实用微型客车设计—离合器及操纵机构设计-说明书.doc

车辆与动力工程学院毕业设计说明书毕 业 设 计（论 文） 题目 实用微型客车设计离合器及操纵机构设计 实用微型客车设计离合器及操纵机构设计摘 要在传动系中，离合器位于发动机与变速器之间，其作用是使驾驶员可以把发动机与变速器结合或 脱离。汽车离合器看似简单、工作原理浅薄，但是其结构的发展却经历了上百年，融入了几代人的智慧和心血才达到现今的地步。其设计理论也从传统的机械、力学领域深入到热、电、材料、控制等众多学科领域。今天技术已发展到电子化、信息化，离合器的发展也面临着用新的技术进行改造和提高。从微型客车的经济性和其操纵的稳定性方面来考虑，本次设计采用膜片弹簧式离合器，拉锁式操纵机构，设计中注重理论计算，使离合器的各项指标均达到要求。通过离合器膜片弹簧参数优化设计，扭转减震器以及操纵机构的设计计算，使其结构简单，操纵轻便。随着汽车发动机的转速和功率不断提高，汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求也越来越高，提高离合器的可靠性和延长其使用寿命，适应发动机的高转速，增加离合器传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。开发出适用于微型客车且性能高，成本低，便于维修的离合器是本次设计的核心部分。关键词：离合器，从动盘，膜片弹簧，压盘THE DESIGN OF PRARECTICAL MINIATURE CARCLUTCH AND MANIPULATE DESIGNABSTRACTThe clutch is located in the power train between the engine and the transmission .Its purpose is to permit the driver to couple or uncouple the engine and transmission. Though the cars clutch seems simple, the principle of the work is superficial, but Its structure has been developed for hundred of years, It integrated a few peoples intelligence and strenuous effort up to today, Its design has been developed from the traditional machine and mechanics into electricity, material, control.etc. The technique of today has already developed to electricity and information-based, the development of clutch also faces some useful and new technique to carry on reformation and exaltation. Considering the miniature cars economy and the stability of manipulate, The design adopt diaphragm spring coil type clutch, pull a lock type manipulate organization。In the process of design ，pay attention to a theories calculation, make all the various index signs of clutch attain the request.Through the excellent design of clutchs diaphragm spring parameter, manipulate the design calculation of organization, make its structure simple, manipulate easy and convenient. Because the car launches turn of machine to soon continuously raise with power, the car electronics is technical high speed development, peoples request to the clutch is also more and more high ,develop to be applicable to miniature car and high performance, low cost, easy to maintain of the clutch is core part for design at this time.KEY WORD：clutch，driven dish，diaphragm spring，pressure plate目 录第一章 前言.1 1.1概述.11.1.1离合器设计的原则.1 1.2.2离合器的组成.2第二章 离合器的方案选择.42.1离合器的分类. 42.2 从动盘数的选择.42.2.1单片离合器.42.3.2 双片离合器.42.3.3多片离合器.52.3 压紧弹簧及其布置形式的选择.52.3.1 圆周布置弹簧离合器.52.3.2 中央布置弹簧离合器.52.3.3 斜布置弹簧离合器.52.3.4 膜片弹簧离合器.52.3.5膜片弹簧的支承形式.72.3.6压盘的驱动方式.7第三章 离合器主要参数的选择与计算.83.1离合器主要参数的选择依据.83.2离合器主要参数的计算.113.2.1离合器主要参数的选择与计算.113.2.2 离合器基本参数的优化.12第四章 膜片弹簧的设计与计算.154.1膜片弹簧的尺寸选择.154.1.1 膜片弹簧的尺寸选择依据.174.1.2 膜片弹簧基本尺寸的选择.174.2 膜片弹簧的优化设计.174.3 膜片弹簧的工作点选择及计算.224.3.1膜片弹簧工作点的选择.224.3.2膜片弹簧的强度校核.23第五章 扭转减振器的设计.265.1 扭转减振器线性和非线性特性.265.2 扭转减振器的主要参数.275.3 减振弹簧的计算.29第六章 离合器操纵系统设计.326.1 对离合器操纵机构的要求.326.2 操纵机构结构的选择.326.3 离合器操纵机构的设计计算.33第七章 离合器主要零部件的结构设计.367.1 从动盘总成.367.1.1 从动盘毂.367.1.2 摩擦片.377.2离合器盖总成.387.2.1 离合器盖.387.2.2 压盘.397.2.3 传动片.407.2.4分离杠杆装置.407.2.5 支承环.407.3分离轴承总成.41第八章 结论.42参考文献.43致谢.44第一章 前言1.1 概述对于以内燃机为动力的汽车，离合器在机械传动中是作为一个独立的总成而存在的，它是汽车传动系直接与发动机相连接的总成。目前，各种汽车广泛使用摩擦离合器是一种依靠主、从动部分之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。离合器的主要功能是切断和实现对传动系的动力传递。主要功用：(1) 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) 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。1.1.1 离合器设计的原则1.在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备；2.接合时要平顺柔和，以保证汽车起步时没有抖动和冲击；3.分离时要迅速、彻底；4.离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击，便于换挡和减少同步器的磨损；5.应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果，以保证工作温度不致过高，延长其使用寿命；6.应使传动系避免扭转共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力；7.作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能；8.操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳；9.应有足够的强度和良好的动平衡，以保证其工作可靠、寿命长；10.结构简单、紧凑、质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便等。1.1.2 离合器的组成1. 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34个传动片传递转矩的 2. 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。 3. 扭转减振器 离合器接合时，发动机发出的转矩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六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，压紧力随翘曲的扇形部分被压平而逐渐增大，从而达到接合柔和的效果。 4. 压紧机构 压紧机构主要由螺旋弹簧或膜片弹簧组成，与主动部分一起旋转，它以离合器盖为依托，将压盘压向飞轮，从而将处于飞轮和压盘间的从动盘压紧。 5. 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。6.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。 a.结合状态 b.分离状态图1-1 离合器工作原理图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，套在从动盘毂的环槽中的拨叉便推动从动盘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，相应的摩擦力矩也逐渐增加。当飞轮和从动盘接合还不紧密，二者之间摩擦力矩比较小时，二者可以不同步旋转，即离合器处于打滑状态。随着飞轮和从动盘接合紧密程度的逐步增大，二者转速也渐趋相等。直到离合器完全接合而停止打滑时，汽车速度方能与发动机转速成正比。48第二章 离合器的方案选择2.1 离合器的分类汽车离合器大多是盘式摩擦离合器，按其从动盘数目可分为：单片、双片和多片三类；根据压紧弹簧布置形式不同可分为：圆周布置、中央布置和斜布置等形式；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：拉式和推式两种形式。2.2 从动盘数的选择2.2.1 单片离合器单片离合器（图2-1）结构简单，尺寸紧奏，散热良好，维修调整方便，从动部分转动惯量小，能保证分离彻底，接合平顺。适用于轿车和轻型、微型车。2.2.2 双片离合器双片离合器（图2-2）摩擦面数是单片离合器的两倍，传递转矩能力较大，但是中间压盘通风散热性不好，两片起步负载不均，因而容易烧坏摩擦片，分离不够彻底。此结构一般用于传递转矩较大的场合。图2-1 单片离合器 图2-2 双片离合器2.2.3 多片离合器多片离合器主要用于行星齿轮变速器换挡机构中。它具有接合平顺柔和、摩擦表面温度较低、磨损较小，使用寿命长等优点，主要应用于重型牵引车和自卸车上。 通过以上分析比较，微型客车选用单片干式离合器。2.3 压紧弹簧及其布置形式的选择2.3.1 圆周布置弹簧离合器圆周布置弹簧离合器的压紧弹簧均采用圆柱螺旋弹簧，其特点是结构简单、制造容易。为了保证摩擦片上压力均匀，压紧弹簧数目不应太少，要随摩擦片直径的增大而增大，而且应当是分离杠杆的倍数。其缺点是压紧弹簧直接与压盘接触，易受热退火，且当发动机转速很高时，圆周布置弹簧由于受离心力作用而向外弯曲，使弹簧压紧力下降，离合器传递转矩能力也随之降低；弹簧靠到它的定位面上，造成接触部位严重磨损，甚至会出现断裂现象。2.3.2 中央布置弹簧离合器中央弹簧离合器采用一到两个圆柱螺旋弹簧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。由于可选用较大的杠杆比，因此可得到足够的压紧力，且有利于减小踏板力，使操纵轻便。此外，压紧弹簧不与压盘直接接触，不会使弹簧退火，通过调整垫片或螺纹容易实现对压紧力的调整。这种结构多用于重型汽车上。2.3.3 斜布置弹簧离合器斜布置弹簧离合器的弹簧压力斜向作用在传力盘上，并通过压杆作用在压盘上。这种结构的显著优点是在摩擦片磨损或分离离合器时，压盘所受的力几乎保持不变。与上述两种离合器相比，具有工作性能稳定、踏板力较小的突出优点。此结构在重型汽车上已有采用。2.3.4 膜片弹簧离合器膜片弹簧离合器（图2-3）中的膜片弹簧是一种具有特殊结构的碟形弹簧，主要由碟簧部分和分离指组成。1.优点它与其它形式的离合器相比具有以下一系列优点：1）弹簧具有较理想的非线性特性（如图2-4），弹簧压力在摩擦片允许磨损范围内基本不变（从安装工作点B变化到A点），因而离合器工作时能保持传递转矩大致不变；对于圆柱螺旋弹簧，其压力大大下降（从B点变化到 C点）。离合器分离时，弹簧压力有所降（从B点变化到C点），从而降低了踏板力；对于圆柱螺旋弹簧，压力则大大增加（从B点变化到C 点）。 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，弹簧压紧力降低很少，性能稳定；而圆柱螺旋弹簧压紧力明显下降。4）由于膜片弹簧大断面环形与压盘接触，故其压力分布均匀，摩擦片磨损均匀，使用寿命长。5）易于实现良好的通风散热，使用寿命长。6）平衡性好。7）有利于大批量生产，降低制造成本。2.缺点1）制造工艺复杂，对材质和尺寸精度要求高。2）非线性特性不易控制，开口处容易产生裂纹，端部容易磨损。图2-3 膜片弹簧离合器 图2-4膜片弹簧工作点位置 近年来，由于材料性能的提高，制造工艺和设计方法的逐步完善，膜片弹簧的制造已日趋成熟，因此，膜片弹簧离合器不仅在轿车上被大量采用，而且在轻、中、重型货车以及客车上也被广泛采用。2.3.5 膜片弹簧的支承形式图2-5 推式膜片弹簧双支承环形式本次设计采用的是推式膜片弹簧，（图2-5）是推式膜片弹簧的三种支承形式，图2-5a)用台肩式铆钉将膜片弹簧、两个支承环与离合器盖定位铆合在一起，结构简单；图2-5 b)在铆钉上装硬化衬套和刚性档环，提高了耐磨性，延长了使用寿命，但结构较复杂；（图2-5 c)取消了铆钉，在离合器盖内边缘上伸出许多舌片，将膜片弹簧、两个支承环与离合器盖弯合在一起，使结构紧凑、简化，耐久性良好，应用日益广泛。设计中采用了图2-5 a)支承形式。2.3.6 压盘的驱动方式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等多种。前三种的缺点是在连接件之间都有间隙，在传动过程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，沿圆周切向布置三组或四组薄弹簧钢片两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联结。（图2-2），传动片的弹性允许其做轴向移动。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。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。综上所述，本次设计的微型客车的离合器为推式膜片弹簧离合器。力求结构简单，工作可靠，降低成本。第三章 离合器主要参数的选择与计算3.1 离合器主要参数的选择摩擦离合器是靠存在于主、从动部分摩擦表面之间的摩擦力矩来传递发动机转矩的。离合器的静摩擦力矩为：(3-1)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(3-2)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根据压力均匀的假设，可表示为(3-3)当dD06时，Rc可相当准确地由下式计算 (3-4) 将式（3-2）与式（3-3）代入式（3-1）得 (3-5)式中，为摩擦片内外径之比，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，设计时应大于发动机最大转矩，即 (3-6)式中,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、和摩擦片厚度以及结构参数摩擦面数和离合器间隙，最后还有摩擦系数。1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)要防止离合器滑磨过大。3)要能防止传动系过载。 显然，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。各类汽车离合器的值见表3-1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商用车1.502.25挂车1.804.002单位压力 单位压力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，p0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，p0应取小些；后备系数较大时，p0可适当增大。 当摩擦片采用不同的材料时，取值范围见表3-2表3-2摩擦片单位压力p0的取值范围摩擦片材料单位压力p0（Mpa）石棉基材料模压0.150.25编织0.250.35粉末冶金材料铜基0.350.50铁基金属陶瓷材料0.701.503. 摩擦片外径、内径和厚度当离合器结构形式及摩擦片材料已选定，发动机最大转矩已知，结合式(3-5)和式(3-6)，适当选取后备系数和单位压力，即可估算出摩擦片外径。 (3-7) 摩擦片外径(mm)也可根据发动机最大转矩(Nm)按如下经验公式选用 (3-8) 式中：为直径系数，取值范围见表3-3表3-3 直径系数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在同样外径时，选用较小的内径d 虽可增大摩擦面积，提高传递转矩的能力，但会使摩擦面上的压力分布不均匀，使内外缘圆周的相对滑磨速度差别太大而造成摩擦面磨损不均匀，且不利于散热和扭转减振器的安装。摩擦片尺寸应符合尺寸系列标准GB576486汽车用离合器面片，所选的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。4.摩擦因数、摩擦面和离合器间隙摩擦片的摩擦因数f取决于摩擦片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。石棉基材料的摩擦因数f受工作温度、单位压力和滑磨速度影响较大，而粉末冶金材料和金属陶瓷材料的摩擦因数f较大且稳定。各种摩擦材料的摩擦因数f的取值范围见表3-4表3-4 摩擦材料的摩擦因数的取值范围摩擦片材料摩擦因数石棉基材料模压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0.701.50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。离合器的间隙是指离合器处于正常结合状态、分离套筒被回位弹簧拉到极限位置时，为保证摩擦片正常磨损过程中离合器仍能完全结合，在分离轴承和分离杠杆内端之间留有的间隙。该间隙一般为1.53mm。3.2 离合器主要参数的计算3.2.1 离合器主要参数的选择与计算根据以上离合器主要参数的选择的依据的条件，本设计离合器采用模压石棉基材料初选取各参数为： =0.20, =0.18106MPa,=2, b =3.5mm, 由已知条件：=52 Nm, 1摩擦片外径D、内径d由式(38)知：=105.28mm由于摩擦片的外径D(mm)的选取应使最大圆周速度VD不超过6570m/s，即 (3-9)则D的取值范围为：105.28mm D +40mm 可得 2102502503203250.280.300.350.407) 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，每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值。 (3-10)式中，为单位摩擦面积滑磨功(Jmm2)；为其许用值(Jmm2)，对于轿车： =0.40Jmm2；对于轻型货车=0.33Jmm2；对于重型货车：=0.25Jmm2。由下式： (3-11)可算出，式中，W为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功(J)，为汽车总质量(kg)； =1400kg为轮胎滚动半径(m)； =270mm为起步时所用变速器挡位的传动比； =3.647为主减速器传动比； =5.598为发动机转速(rmin)，计算时轿车取2000rmin，货车取1500rmin。则由式（3-11）得：由式（3-10）得：=0.25Jmm2第四章 膜片弹簧的设计与计算4.1膜片弹簧的尺寸选择4.1.1 膜片弹簧的尺寸选择依据图4-1膜片弹簧的尺寸简图膜片弹簧的主要参数：膜片弹簧自由状态下碟簧部分的内截锥高度 H；膜片弹簧钢板厚度 h ；自由状态下碟簧部分大端半径 R；自由状态下碟簧部分小端半径 r ；自由状态时碟簧部分的圆锥底角 ；分离指数目 n 等，见图41。1.比值H/h和h的选择比值H/h对膜片弹簧的弹性特性影响极大。由图4-2可知，当Hh 时，F1 = (1)有一极大值和一极小值；当Hh =时，F1= (1)的极小值落在横坐标上。为保证离合器的压紧力变化不大和操纵方便，离合器膜片弹簧的H/h一般为1.52.5,板厚为24mm。图4-2 膜片弹簧的弹性特性曲线2.比值Rr和R 、r的选择研究表明，R/