离合器设计.ppt
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1、第二章 离合器设计,汽车设计教案,第一节 概 述,离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成,其主要功用是: 1.切断和实现对传动系的动力传递,以保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合,确保汽车平稳起步; 2.在换挡时将发动机与传动系分离,减少变速器中换挡齿轮之间的冲击; 3.在工作中受到大的动载荷时,能限制传动系所承受的最大转矩,防止传动系各零件因过载而损坏; 4.有效地降低传动系中的振动和噪声。,摩擦离合器主要由主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。主、从动部分和压紧机构是保证离合器处于接合状态并能传递动力的基本结构,操纵机构是使离合器主、从动部分分离的装置。,第二节 离合
2、器的结构方案分析,汽车离合器大多是盘形摩擦离合器,按其从动盘的数目可分 为单片、双片和多片三类;根据压紧弹簧布置形式不同,可 分为圆周布置、中央布置和斜向布置等形式;根据使用的压 紧弹簧不同,可分为圆柱螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧和膜片弹 簧离合器;根据分离时所受作用力的方向不同,又可分为拉 式和推式两种形式。,1从动盘数的选择 对轿车和轻型、微型货车而言,离合器通常只设有一片从动盘。双片离合器一般用在传递转矩较大且径向尺寸受到限制的场合。多片离合器多为湿式,主要应用于重型牵引车和自卸车上。,2压紧弹簧和布置形式的选择,推式膜片弹簧双支承环形式 推式膜片弹簧单支承环形式,推式膜片弹簧支承结构按支承环
3、数目不同分为三种,拉式膜片弹簧支承结构形式按支承环数目不同分为两种。,三、膜片弹簧的支承形式,推式膜片弹簧无支承环形式,拉式膜片弹簧支承形式,四、压盘的驱动方式,压盘的驱动方式主要有凸块一窗孔式、销钉式、键块式和传动片式多种。前三种的共同缺点是在联接件之间都有间隙,在驱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,降低了离合器传动效率。 传动片式是近年来广泛采用的结构,沿周向布置的三组或四组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,钢带受拉;当拖动发动机时,钢带受压。此结构中压盘与飞轮对中性能好,使用平衡性好,使用可靠,寿命长。
4、但反向承载能力差,汽车反拖时易折断传动片,故对材料要求较高,一般采用高碳钢。,第三节离合器主要参数的选择,摩擦离合器是靠摩擦表面间的摩擦力矩来传递发动机转矩的。离合器的静摩擦力矩根据摩擦定律可表示为 式中, 为静摩擦力矩; 为摩擦面间的静摩擦因数,计算时一般取0.250.30; 为压盘施加在摩擦面上的工作压力; 为摩擦片的平均摩擦半径; 为摩擦面数,是从动盘数的两倍。,假设摩擦片上工作压力均匀,则有,式中, 为摩擦面单位压力, 为一个摩擦面的面积; 为摩擦片外径; 为摩擦片内径。,摩擦片的平均摩擦半径Rc,根据压力均匀的假设,可表示为,(22),(21),(23),当dD06时,Rc可相当准确
5、地由下式计算,将式(22)与式(23)代人式(21)得,(24),式中,c为摩擦片内外径之比,c=dD,一般在0.530.70之间。,为了保证离合器在任何工况下都能可靠地传递发动机的最大转矩,设计时Tc应大于发动机最大转矩,即,(25),式中,Temax为发动机最大转矩;为离合器的后备系数,定义为离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动机最大转矩之比,必须大于1。,离合器的基本参数主要有性能参数 和 ,尺寸参数 D和d及摩擦片厚度b以及结构参数摩擦面数Z和离合器间隙 ,摩擦因数 。,一、后备系数,后备系数是离合器设计时用到的一个重要参数,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
6、以下几点: 1)摩擦片在使用中磨损后,离合器还应能可靠地传递发动机最大转矩。 2)要防止离合器滑磨时间过长。 3)要能防止传动系过载及操纵轻便。,为可靠传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨过大,不宜选取太小;为使离合器尺寸不致过大,减少传动系过载,保证操纵轻便,又不宜选取太大;当发动机后备功率较大、使用条件较好时,可选取小些;当使用条件恶劣,需要拖带挂车时,为提高起步能力、减少离合器滑磨,应选取大些;货车总质量越大,也应选得越大;采用柴油机时,由于工作比较粗暴,转矩较不平稳,选取的值应比汽油机大些;发动机缸数越多,转矩波动越小,可选取小些;膜片弹簧离合器由于摩擦片磨损后压力保持较稳定,选取的值可
7、比螺旋弹簧离合器小些;双片离合器的值应大于单片离合器。,各类汽车口值的取值范围通常为: 乘用车及最大质量小于6t的商用车 =1.201.75 最大总质量为614t的商用车 =1.502.25 挂车 =1.804.00,二、单位压力p0 单位压力po对离合器工作性能和使用寿命有很大影响,选取时应考虑离合器的工作条件,发动机后备功率大小,摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。离合器使用频繁,发动机后备系数较小时,加应取小些;当摩擦片外径较大时,为了降低摩擦片外缘处的热负荷,po应取小些;后备系数较大时,可适当增大po。 当摩擦片采用不同材料时,po按下列范围选取: 石棉基材料 po=0.100
8、.35MPa 粉末冶金材料 po=0.350.60MPa 金属陶瓷材料 po=0.701.50MPa,三、摩擦片外径D、内径d和厚度b 当离合器结构形式及摩擦片材料已选定,发动机最大转矩Temax已知,摩擦片外径D(mm)也可根据发动机最大转矩Temax(Nm)按如下经验公式选用 乘用车 KD =14.6 最大总质量为1.8 14t的商用车 KD =13.5 18.5 最大总质量大于 14t的商用车 KD =22.524.0 应使摩擦片最大圆周速度不超过6570ms,以免摩擦片发生飞离。 摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三种。,第四节 离合器的设计与计算,一、离合器基本参
9、数的优化 设计离合器要确定离合器的性能参数和尺寸参数,这些参数的变化影响离合器的结构尺寸和工作性能。 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p0可由式(22)确定,p0也取决于F和D及d。因此,离合器基本参数的优化设计变量选为,2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条件下,使其结构尺寸尽可能小,即目标函数为,3约束条件 1)摩擦片的外径D(mm)的选取应使最大圆周速度VD不超过6570ms,即,VD为摩擦片最大圆周速度(ms);nemax为发动机最高转速(rmin)。,2)摩擦片的内外径比c应在053070范围内,即 05
10、3c070 3)为保证离合器可靠传递转矩,并防止传动系过载,不同车型的值应在一定范围内,最大范围为1240,即 1240 4)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2Ro约50mm, 即 d2Ro+50,5)为反映离合器传递转矩并保护过载的能力,单位摩擦面积传递的转矩应小于其许用值,即,表21 单位摩擦面积传递转矩的许用值 (Nmmm2 ),6)为降低离合器滑磨时的热负荷,防止摩擦片损伤,单位压力p。对于不同车型,根据所用的摩擦材料在一定范围内选取,最大范围p。为0.101.50MPa,即 0.10MPapo1.50MPa 7)为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨,防
11、止摩擦片表面温度过高而发生烧伤,每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值,即,式中,为单位摩擦面积滑磨功(Jmm2 );为其许用值(Jmm2 ),W为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功(J),可根据下式计算,二、膜片弹簧的弹性特性,假设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。通过支承环和压盘加在膜片弹簧上的载荷Fl集中在支承点处,加载点间的相对轴向变形为1,则有关系式,式中,E为材料的弹性模量,对于钢:E=21X105MPa;为材料的泊松比,对于钢:=03,设分离轴承对分离指端所加载荷为F2,相应作用点变形为2,另外,在分离与压紧状态下,只要膜片弹簧变形到相
12、同的位置,其子午断面从自由状态也转过相同的转角,则有如下关系,如果不计分离指在F2作用下的弯曲变形,则分离轴承推分离指的移动行程入2f,式中,入1f为压盘的分离行程。,H为膜片弹簧自由状态下碟簧部分的内截锥高度;h为膜片弹簧钢板厚度;R、r分别为自由状态下碟簧部分大、小端半径;R1、r1分别为压盘加载点和支承环加载点半径。离合器分离时,膜片弹簧的加载点发生变化,三、膜片弹簧的强度计算 由前面假设可知,子午断面在中性点O处沿圆周方向的切向应变为零,故该点的切向应力为零,O点以外的点均存在切向应变和切向应力。建立如图所示的坐标系,则断面上任意点(x,y)的切向应力t为,式中, 为自由状态时碟簧部分
13、的圆锥底角; 为从自由状态起,碟簧子午断面的转角; 为中性点半径,e=(Rr)In(Rr)。,分析表明,B点的应力值最高,通常只计算B点的应力来校核碟簧的强度。将B点坐标x-(er)和y=h2代人式(215),可得月点的应力,令,可求出 达到极大值时的转角 。,B点最大压应力发生在比碟簧压平位置再多转动一个角度arctanh2(e-r) h2(er)的位置处。,在分离轴承推力F2作用下,B点还受弯曲应力 ,其值为,式中,n为分离指数目; 为一个分离指根部宽度。,四、膜片弹簧主要参数的选择,1比值Hh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 Hh一般为1.62.2
14、,板厚h为24mm。,2比值Rr和R、r的选择,研究表明,Rr越大,弹簧材料利用率越低,弹簧刚度越大,弹性特性曲线受直径误差影响越大,且应力越高。根据结构布置和压紧力的要求,Rr一般为120135。为使摩擦片上压力分布较均匀,推式膜片弹簧的R值应取为大于或等于摩擦片的平均半径RC,拉式膜片弹簧的r值宜取为大于或等于Rc。而且,对于同样的摩擦片尺寸,拉式的R值比推式大。,3的选择 膜片弹簧自由状态下圆锥底角。与内截锥高度H关系密切,=arctanH(Rr) H(Rr),一般在9O15O范围内。,4膜片弹簧工作点位置的选择 膜片弹簧的弹性特性曲线,如图所示。该曲线的拐点H对应着膜片弹簧的压平位置,
15、而且1H=(1M+1N)2。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H之间, 且靠近或在H点处,一般1B=(0810) 且lH,以保证摩擦片在最大磨损限度入 范围内压紧力从F1B到F1A变化不大。当分离 时,膜片弹簧工作点从B变到C,为最大限 度地减小踏板力,C点应尽量靠近N点。,5n的选取 分离指数目n常取为18,大尺寸膜片弹簧有些取24,小尺寸膜片弹簧有些取12。,膜片弹簧的弹性特性曲线,膜片弹簧的尺寸简图 a)推式 b)拉式 c)俯视图,*五、膜片弹簧材料及制造工艺,国内膜片弹簧一般采用60Si2MnA或50CrVA等优质高精度钢板材料。为了提高膜片弹簧的承载能力,要对
16、膜片弹簧进行强压处理,一般来说,经强压处理后,在同样的工作条件下,可提高膜片弹簧的疲劳寿命530。另外,对膜片弹簧的凹面或双面进行喷丸处理 。 为提高分离指的耐磨性,可对其端部进行高频感应加热淬火或镀铬。为了防止膜片弹簧与压盘接触圆形处由于拉应力的作用产生裂纹,可对该处进行挤压处理,以消除应力源。 膜片弹簧表面不得有毛刺、裂纹、划痕等缺陷。碟簧部分的硬度一般为4550HRC,分离指端硬度为5562HRC,在同一片上同一范围内的硬度差不大于3个单位。碟簧部分应为均匀的回火托氏体和少量的索氏体。单面脱碳层的深度一般不得超过厚度的3。膜片弹簧的内外半径公差一般为Hil和h11,厚度公差为0025mm
17、,初始底锥角公差为10。上、下表面的表面粗糙度为16m,底面的平面度一般要求小于01mm。膜片弹簧处于接合状态时,其分离指端的相互高度差一般要求小于0810mm。,六、膜片弹簧的优化设计,膜片弹簧的优化设计就是通过确定一组弹簧的基本参数,使其载荷变形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目标函数 目前,国内关于膜片弹簧优化设计的目标函数主要有以下几种: 1)弹簧工作时的最大应力为最小。 2)从动盘摩擦片磨损前后弹簧压紧力之差的绝对值为最小。 3)在分离行程中,驾驶员作用在分离轴承装置上的分离操纵力平均值为最小。 4)在摩擦片磨损极限范围内,弹簧压紧
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- 离合器 设计
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