HKD260混合动力自卸汽车设计(离合器设计).pdf
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1、 1 HKD260 混合动力自卸汽车设计(离合器设计)摘要 离合器作为直接连接发动机和传动系统一个独立存在的总成.他主要包含主动部分,从动部分,压紧机构和操纵机构等四部分.。主动部分,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.操作机构是使离合器分离的机构.正是这四部分机构之间相互协调配合,已达到汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合,换档式将发动机与传动系分离,减少变速箱内齿轮的冲击。本文介绍了近年来发展的新型拉式膜片弹簧离合器的结构特点和工作原理,并与传统的推式膜片弹簧离合器进行了对比。在相同的约束条件下,优化后的拉式膜片弹簧,无论是在后备系数的稳定性、膜片的最大当量应
2、力方面,还是在分离力的大小方面,均优于推式膜片弹簧。然后,对于拉式膜片弹簧的载荷-变形特性和应力-变形特性作了详细分析。在分析的基础上,阐述了拉式膜片弹簧基本参数的选择和设计。由于拉式膜片弹簧离合器具有许多优点,故拉式膜片弹簧离合器是一种很有发展前途的汽车离合器。关键词:压紧机构,离合器,膜片弹簧,新型。2 HKD260 HYBRID DUMP TRUCK DESIGN(CLUTCH DESIGN)ABSTRACT The clutch is the lug connection engine and the transmission systems an exist independentl
3、y total to become.He mainly includes the active division,follower division,compress tightly the mechanism and maneuvering gear etc.four-part cent.Active division,the follower division and compress tightly the mechanism is basic structure that guarantees that the clutch is placed in to join together
4、the condition and can deliver the power also.Operate the mechanism is a mechanism that makes clutch separate.Exactly of this four-part cent mechanism moderates the fit mutually,joining together engine and transmissions fasten going smoothly while arriving the start of autocar already,the shift gear
5、type fasten engine and transmissions separation,reduce the impact of the speed change case annular gear.In this paper,the constructional features and principles of operation of recently developed new style pull-type diaphragm spring clutch are described in contrast with the traditional push-type dia
6、phragm spring clutch.In the same dimension,pull-type diaphragm spring by optimum design is better than push-type,in respect of stability of reservation coefficient maximum equivalent stress of diaphragm and magnitude of declutching force.Then,the load-deflection characteristics and stress-deflection
7、 characteristics of pull-type diaphragm spring are analysis in detail.Base on these analyses,the selection of main parameters and design of this spring are discussed.The pull-type diaphragm spring clutch possesses many advantages,therefore pull-type diaphragm spring clutch is a very prospective moto
8、r vehicle clutch.3 KEY WORDS:hold-down,clutch,diaphragm spring,new style.4 目 录 前 言 .1 第一章 离合器概述.3 1.1 离合器的主要结构.3 1.2 离合器机构的选择.5 1.3 离合器的工作原理.7 第二章 离合器的设计计算.9 2.1 离合器设计要求.9 2.2 离合器参数的选择.9 2.3 从动盘总成.13 2.4 压盘和离合器设计计算.15 2.5 膜片弹簧的设计计算.16 2.6 扭转减震器设计计算.19 2.7 离合器操纵设计.20 第三章 传动轴的设计.错误!未定义书签。3.1 万向传动的设计计算
9、.错误!未定义书签。3.2 十字轴设计计算.22 3.3 十字轴滚针轴承计算.23 3.4 万向节叉的设计计算.24 3.5 传动轴临界转速计算.27 5 3.6 轴管强度设计计算.29 3.7 传动花键轴计算.29 结论.31 参考文献.32 致谢.33 外文资料译文及原文.34 6 前 言 改革开放以来,随着国家经济的迅猛发展,汽车工业也在慢慢崛起,汽车在我们日常生活中占据了越来越重要的地位,车辆给人们出行带来了极大地方便,因此汽车工业也被国家放在了极其重要的地位,像吉利收购沃尔沃表明了我们国内企业正在逐步强大,因此能够选择车辆工程专业也是我认为一个非常正确的选择,而汽车设计室我们车辆工程
10、专业学生毕业时的一个重要实践环节。随着汽车工业的发展,离合器也在原有的基础上不断改进和提高,以适应新的使用条件。从国外的发展动向来看,汽车的性能在向高速发展,发动机的功率和转速不断提高,载重汽车趋于大型化,国内情况也类似于此。另外,离合器的使用条件也日酷一日。因此,增加离合器的传扭能力,提高其使用寿命,简化操作已成为离合器目前发展的趋势。离合器的结构形式虽然可以各不相同,但在使用中对它们的基本要求却是一致的。对汽车离合器的基本要求有以下几点:能可靠地传递发动机的最大扭矩;接合时要平顺、柔和,使汽车起步时没有抖动和冲击;分离时要迅速彻底;离合器从动部分的转动惯量要小,以减轻汽车起步和换档时变速器
11、齿轮轮齿间的冲击,方便换档;离合器的通风散热应良好;高速回转时要具有可靠的强度,应注意平衡问题和离心力的影响;应使汽车传动系避免共振,并具有吸收振动,缓和冲击和减少噪音的能力;操纵轻便;离合器的工作性能应保持稳定,这就要求作用在摩擦片上的总压力要不因摩擦表面的磨损而变化,或者变化较小;要求使用寿命长。此外,离合器也要尽量做到结构简单,紧凑,制造工艺性好,维修方便,重量轻等等。基于上述要求,离合器的压紧弹簧从普遍采用的圆柱螺旋弹簧改为膜片弹簧,其利甚多。首先,膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用,使零件数量减少,重量减轻,离合器结构大为简化,并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。其次,由于膜片弹簧
12、与压盘以整个圆周接触,使压力分布均匀,摩擦片的接触良好,磨损均匀,再者,由于膜片弹簧具有非线性的特性,因此,可设计成当摩擦片磨损后,弹簧压力几乎可以保护不变,且可减轻分离离合器时的踏板力,使操纵轻便。另外,膜片弹簧的安装集团对离合器轴的中心线来说是对称的,因 7 此它的压紧力实际上不受离心力的影响。膜片弹簧与螺旋弹簧的对比:1、制造工艺方面 膜片弹簧由弹簧钢板冲制而成,而螺旋弹簧由钢丝卷绕而成,相比之下前者制造工艺性好。2、零件数量方面 膜片弹簧本身带有分离爪,勿须另加分离杆,且一个离合器只用一张膜片弹簧作为压紧弹簧;而螺旋弹簧要另加分离杆,且一个离合器要用若干个螺旋弹簧作为压紧弹簧。相比之下
13、前者零件数量少,结构紧凑;后者零件数量多。零件数量少者,拆装、维修方便省时;零件数量多则费时。3、其他方面(1)螺旋弹簧其弹性特性为线性的,因此离合器的调整比较容易。而膜片弹簧其弹性特性为非线性的,因而离合器的调整较困难。不过,适当选取H/h 的值,适合汽车离合器使用的膜片弹簧总可以制造出来,只要我们掌握了膜片弹簧的特性,离合器调整问题也可随之解决。(2)膜片弹簧的制造成本比圆柱螺旋弹簧的制造成本高一些,但寿命也比螺旋弹簧长一些。另外,膜片弹簧不受离心力的影响,而螺旋弹簧要受离心力影响,特别是高速旋转时,其影响不可忽视。现代汽车向高速发展,离合器也向高速发展,压紧弹簧在高转速下工作,膜片弹簧的
14、优越性会随之显示出来。膜片弹簧取代螺旋弹簧作为离合器压紧弹簧势所必然。8 第一章 离合器概述 1.1 离合器的主要结构 一、主动部分 主动部分包括飞轮、离合器盖、压盘等机件组成。这部分与发动机曲轴连在一起。离合器盖与飞轮靠螺栓连接,压盘与离合器盖之间是靠压盘上的凸台和离合器盖上的窗口传递转矩的。二、从动部分 从动部分是由单片、双片或多片从动盘所组成,它将主动部分通过摩擦传来的动力传给变速器的输入轴。从动盘由从动盘本体,摩擦片和从动盘毂三个基本部分组成。为了避免转动方向的共振,缓和传动系受到的冲击载荷,大多数汽车都在离合器的从动盘上附装有扭转减震器。三、扭转减振器 离合器接合时,发动机发出的转矩
15、经飞轮和压盘传给了从动盘两侧的摩擦片,带动从动盘本体和与从动盘本体铆接在一起的减振器盘转动。从动盘本体和减振器盘又通过四个减振器弹簧把转矩传给了从动盘毂。因为有弹性环节的作用,所以传动系受的转动冲击可以在此得到缓和。传动系中的扭转振动会使从动盘毂相对于从动盘本体和减振器盘来回转动,夹在它们之间的减震阻尼片靠摩擦消耗扭转振动的能量,将扭转振动衰减下来。为了使汽车能平稳起步,离合器应能柔和接合,这就需要从动盘在轴向具有一定弹性。为此,往往在动盘本体圆周部分,沿径向和周向切槽。再将分割形成的扇形部分沿周向翘曲成波浪形,两侧的两片摩擦片分别与其对应的凸起部分相铆接,这样从动盘被压缩时,压紧力沿翘曲的扇
16、形部分被压平而逐渐增大,从而达到接合柔和的效果。四、弹簧布置形式的选择 周置弹簧离合器的压紧弹簧均采用圆柱螺旋弹簧,其结构简单制造容易,9 因此用较为广泛。压紧弹簧直接与压盘接触,易受热退火,且当发动机最大转速很高时周置弹簧由于受离心力作用而向外弯曲,使弹簧压紧力下降,离合器传递转矩的能力随之降低。此外,弹簧靠到它的定位面上,造成接触部位严重磨损,甚至出现弹簧断裂的现象。中央弹簧离合器采用一至两个圆柱螺旋或用一个圆锥弹簧作为压紧弹簧,并且布置在离合器的中心,此结构轴向尺寸较大。膜片弹簧的结构主要特点是采用一个膜片代替传统的螺旋弹簧和分离杠杆。起结构特点如下:1、膜片弹簧的轴向尺寸较小而径向尺寸
17、很大,这有利于在提高离合器传递转矩能力的情况下离合器的轴向尺寸。2、膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用,故不需专门的分离杠杆,使离合器结构大大的简化,零件数目少,质量轻。3、由于膜片弹簧轴向尺寸小,所以可以适当增加压盘的厚度,提高热容量;而且还可以在压盘上增设散热筋及在离合器盖上开设较大的通风孔来改善散热条件。4、膜片弹簧离合器的主要部件形状简单,可以采用冲压加工,大批量生产时可以降低生产成本。故在本设计中选用了膜片弹簧离合器。离合器按它的结构形式选择 根据膜片弹簧分离指在分离时所受的力是推力还是受拉力,可分为推式和拉式弹簧离合器。拉式与推式离合器最明显的特征就是膜片弹簧安装方向相反。拉式膜片弹
18、簧离合器与推式有其明显的优点:1、减少中间支撑,零件数目相对要少。结构简单,紧凑、质量较轻。2、由于取消了中间支撑,减少了摩擦损失,传动效率高,使分离时的踏板力更少,3、拉式膜片弹簧无论在接合还是在分离时,膜片弹簧都与离合器盖接触,不会产生噪声和冲击。4、由于拉式膜片弹簧是以其中部压紧压盘,在压盘大小相同的条件下可使用直径相对较大的膜片弹簧,从而实现在不增加分离时的操纵力的前提下,提高压盘的压紧力和传递转矩的能力;或在传递转矩相同的条件下,减小压 10 盘的尺寸。5、使用寿命相对要长。所以在本设计中选择拉式离合器。五、操纵机构 操纵机构是为驾驶员控制离合器分离与接合程度的一套专设机构,它是由位
19、于离合器壳内的分离杠杆(在膜片弹簧离合器中,膜片弹簧兼起分离杠杆的作用)、分离轴承、分离套筒、分离叉、回位弹簧等机件组成的分离机构和位于离合器壳外的离合器踏板及传动机构、助力机构等组成。1.2 离合器的结构选择 汽车离合器大多数是盘形摩擦离合器,按其从动盘数目可分为单片、双片、和多片三类;根据使用的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,可分为拉式和推式。由上可知,本次设计选用拉式离合器。再设计离合器时主要根据车性的类别、使用要求、制造条件以及“三化”要求等,合理选
20、择离合器的结构。一、从动盘的选择 1.单片离合器 对乘用车和最大总质量小于6t 的商用车而言,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。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结合平顺。2.双片离合器 双片离合器与单片离合器相比,由于摩擦面积增加一倍,因而传递转矩的能力较大;结合更为平顺、柔和;在传递相同转矩的情况下,径向尺寸较小,踏板力较小;中间压盘通风散热较差,容易引起摩擦片过热,加快其磨损甚至损坏;分离行程较大,不易分离彻底,所以设计时在结构图上必须采取相应的措施
21、;轴向尺寸较大,结构复杂;从动部分的转动惯量较大。这种结构 11 一般用在传递转矩较大且径向尺寸受到限制的场合。由于本次设计的自卸车转矩较大,所以采用双片离合器。二、驱动方式的选择 压盘的驱动方式主要有凸块-窗孔式、销钉式、键块式和传动片多种。窗深入离合器盖对应的窗孔中。它结构简单,但在使用中因接触表面磨损间隙不断增大,从而定心精度不段降低,平衡性恶化。销钉式一般用与双盘离合器中,键块式一般用驱动中间压盘。传动片式驱动方式中传动片大都为周向布置,周向布置的传动片常用3或4 组,每组2-3 片,当发动机驱动时传动片受拉。传动片式驱动机构无摩擦和磨损,无传动间隙、效率高、无噪声、定心精度高,使用平
22、衡性好。采用传动片式驱动机构。三、分离轴承的选择 在汽车离合器中采用的分离轴承多为径向止推轴承和止推轴承。前者适用于高转速、低轴荷的情况。后者则适用于低转速、高轴向负荷的情况。因为分离轴承与膜片弹簧间有周向滑动,同时也有径向滑动。当两者在旋转不同心时,径向滑动加剧。为了消除因不同心引起的磨损,近年来在膜片弹簧离合器中广泛采用自动调心式分离轴承。本次设计采用拉式自动调心式分离轴承装置。四、从动片 从动片由摩擦片、传动钢片、减震器和花键毂组成。1.摩擦片 在性能上的要求有摩擦系数稳定,工作温度,滑磨速度,单位压力的变化对性能影响小;足够的耐磨性;足够的机械强度;热稳定性,磨合性能好;并且有利于接合
23、平顺;长期停放,摩擦面间不发生“粘着”现象。离合器所用摩擦片所用的材料有石棉基、烧结金属、金属陶瓷等材料。其中石棉基摩擦材料价格低,密度小,应用广泛。而在工作条件恶劣,工作温度很高的离合器中,烧结金属和金属陶瓷材料应用较多,故其耐高温耐磨性好,传热性好,摩擦系数较高,允许较大的单位压力。但这种材料价格较高,密度大,不能保证柔和接合。根据发动机的具体性能指标和汽车的使用条件选 12 用石棉基摩擦材料。摩擦片与传动钢片的链接有铆接法和粘结法。铆接发连接可靠,更换摩擦片方便,适宜在传动钢片上装波形弹簧片以获得轴向弹性,应用广泛。粘接法虽可充分利用摩擦片厚度,增加摩擦面积,但摩擦片更换不便,无法在传动
24、钢片上装波形弹簧片以获得轴向弹性。故采用铆接法 2减震器 扭转减震器的主要有弹性元件和阻尼元件组成。为了避免不利的传动吸共振,降低传动系噪声,可采用两三组刚度不同的弹簧,并将装弹簧的窗口长度做成尺度寸不一,利用弹簧先后起作用的方法获得边刚度特性。减震器中的阻尼元件常采用摩擦片,靠传动钢片与减震盘间的连接铆钉建立正压力,这种方案简单。1.3 离合器的工作原理 发动机飞轮是离合器的主动件,带有摩擦片的从动盘和从动毂借滑动花键与从动轴(即变速器的主动轴)相连。压紧弹簧则将从动盘压紧在飞轮端面上。发动机转矩即靠飞轮与从动盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘上,再由此经过从动轴和传动系中一系列部件传给驱动
25、轮。压紧弹簧的压紧力越大,则离合器所能传递的转矩也越大。由于汽车在行驶过程中,需经常保持动力传递,而中断传动只是暂时的需要,因此汽车离合器的主动部分和从动部分是经常处于接合状态的。摩擦副采用弹簧压紧装置即是为了适应这一要求。当希望离合器分离时,只要踩下离合器操纵机构中的踏板,套在分离套筒的环槽中的拨叉便推动分离叉克服压紧弹簧的压力向松开的方向移动,而与飞轮分离,摩擦力消失,从而中断了动力的传递。当需要重新恢复动力传递时,为使汽车速度和发动机转速变化比较平稳,应该适当控制离合器踏板回升的速度,使从动盘在压紧弹簧压力作用下,向接合的方向移动与飞轮恢复接触。二者接触面间的压力逐渐增加,相应的摩擦力矩
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