方式的选择184.2.2 压盘几何尺寸的确定184.2.3 离合器盖的设计194.3 扭转减震器的设计204.3.1 扭转减震器概述204.3.2扭转减震器参数计算214.3.3 减震弹簧的设计计算214.4 膜片弹簧的设计224.4.1 膜片弹簧离合器主要参数的选择224.4.2 膜片弹簧的载荷与变形关系234.4.3 膜片弹簧的强度计算25致谢29参考文献30第一章 绪 论1.1 引言汽车是重要的交通运输工具,是科学技术发展的重要标志,随着现代生活的节奏越来越快,人们对交通工具的要求也越来越来高。汽车作为最普遍的交通工具,在日常生活和工作中起着重要作用。加之近年来随着经济的发展加上各国政府都加大从基金、技术方面的投入来大力发展汽车工业,使其处在发展的一个黄金时期。因此,汽车工业的规模及产品质量就成为衡量一个国家技术的重要标志之一。在以内燃机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,它是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成。目前,各种汽车所广泛应用的摩擦式离合器主要是依靠其主、从动部分之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。随着汽车发动机转速、功率的不断提高和汽车电子技术的飞速发展,人们对离合器的要求越来越高。因此,提高离合器的可靠性和延长使用寿命,适应发动机的高转速,增加离合器传递的转矩能力并简化操纵过程,已成为离合器的发展趋势。1.2离合器的概述1.2.1离合器的功用: (1)在汽车起步时,通过离合器主动部分(与发送机曲轴相连)和从动部分(于变速箱第一轴相连)之间的滑动摩擦,转速逐渐接近,使旋转着发送机和原为静止的传动系平稳地结合,以保证汽车平稳起步。(2)当变速器换挡时,通过离合器主、从动部分迅速分离来切断动力传递,以减轻换挡时轮齿间的冲击,便于换挡。(3)当传给离合器的转矩超过其所能传递的最大转矩(即离合器的最大摩擦力矩)时,其主、从动部分将产生滑磨。这样,离合器就起着防止传动系过载的作用。1.2.2 离合器的设计要求为了能保证离合器具有良好的工作性能,设计离合器应满足如下基本要求:(1) 在任何行驶条件下,既能可靠地传递发动机的最大转矩,又能防止传动系过载。(2) 结合完全且平顺,柔和。即要求离合器所传递的扭矩能缓和地增加,避免汽车起步时冲撞或抖动。(3) 分离迅速、彻底。若换挡时离合器分离不彻底,则飞轮上的力矩将继续有一部分传入变速器,从而使换挡变得困难,引起齿轮的冲击响声。(4) 作性能(最大摩擦力矩或后备系数)稳定,即作用在摩擦片上的总压力不应因摩擦表面的磨损而又明显变化,摩擦系数在离合器工作过程中应稳定。(5) 离合器从动部分转动惯量要小,以减轻换挡时齿轮间的冲击,并便于换挡和减小同步器的磨损。(6) 避免传动系共振,具有吸收振动、冲击和降低噪声的能力。(7) 应有足够的吸热能力,并且散热通风良好来保证工作温度不至于过高,延长其使用寿命。(8) 结构简单、操作轻便。既减轻驾驶员的疲劳又 有利于调整、拆装、维修等。(9) 设计时应注意旋转件的动平衡要求和离心力的影响。1.2.3 离合器的工作原理 如图所示,摩擦离合器一般是由主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。离合器在结合状态时,发送机扭矩自曲轴传出,通过飞轮2和压盘借摩擦作用传给从动盘3,再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8,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5上的支柱为支点,而外端与压盘连接,因此能克服压紧弹簧的力量拉动压盘向左,这样,从动盘3两面的压力消失,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。当放开脚踏板。回位弹簧克服各拉杆接头和支撑中的摩擦力,使踏板返回原位,此时压紧弹簧就推动压盘向右,仍将从动盘3压紧在飞轮2上,这样发动机的扭矩又传入变速器。图1.1 离合器总成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1.2.4膜片弹簧离合器的优点 膜片弹簧离合器和其他形式的离合器相比,具有以下优点:(1) 弹簧膜片具有较理想的非线性弹性特性,弹簧压力在摩擦片的允许磨损范围内基本保持不变,因而离合器工作中能保持传递的转矩大致不变。(2) 膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用,结构简单、紧凑,轴向尺寸小,零件数目少,质量小。(3) 膜片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,也易于实现良好的通风散热,使用寿命长。第2章 离合器结构方案选取2.1 离合器车型的选定本设计所针对的车型是新桑塔纳2013款1.4L手动舒适版,其主要基本参数见表3-1。表2-1车型新桑塔纳整车质量1100Kg轮胎型号185/60 R16发动机最大功率66Kw发动机最大扭矩132N.m发送机最大功率转速5500r/min2.2 离合器的结构设计2.2.1从动盘数的选择 单片离合器只有一个从动盘,对于普通的乘用车及轻型车它们的发动机最大转矩一般不是很大,因此大都采用单片离合器。 单片离合器的结构简单,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结合平顺。双片离合器与单片离合器相比,由于摩擦面数增加一倍,因而传递转矩的能力比较大;在传递相同转矩的情况下,径向尺寸较小,踏板力较小,另外结合较为平顺。但中间压盘通风不良,两片起步负载不均,因而容易烧坏摩擦片,分离也不够彻底。近年来,由于摩擦材质的提高,单片离合器在某些重型汽车上的应用也渐多(发动机的最大转矩不超过1000N.m时)。根据本次设计参数、对比各种从动盘数离合器的优缺点,整体考虑 ,最终本次设计选择单片干式膜片离合器。2.2.2 压紧弹簧的结构形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,弹簧压力在摩擦片的允许磨损范围内基本保持不变,因而离合器在工作中能保持传递的转矩大致不变;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,弹簧压紧力降低的程度较周置圆柱弹簧离合器明显减小,所以摩擦力矩降低很少,性能稳定。(4)膜片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,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)膜片弹簧中心线与和力气中心线重合,平衡性好。2.2.3 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。压盘的驱动方式主要有凸块窗孔式、传力销式、键块式和弹性传动片式。前三种的共同缺点是在连接件之间都有间隙,在传动中将产生冲击和噪声,而且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。弹性传动片式是近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盖和压盘以铆钉或螺栓联接,传动片的弹性允许其作轴向移动。当发动机驱动时,传动片受拉,当拖动发动机时,传动片受压。弹性传动片驱动方式的结构简单,压盘与飞轮对中性能好,使用平衡性好,工作可靠,寿命长。因此,本设计选用弹性传动片式。2.2.4 分离轴承的类型 分离轴承在工作中主要承受轴向力,在分离离合器时由于分离轴承旋转产生离心力,形成其径向力。故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.常用含润滑油脂的密封止推球轴承;小型车有时采用含油石墨止推滑动轴承。分离轴承与膜片弹簧之间有沿圆周方向的滑磨,当两者旋转中不同心时也伴有径向滑磨。为了消除因不同心导致的磨损并使分离轴承与膜片弹簧内端接触均匀,膜片弹簧离合器广泛采用自动调心式分离装置。它有内圈旋转轴承,轴承罩,波形片簧,它由厚约为0.7的65Mn钢带制成,油淬、模内回火度4351HRC及分离套筒组成。由于轴承与套筒间都留有足够径向间隙以保证分离轴承相对于分离套筒可以径向移动1mm左右,所以当膜片相对分离套筒有偏斜时,由于波形片簧能够产生变形,允许分离轴承产生相对的偏斜,以保证膜片弹簧仍能被均匀的压紧,也防止了膜片弹簧分离指处的异常磨损并减少了噪音。另外由于分离指与直径较小的轴承内圈接触,则增大了膜片弹簧的杠杆比。分离套筒支撑着分离轴承并位于变速器第一轴轴承盖的轴颈上,可以轴向移动。分离器结合后,分离轴承与分离杠杆之间一般有34mm间隙,以免在摩擦片磨损后引起压盘压力不足而导致离合器打滑使摩擦片以及分离轴承烧坏。此间隙使踏板有段自由行程。有的轿车采用无此间隙的内圈恒转式结构,用轻微的油压或弹簧力使分离轴承与杠杆端(多为膜片弹簧)经常贴合,以减轻磨损和减少踏板行程。2.2.5 离合器的通风散热 在离合器的分离和结合过程中,由于摩擦会产生大量的热。这些因摩擦而产生的热量会使压盘温度过高,导致摩擦片过度磨损,因此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。在正常使用条件下,离合器的压盘工作表面的温度一般均在180以下,随着其温度的升高,摩擦片的磨损将加快。当压盘工作表面的温度超过180200时,摩擦片的磨损速度将急剧升高。在特别严酷的使用条件下,该温度有可能达到1000。在高温下压盘会翘曲变形甚至产生裂纹和碎裂;由石棉摩擦材料制成的摩擦片也会烧裂和破坏。为防止摩擦表面的温度过高,除压盘应具有足够的质量以保证有足够的热容量外,还应使其散热通风良好。为此,可在压盘上设置散热筋或鼓风筋;在双片离合器中间压盘体内铸出足够多的导风槽,这种结构措施在单片离合器压盘上也开始应用;将离合器盖和压盘设计成带有鼓风叶片的结构;在保证有足够刚度的前提下在离合器盖上开出较多或较大的通风口,以加强离合器表面的通风散热和清除摩擦产生的材料粉末,在离合器壳上设置离合器冷却气流的入口和出口等所谓通风窗,在离合器壳内装设冷却气流的导罩,以实现对摩擦表面有较强定向气流通过的通风散热等。为防止压盘的受热翘曲变形,压盘应有足够大的刚度,鉴于以上对质量和刚度的要求,一般压盘都设计得比较厚,一般约为1525mm。第3章 离合器的基本参数的选择3.1 后备系数后备系数是离合器设计中的一个重要参数,它反映了离合器传递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地传递发动机最大转矩、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。显然,为了可靠地传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨时间过长,不一选的太小。为使离合器尺寸不致过大,减少传动系过载,保证操作轻便,又不宜选得太大。各类汽车离合器的取值范围见下表3-1。基于本次设计的实际情况与要求,选取=1.30。表3-1离合器后备系数的取值范围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1.804.003.2 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。摩擦片外径D(mm)可根据发送机的最大转矩Teamx(Nm)按如下经验公式选取 (3-1) 式中,KD为直径系数,取值范围见表3-2。取KD=15 得D=172表3-2直径系数KD的取值范围车型直径系数乘用车14.6最大总质量为1.814.0t的商用车16.018.5(单片离合器)13.515.0(双片离合器)最大总质量大于14.0t的商用车22.524.0 按Teamx初选D以后,再根据摩擦片的尺寸的系列化和标准化原则,结合下表3-3离合器摩擦片尺寸系列和参数(部分),可选取摩擦片相关标准尺寸:外径D=180mm 内径d=125mm 内径与外径比值C=0.694单面面积F=13200mm2表3-3离合器摩擦片尺寸系列和参数外径内径厚度b/mm内外径之比单位面积1601103.20.687106001801253.50.694132002001403.50.700160002251503.50.667221002501553.50.620302003001753.50.583466003251903.50.585546003.3 摩擦因数f、摩擦面数z和离合器间隙t的选取 摩擦片的摩擦因数f取决于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。各种摩擦材料的摩擦因数f的取值范围见表3-4。表3-4 摩擦因数f的取值范围摩擦材料摩擦因数f石棉基材料模压0.200.25编织0.250.35粉末冶金材料铜基0.250.35铁基0.350.50金属陶瓷材料0.4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。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,在分离轴承和分离杆杠的内段之间留有间隙,该间隙t一般为34mm。取t=3mm。3.4 单位压力的确定单位压力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的影响,选取时应考虑离合器的工作条件、发动机后背功率的大小、摩擦尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。由公式得:满足约束条件,符合要求。3.5 离合器参数的约束条件计算 (1)摩擦片外径D的选取应使最大圆周速度不超过6570m/s,即 (3-2)式中,为最大圆周速度(m/s),为最大功率转速n(r/min)。(2) 摩擦片内、外径之比c应在0.530.70范围内,即 第四章 离合器的设计计算4.1从动盘的设计4.1.1从动盘结构介绍 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。其结构如图4.1所示图4.1 带扭转减振器的从动盘 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4.1.2 从动盘设计从动盘总成由摩擦片、从动片、减振器和从动盘毂等组成。它对离合器工作性能影响很大,但是其工作寿命薄弱,因此在结构和材料上的选择是设计的重点。从动盘总成应满足如下设计要求:(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。(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。4.1.3 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)。离合器的从动盘转速的变化将引起惯性力,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1.32.0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0.651.0,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,因为设计的是新桑塔纳2013款小型轿车的离合器,故可以采用整体式弹性从动片,离合器从动片采用2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180,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。4.1.4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,它几乎承受发动机传来的全部转矩。它一般采用齿侧对的矩形花键安装在变速器的第一轴上。设计时花键的结构尺寸可根据从动盘外径和发动机转矩按国标GB114474如表3-5来选取。表4-1 从动盘毂花键尺寸系列从动盘外径D/mm发动机的最大转矩Temax/Nm花键尺寸挤压应力j/Mpa齿数N外径D/mm内径d/mm齿厚b/mm有效齿长L/mm16050102318320101807010262132011.820011010292342511.322515010322643011.525020010352843510.428028010353244012.730031010403254010.732538010403254511.635048010403255013.2这里根据设计查表选取花键尺寸选定后应进行强度校核:作用在一个从动盘花键上的圆周力为 (4-1)挤压应力为 (4-2)式中,n为花键齿数,n=10; L为花键有效齿长;L=20mm; z为从动盘数,z=2;为花键外径,=26mm;为花键内径,=21mm。4.1.5摩檫片的材料选取及与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:(1)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;(2)要有足够的耐磨性,尤其在高温时应耐磨;(3)要有足够的机械强度,尤其在高温时的机械强度应较好;(4)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;(5)磨合性能要好,不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面;(6)油水对摩擦性能的影响应最小;(7)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导致摩擦系数的下降和磨损的加剧。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。4.2 离合器压盘设计4.2.1 压盘传力方式的选择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,所以它必须与飞轮有一定的联系,但这种联系又应允许压盘在离合器分离过程中能自由地做轴向移动,使压盘和从动盘脱离接触。4.2.2 压盘几何尺寸的确定 在摩擦片的尺寸确定后与它摩擦接触的压盘内、外径尺寸也就基本确定下来了。这样,压盘几何尺寸最后归结为如何去确定它的厚度。压盘外径D=190mm 压盘内径d=115mm压盘的厚度确定主要依据以下两点:(1)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。 由于用石棉(或其他有机物)材料制成的摩擦片导热性比较差,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。(2)压盘应具有较大的刚度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(一般不小于10mm),而且在内缘做成一定锥度以弥补压盘因受热变形后内缘的凸起。这次设计取厚度为16mm。4.2.3 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:(1)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。因此为了减轻重量和增加刚度,该离合器盖采用厚度约为4的低碳钢板冲压成带加强筋和卷边的复杂形状。(2)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。(3)离合器的对中问题离合器盖内装有分离杠杆、压盘、压须有良好的对中,紧弹簧等重要零件,因此它相对与飞轮必否则会破坏离合器的平衡,严重影响离合器的工作。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。4.3 扭转减震器的设计4.3.1 扭转减震器概述扭转减振器主要由弹性元件(减振弹簧或橡胶)和阻尼元件(阻尼片)等组成。弹性元件的主要作用是降低传动系的首段扭转刚度,从而降低传动系扭转系统的某阶(通常为三阶)固有频率,改变系统的固有振型,使之尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振;阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量。因此,扭转减振器具有如下功能:(1)降低发机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度,调谐传动系扭振固有频率。(2)增加传动系扭振阻尼,抑制扭转共振响应振幅,并衰减因冲击而产生的瞬态扭振。(3)控制动力传动系总成怠速时离合器与变速器轴系的扭振,消减变速器怠速噪声和主减速器与变速器的扭振及噪声。(4)缓和非稳定工况下传动系的扭转冲击载荷,改善离合器的接合平顺性。扭转减震器的结构如下图4.2所示,图4.2 扭转减震器结构示意图4.3.2扭转减震器参数计算(1)扭转减震极限转矩 一般可取=(1,52.0)式中,乘用车系数通常取2.0 即 (2)扭转减震器角刚度 设计时,可按经验初选 (3)扭转减震器阻尼摩擦转矩 一般可取式中,在这取0.1 即 (4) 预紧转矩 4.3.3 减震弹簧的设计计算本次设计弹簧所选材料是碳素弹簧钢丝,旋绕比=5,则校正系数(1)减震弹簧的安装位置R0 ,一般取 R =(0.600.75)d/2,在这取,。 (2)减震弹簧个数Z Z参照表4-2的选取。摩擦片外径D/mm225250250325325350350减震弹簧个数Z466881010 摩擦片外径D=180mm,选取Z=6(3) 减震弹簧总压力 ;单个减震弹簧的工作压力F F=/Z=1174N(4) 弹簧刚度K 。式中为离合器分离过程中弹簧的变形量,为弹簧最大压力,一般不大于(1.151.20)F。查资料取得=0.4,(5)弹簧钢丝直径d ,弹簧中径。(6)弹簧工作圈数 ,取=4总圈数一般比工作圈多1.52圈,即n=6(7)弹簧的最小高度 (8)弹簧总变形量 (9) 弹簧的自由高度(10) 弹簧预变形量(11) 弹簧安装工作高度 (12)限位销的直径 按结构布置选定,一般取9.512mm.这里取=6mm4.4 膜片弹簧的设计4.4.1 膜片弹簧离合器主要参数的选择(1) 比值H/h和板厚h的选择。比值H/h对膜片弹簧的弹性特性影响极大。通过分析图可知,当H/h 时,F1有一极大值和极小值;当H/h = 时,F1极小值在横坐标上。为保证离合器压紧力变化不大和操纵方便,汽车离合器用膜片弹簧的H/h一般为1.52.0。板厚h为24mm,本设计H/h = 2,h=2mm ,则H=4mm 。(2) 比值R/r和R、r的选择。根据结构布置和压紧力要求,R/r一般为1.21.35。为使摩擦片上的压力分布均匀,拉式膜片弹簧的r值宜取为大于或等于。这里取R/r=1.2,摩擦片平均半径。取,则可取r=78mm R=94mm,所以R/r=1.205。(3) 圆锥底角的选择。膜片弹簧自由状态下圆锥底角与內截锥高度H关系密切,一般在915范围内。=arctan H/(R-r)14,符合要求。(4) 分离指数n的选取。分离指数n常取为18,大尺寸膜片弹簧可取24,小尺寸弹簧可取12。这里取n=18。(5) 切槽宽、窗孔槽宽、及半径。,的取值应满足的要求。取=3mm,=9mm,所以可取=68mm。 (6)压盘加载半径和支撑环加载点半径的确定。和的取值将影响膜片弹簧的刚度。应略大于r,应略小于R且尽量接近R.这里取。4.4.2 膜片弹簧的载荷与变形关系膜片弹簧的弹性特性与尺寸如其碟簧部分的碟形弹簧完全相同(当加载点相同时)。因此,碟形弹簧有关设计公式对膜片弹簧也适用。通过支承环和压盘加在膜片弹簧上的沿圆周分布的载荷,假象集中在支承点处,用F1表示,加载点间的相对变形(轴向)为1,则压紧力F1与变形1之间的关系式为: (4-3)式中:E弹性模量,对于钢,泊松比,对于钢,=0.3 H膜片弹簧在自由状态时,其碟簧部分的内锥高度 h弹簧钢板厚度 R弹簧自由状态时碟簧部分的大端半径r弹簧自由状态时碟簧部分的小端半径R1压盘加载点半径r1支承环加载点半径 表4-3膜片弹簧弹性特性所用到的系数 RrR1r1Hh 9478968042代入式(4- )得 (4-4)对上式求一次导数,可得函数的凹凸点,求二次倒数可得拐点。凸点:凹点: 拐点: 4.4.3 膜片弹簧的强度计算假定膜片弹簧在承载过程中,其子午断面刚性地绕此断面上的某中性点O转动,如 图3.14。O点沿圆周方向的切向应变为零,因而该点的切向应力为零,断面上O点以外的点一般均发生切向应变,故而产生切向应力。现选定坐标于子午断面,使坐标原点位于中性点O。令X轴平行于子午断面的上下边,其方向如上图所示,则断面上任意点的切向应力为: (4-5) 图4.2膜片弹簧工作点位置式中:碟簧部分子午断面的转角(从自由状态算起)碟簧部分子有状态时的圆锥底角e 碟簧部分子午断面内中性点的半径e=(R-r)/In(R/r) 为了分析断面中断向应力的分布规律,将(3.30)式写成Y与X轴的关系式: (4-6)由上式可知,当膜片弹簧变形位置一定时,一定的切向应力t在X-Y坐标系里呈线性分布。当时,因为的值很小,我们可以将看成,由上式可写成。此式表明,对于一定的零应力分布在中性点O而与X轴承角的直线上。从式(3.16)可以看出当时无论取任何值,都有。显然,零应力直线为K点与O点的连线,在零应力直线内侧为压应力区,外侧位拉应力区,等应力直线离应力直线越远,其应力越高。由此可知,碟簧部分内缘点B处切向压应力最大,A处切向拉应力最大,分析表明,B点的切向应力最大,计算膜片弹簧的应力只需校核B处应力就可以了,将B点的坐标X=(e-r)和Y=h/2 代入(3.31)式有: (4-7)令,可以求出切向压应力达到极大值时的转角 (4-8)由于:所以:,。B点作为分离指根部的一点,在分离轴承推力作用下还受有弯曲应力,其表达式为: (4-9)式中 n分离指数目 n=18 br单个分离指的根部宽 因此, 由于是与切向压应力垂直的拉应力,所以根据最大剪应力强度理论,B点的当量应力为: 膜片弹簧的设计应力一般都稍高于材料的局限,为提高膜片弹簧的承载能力,一般要经过以下工艺:先对其进行调质处理,得到具有较高抗疲劳能力的回火索氏体,对膜片弹簧进行强压处理(将弹簧压平并保持1214h),使其高应力区产生塑性变形以产生残余反向应力,对膜片弹簧的凹表面进行喷丸处理,提高弹簧疲劳寿命,对分离指进行局部高频淬火或镀铝,以提高其耐磨性。故膜片弹簧的当量应力不超出许用应力范围,符合设计要求。3结论本次毕业课程设计首先根据阐述了离合器的发展现状和工作原理及特性。结合设计要求,最终完成本次设计。经过对比结合,虑到使用条件和其显著的优点,选用带扭转减振器的单片拉式膜片弹簧离合器,压盘驱动方式采用整体式传动片传动,分离轴承采用拉式自动调心式分离轴承,操纵机构采用液压式。此次设计首先参考所要设计的汽车相关参数,确定了离合器的主要参数、P0、D、d,然后按照基本公式运算得出并通过约束条件,检验合格。根据膜片弹簧基本参数之间的约束关系,初步确定了膜片弹簧的尺寸参数,并通过优化程序得出了膜片弹簧尺寸的优化值。但由于知识水平有限,设计中仍存在不少错误,还望广大专家读者谅解并批评指正。致谢毕业论文完成之际,我非常感谢老师们的谆谆教诲。在这里我要特别感谢我的指导老师许静老师,谢谢她在百忙之中对我的指导与帮助。她为人和蔼热情,治学严谨,当我遇到困惑或瓶颈时她总是耐心认真地给我讲解分析,帮我开拓思路并使问题最终得到解决。设计伊始,自己也不知道该从何入手,然后就自己在网上跟图书馆查询了一些离合器的相关信息,还跑去汽车修理厂实地看了下离合器的构造。通过这次毕业设计,我又系统地整理温习了下大学四年所学的相关专业知识,也深深体会到了知识与实践差异性和重要性。在设计过程中,也遇见了不少问题。由于基础的不牢固所以花费了不少时间去查阅资料但与此它也同时提高了我的自主探索、学习的能力。在此之间我也乐于向周围的同学及老师请教,大家一起交流讨论。在绘图过程中又使自己的软件应用能力(如Auto CAD、Word等)得到一定的巩固。也意识到若要做个设计人,必须要有足够的耐心仔细地去计算、校核,重选、再算、再校核然后确定。因为自己专业水平有限加之是第一次独立进行设计加之时间仓促,所以所设计的课题难免存在不足之处,敬请各位老师们不吝批评指正。参考文献1 徐石安,江发潮.汽车离合器.清华大学出版社.2005. 2 陈家瑞.汽车构造. 机械工业出版社.2005. 3 王望予.汽车设计. 机械工业出版社.2006.4 刘涛.汽车设计.清华大学出版社.2008.5 机械设计手册编委会.机械设计手册M.机械工业出版社.2004.6 张毅,潘可耕, 红波.离合器及机械变速器M.化学工业出版社.2005.7 姜正跟.汽车概论.北京理工大学出版社.19998 余仁义,梁涛.汽车离合器操纵机构的设计J.专用汽车.2003. 9 何铭新,钱可强.机械制图.第五版.200410 郑文纬,吴克坚.机械原理.第七版.201011 陈于萍、周兆元. 互换性与测量基础.第二版.机械工业出版社.2010.12 于永泗、齐民.工程材料学.大连理工大学出版社
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