毕业设计（论文）-别克雨燕膜片弹簧离合器设计.doc

1 目录目录1第一章 离合器设计的目的及离合器概述11.1离合器设计的基本要求11.2技术参数11.3膜片弹簧离合器结构21.4膜片弹簧离合器的优点31.5膜片弹簧离合器的工作原理3第二章 离合器摩擦片参数的确定42.1 摩擦片参数的选择42.1.1 初选摩擦片外径D、内径d、厚度b42.1.2 后备系数42.1.3 离合器传递的最大静摩擦力矩Tc42.1.4 单位压力P052.2 离合器基本参数的校核62.2.1 最大圆周速度62.2.2 单位摩擦面积传递的转矩TC062.2.3 单位压力P062.2.4单位摩擦面积滑磨功6第三章 膜片弹簧的设计83.1 膜片弹簧的基本参数的选择83.1.1 截锥高度H与板厚h比值和板厚h的选择83.1.2自由状态下碟簧部分大端R、小端r的选择和比值83.1.3膜片弹簧起始圆锥底角的选择83.1.4 分离指数目n的选取83.1.5 切槽宽度1、2及半径re83.1.6 压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定83.1.7膜片弹簧材料93.2 膜片弹簧的弹性特性曲线分析9第四章 扭转减振器的设计104.1 扭转减振器主要参数104.1.1 扭转刚度k104.1.2 阻尼摩擦转矩T104.1.3预紧转矩Tn114.1.4 减振弹簧的位置半径R0114.1.5 减振弹簧个数Zj114.1.6 减振弹簧总压力F114.2 减振弹簧的计算114.2.1 减振弹簧的分布半径R1114.2.2单个减振器的工作压力P124.2.3 减振弹簧尺寸12第五章 离合器其它主要部件的结构设计145.1从动盘毂的设计145.2从动片的设计155.3离合器盖结构设计的要求165.4压盘的设计16第六章 操纵机构结构形式选择186.1 离合器操纵机构的设计计算186.2 校核踏板行程（自由行程，工作行程，总行程）18总结20参考文献21 第一章 离合器设计的目的及离合器概述了解轿车离合器的构造，掌握轿车离合器的工作原理。了解从动盘总成的结构，掌握从动盘总成的设计方法，了解压盘和膜片弹簧的结构，掌握压盘和膜片弹簧的设计方法，通过对以上几方面的了解，从而熟悉轿车离合器的工作原理。学会如何查找文献资料、相关书籍，培养学生动手设计项目、自学的能力，掌握单独设计课题和项目的方法，设计出满足整车要求并符合相关标准、具有良好的制造工艺性且结构简单、便于维护的轿车离合器，为以后从事汽车方面的工作或工作中设计其它项目奠定良好的基础。通过这次课程设计，使学生充分地认识到设计一个工程项目所需经历的步骤，以及身为一个工程技术人员所需具备的素质和所应当完成的工作，为即将进入社会提供了一个良好的学习机会，对于由学生向工程技术人员转变有着重大的实际意义。离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动部分与发动机飞轮相连，从动部分与变速器相连。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、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。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分离，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。1.1离合器设计的基本要求1) 在任何行驶条件下，既能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备，又能防止过载。2) 接合时要完全、平顺、柔和，保证起初起步时没有抖动和冲击。3) 分离时要迅速、彻底。4) 从动部分转动惯量要小，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换档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效果，以保证工作温度不致过高，延长寿命。6) 操纵方便、准确，以减少驾驶员的疲劳。7) 具有足够的强度和良好的动平衡，一保证其工作可靠、使用寿命长。1.2技术参数 车 型： 别克整车质量（Kg）：1525最大扭矩/转速（Nm/rpm）:256/2000主减速比：3.95一档速比：3.481滚 半 径：（mm）：451.51.3膜片弹簧离合器结构膜片弹簧离合总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等部分组成。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较复杂的承载构件，压紧弹簧的压紧力最终都要由它来承受。2) 膜片弹簧膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周表面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，这部分称之为分离指；从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其截面为截圆锥形，称之为碟簧部分。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；在离合器分离时，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；在离合器分离时，可利用它的弹性恢复力来牵动压盘轴向分离并使操纵力减小。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。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。1.4膜片弹簧离合器的优点膜片弹簧离合器与其他形式离合器相比，具有一系列优点：1) 膜片弹簧离合器具有较理想的非线性弹性特性；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) 高速旋转时，弹簧压紧力降低很少，性能较稳定；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；5) 易于实现良好的通风散热，使用寿命长；6) 膜片弹簧中心与离合器中心线重合，平衡性好1.5膜片弹簧离合器的工作原理离合器盖与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧被预加压紧，离合器处于接合位置时，由于膜片弹簧大端对压盘的压紧力，使得压盘与从动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要分离离合器时，将离合器踏板踏下，通过操纵机构，使分离轴承总成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。 图1.1 膜片弹簧离合器结构图 第二章 离合器摩擦片参数的确定2.1 摩擦片参数的选择2.1.1 初选摩擦片外径D、内径d、厚度b摩擦片外径是离合器基本尺寸，它关系到离合器的结构重量和寿命，它和离合器所需传递转矩大小有一定关系。D=式中，为发动机最大转矩，取；A为不同结构和使用条件对D的影响系数，对于小轿车 取A=47。表2.1 离合器摩擦片尺寸系列和参数外径D/mm160180200225250280300325350380405430内径d/mm110125140150155165175190195205220230厚度b/mm3.23.53.53.53.53.53.53.54444C=d/D0.6870.6940.7000.6670.6200.5890.5830.5850.5570.5400.5430.5351- c30.6760.6670.6570.7030.7620.7960.8020.8000.8270.8430.8400.847单位面积1061321602213024024665466787299081037摩擦片标准系列尺寸，取。2.1.2 后备系数后备系数保证了离合器能可靠地传递发动机扭矩，同时它有助于减少汽车起步时的滑磨，提高了离合器的使用寿命。但为了离合器的尺寸不致过大，减少传递系的过载，使操纵轻便等，后备系数又不宜过大。由于所设计的离合器为膜片弹簧离合器，在使用过程中其摩擦片的磨损工作压力几乎不会变小（开始时还有些增加），再加上小轿车的后备功率比较大，使用条件较好，宜取较小值，故初取=1.3。2.1.3 离合器传递的最大静摩擦力矩Tc2.1.4 单位压力P0摩擦面上的单位压力P的值和离合器本身的工作条件,摩擦片的直径大小,后备系数,摩擦片材料及质量等有关。 离合器使用频繁,工作条件比较恶劣单位压力P较小为好。当摩擦片的外径较大时也要适当降低摩擦片摩擦面上的单位压力P。因为在其它条件不变的情况下，由于摩擦片外径的增加，摩擦片外缘的线速度大，滑磨时发热厉害，再加上因整个零件较大，零件的温度梯度也大，零件受热不均匀，为了避免这些不利因素，单位压力P应随摩擦片外径的增加而降低。选取时应考虑离合器的工作条件、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。 式中，为摩擦因数取0.3；为单位压力（）为摩擦面数取2；为摩擦片外径取225；为摩擦片内径取155；摩擦片材料选择石棉基材料，为单位压力0.25，为摩擦因数取0.3。 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：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。要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好热稳定性要好，要求在高温时分离出的粘合剂较少，无味，不易烧焦磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面油水对摩擦性能的影响应最小结合时应平顺而无“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,在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦片。2.2 离合器基本参数的校核2.2.1 最大圆周速度式中， 为摩擦片最大圆周速度（m/s）；为发动机最高转速取3500；为摩擦片外径径取225；故符合条件。2.2.2 单位摩擦面积传递的转矩TC0=(N/)式中，为离合器传递的最大静摩擦力矩332.8；当摩擦片外径D210250mm时，=0.3N/0.0032N/，故符合要求。2.2.3 单位压力P0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0.15.35Mpa，由于已确定单位压力0.25Mpa，在规定范围内，故满足要求。2.2.4单位摩擦面积滑磨功 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，离合器每一次结合的单位摩擦面积滑磨功w应小于其许用值w。汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)为： 式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)m 为汽车满载总质量约取1800kg；rr 为轮胎滚动半径0.452m；i为汽车起步时所用变速器档位的传动比4.87；i为主减速器传动比5.63；n为发动机转速(r/min),乘用车n取2000 r/min;w = = = 0.19式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功取14215.3J满足=2,则=r-2=102-10=92mm故取92mm.3.1.6 压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定R1和r1需满足下列条件：故选择R1122mm， r1103mm.3.1.7膜片弹簧材料制造膜片弹簧用的材料，应具有高的弹性极限和屈服极限，高的静力强度及疲劳强度，高的冲击强度，同时应具有足够大的塑性变形性能。按上述要求，国内常用的膜片弹簧材料为硅锰钢60Si2MnA或50CrVA。3.2 膜片弹簧的弹性特性曲线分析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：式中，E弹性模量，钢材料取E=2.06Mpa； b泊松比，钢材料取b=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。 第四章 扭转减振器的设计4.1 扭转减振器主要参数带扭转减振器的的从动盘结构简图如下图4.1所示弹簧摩擦式:图4.2带扭转减振器的从动盘总成结构示意图1从动盘；2减振弹簧；3碟形弹簧垫圈；4紧固螺钉；5从动盘毂；6减振摩擦片7减振盘；8限位销由于现今离合器的扭转减振器的设计大多采用以往经验和实验方法通过不断筛选获得,且越来越趋向采用单级的减振器。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) 对于乘用车，系数取2.0。则Tj=2.02.0256512（Nm）4.1.1 扭转刚度k由经验公式初选k Tj即kTj135126656（Nm/rad）4.1.2 阻尼摩擦转矩T可按公式初选TT（0.060.17）取T=0.1 =0.1256=25.6(Nm)4.1.3预紧转矩Tn减振弹簧在安装时都有一定的预紧。Tn满足以下关系：Tn（0.050.15）且TnT25.6 Nm而Tn（0.050.15）12.838.4 Nm则初选Tn20Nm4.1.4 减振弹簧的位置半径R0R0的尺寸应尽可能大些，一般取R0=(0.600.75)d/2则取R0=0.65d/2=0.65155/2=50.375(mm),可取为50mm.4.1.5 减振弹簧个数Zj当摩擦片外径D250mm时，Zj=46故取Zj=64.1.6 减振弹簧总压力F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FTj/R0512/(50)10.24(kN)4.2 减振弹簧的计算在初步选定减振器的主要参数以后，即可根据布置上的可能来确定和减振器设计相关的尺寸。4.2.1 减振弹簧的分布半径R1R1的尺寸应尽可能大些，一般取R1=(0.600.75)d/2式中，d为离合器摩擦片内径故R1=0.65155/2=50(mm)，即为减振器基本参数中的R0。4.2.2单个减振器的工作压力PP= F/Z=10240/61706.7(N)4.2.3 减振弹簧尺寸1）弹簧中径Dc其一般由布置结构来决定，通常Dc=1115mm故取Dc=12mm2）弹簧钢丝直径dd=4.4mm式中，扭转许用应力可取550600Mpa,故取为600Mpad取4.5 mm3）减振弹簧刚度k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=4）减振弹簧有效圈数5.55）减振弹簧总圈数n其一般在6圈左右，与有效圈数之间的关系为n=+(1.52)=7减振弹簧最小高度=34.65mm弹簧总变形量mm减振弹簧总变形量=34.65+3.8=38.45mm减振弹簧预变形量=0.15mm减振弹簧安装工作高度=38.45-0.15=38.3mm 扭转减振器相关参数表4.1极限转矩Tj阻尼摩擦转矩T预紧转矩Tn减振弹簧的位置半径R0减振弹簧个数Zj512 Nm25.6Nm20 Nm50mm6 第五章 离合器其它主要部件的结构设计5.1从动盘毂的设计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GB1144-2001矩形花键尺寸、公差和检验选取(见表5.1)。从动盘毅花键孔键齿的有效长度约为花键外径尺寸的(1.01. 4)倍(上限用于工作条件恶劣的离合器)，以保证从动盘毂沿轴向移动时不产生偏斜。 表5.1 GB1144-2001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/MPa16050102318320101807010262132011.820011010292342511.322515010322643011.525020010352843510.428028010353244012.730031010403254010.732538010403254511.635048010403255013.238060010403255515.241072010453656013.143080010453656513.545095010524166512.5花键尺寸选定后应进行挤压应力 ( MPa)及剪切应力j ( MPa)的强度校核： 由表5.1选取得：花键齿数n=10； 花键外径D=35mm；花键内径d=32mm；键齿宽b=4mm；有效齿长l=40mm；挤压应力=12.7MPa； （5.1） （5.2）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，N.mm。从动盘毅通常由40Cr ， 45号钢、35号钢锻造，并经调质处理，HRC2832。校核计算如下： =25.47MPa； =12.73MPa符合强度得要求。5.2从动片的设计从动盘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轮齿间的冲击。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。本次设计初选从动片厚度为2mm5.3离合器盖结构设计的要求 1)应具有足够的刚度，否则影响离合器的工作特性，增大操纵时的分离行程，减小压盘升程，严重时使摩擦面不能彻底分离。 2)应与飞轮保持良好的对中，以免影响总成的平衡和正常的工作。 3)盖的膜片弹簧支承处应具有高的尺寸精度。 4)为了便于通风散热，防止摩擦表面温度过高，可在离合器盖上开较大的通风窗孔，或在盖上加设通风扇片等。乘用车离合器盖一般用08、10钢等低碳钢板。本次设计初选08钢板厚度为3mm。5.4压盘的设计对压盘结构设计的要求:1)压盘应具有较大的质量,以增大热容量，减小温，防止其产生裂纹和破碎，有时可设置各种形状的散热筋或鼓风筋，以帮助散热通风。中间压盘可铸出通风槽，也可以采用传热系数较大的铝合金压盘。2)压盘应具有较大刚度，使压紧力在摩擦面上的压力分布均匀并减小受热后的翘曲变形，以免影响摩擦片的均匀压紧及与离合器的彻底分离，厚度约为1525 mm 。3)与飞轮应保持良好的对中，并要进行静平衡，压盘单件的平衡精度应不低于1520 gcm 。4)压盘高度(从承压点到摩擦面的距离)公差要小。压盘形状较复杂，要求传热性好，具有较高的摩擦因数，通常采用灰铸铁，一般采用HT200、HT250、HT300，硬度为170227HBS。t = (1)m = = (2)t = =式中，W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功，取W=14215.3J为传到压盘的热量所占的比例，对单片离合器压盘. =0.5；m为压盘质量(kg)V为压盘估算面积；c为压盘的比热容，铸铁：c=481.4 J/(kg)；为铸铁密度，取7800 kg/m；为摩擦片外径取255；为摩擦片内径取150；h为压盘厚度，取=20mm； t为压盘温升（）满足压盘温升不超过810要求。 第六章 操纵机构结构形式选择6.1 离合器操纵机构的设计计算踏板行程S由自由行程S1和工作行程S2两部分组成： （6.1）根据要求我们确定操纵机构尺寸参数为：Sof为分离轴承自由行程，一般为1.53.0mm ，反映到踏板上的自由行程S1一般为2030mm，我们选取Sof=3mm；Z为摩擦面面数，根据离合器摩擦片结构可知Z=2；S为离合器分离时对偶摩擦面间的间隙，单片：S=0.851.30mm，双片：S=0.750.90mm，本次设计的离合器摩擦片数为单片，所以取S=0.85mm；a1、a2、b1、b2、c1、c2为杠杆尺寸，根据前面膜片弹簧结构参数可知c1=19mm，c2=67.5mm；选取a2=240mm，a1=33mm，b2=75mm，b1=50mm；d1=15mm，d2=16.26mm。6.2 校核踏板行程（自由行程，工作行程，总行程）（1）自由行程校核由6-1公式可知，自由行程S1为S1 =Sofa2b2（d2）2/ a1b1（d1）2 =32407516.262/3350152 =38.45mm为了使离合器在所有情况下都能彻底分离以免造成变速器换挡时的齿轮撞击、换挡力增加等，至少应留25mm的踏板行程，即自由行程。为了使驾驶员易从脚感上确定踏板位置，S150mm为好。综上所述并根据校核S1=38.45mm符合25mmS150mm的要求。（2）工作行程校核由6-1公式可知，工作行程S2为S2 =ZS c2a2b2（d2）2/ c1a1b1（d1）2 =20.8567.52407516.262/193350152 =77.42mm（3）总行程校核由6-1公式可知，总行程S为S = S1+ S2 =38.45+77.42=116mm最佳总行程受许多因素影响，其中要考虑的人群从5%分位的女性到95%分位的男性。从有关方面获得的人体工程学资料可知，踏板总行程应在80150mm范围内。由6-1所确定的操纵机构尺寸参数获得的踏板总行程S=116mm符合上述要求。（4）校核踏板力踏板力Ff可按下式计算：式中，F为离合器分离时，压盘上的总工作压力根据膜片弹簧各参数