长安之星JL465Q4离合器总成设计说明书

2023年12月30日发(作者：哈弗h2自动挡落地价)

摘要

离合器是实现了汽车主从动件的分离，保证汽车起步平稳，实现换挡平顺和过载保护的重要部件。本文在对离合器的产生、分类、发展以及今后的发展方向进行了简要介绍基础上，主要针对长安之星JL456Q4型轿车的离合器及其结构、压盘与摩擦片结合方式、分离方式进行了设计，设计完成了膜片弹簧等相关零部件的尺寸，绘制了总体装配图和部分零件图，运用了AutoCAD及UG等制图软件进行图形绘制。

关键字：车辆、离合器、设计

Abstract

Clutch is the very important component to achieve a separation of master and slave

moving parts to ensure the car start smoothly to realize smooth shifting and overload

protection .In this text on the basis of a brief introduction about generation,classification,

development and future direction of the clutch,mainly for Changan StarJL456Q4 sedan

clutch and its structure, the pressure plate and friction plate binding mode, design for

separation mode,design completed the size of the diaphragm spring and related

parts,drew the general assembly drawing and some parts, using AutoCAD and UG

graphics software.

Keywords: vehicle clutch design

摘要 ...................................................................................................................................

目录 ...................................................................................................................................

第一章绪论 ...................................................................................................................

1.1

离合器简介及其作用 ..................................................................................... 5

1.2

离合器设计的设计要求 ................................................................................. 5

第二章

离合器总体方案的设计 ...................................................................................

2.1

离合器种类确定 ............................................................................................. 6

2.1.1

离合器的分类 ........................................................................................ 6

2.1.2

离合器的选取 ........................................................................................ 6

2.2

从动盘数确定 ................................................................................................. 7

2.3

压紧弹簧和布置形式的选择 ......................................................................... 7

2.3.1 压紧弹簧的选择 ..................................................................................... 7

2.3.2 膜片弹簧的支撑形式 ............................................................................. 8

2.4

压盘的驱动方式 ........................................................................................... 10

第三章

从动盘总成的设计 .........................................................................................

3.1

离合器从动盘总成设计要求 ....................................................................... 10

3.2

离合器主要参数的选择 ............................................................................... 11

3.2.1 后备系数β的确定 ............................................................................... 11

3.2.2 摩擦片外径的确定 ............................................................................. 11

3.2.3 单位压力的确定 ................................................................................. 12

3.3

从动盘摩擦材料的选取 ............................................................................... 13

3.4

从动片结构的设计及材料的选取 ............................................................... 14

3.4.1 从动片结构的设计 ............................................................................. 14

3.4.2 从动片材料的选取 ............................................................................. 14

3.5

从动盘毂的设计 ............................................................................................. 14

3.5.1 花键的设计 ......................................................................................... 14

3.6

扭转减振器的设计 ....................................................................................... 15

3.6.1 扭转减振器的概述 ............................................................................. 15

3.6.2 扭转减振器的设计 ............................................................................. 15

3.6.3 减震弹簧的设计 ................................................................................. 17

第四章

离合器盖总成设计 .........................................................................................

4.1

对离合器盖结构设计的要求 ....................................................................... 18

4.2 传动片的设计 .............................................................................................. 19

4.2.1 传动片的概述 ..................................................................................... 19

4.2.2 传动片的设计 ..................................................................................... 19

4.3

膜片弹簧的设计 ........................................................................................... 19

4.3.1 膜片弹簧的参数要求 ......................................................................... 19

4.3.2 膜片弹簧基本参数的选择 ................................................................. 20

4.4

压盘的设计 ................................................................................................... 22

4.4.1 对压盘结构设计的要求 ..................................................................... 22

4.4.2 压盘几何尺寸及材料的确定 ............................................................. 22

第五章

离合器的故障及其相关结构设计的优化 .....................................................

5.1

离合器的故障分类 ........................................................................................ 23

5.2

故障原因分析 ................................................................................................ 23

5.2.1

分离不彻底 ......................................................................................... 23

5.2.2

离合器打滑 ......................................................................................... 23

5.2.3

离合器抖动 ......................................................................................... 24

5.3

膜片弹簧的优化设计 .................................................................................... 24

第六章

总结 ...............................................................................................................

致谢 ...............................................................................................................................

参考文献 .........................................................................................................................

第一章绪论

1.1 离合器简介及其作用

在以内燃机作为动力的机械传动汽车中，无论是AMT还是MT，离合器都是作为一个独立的机构存在的。从目前来看离合器这一部件将会伴随着内燃机的存在而存在，不可能在汽车上消失。尤其是以内燃机做动力的汽车，离合器在机械传动系中是作为一个独立的总成而存在的，它是汽车传动系中直接与发动机相连的。目前，各种汽车广泛采用的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。它主要包括主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分。

离合器具有保证汽车起步平稳、换挡平顺和过载保护的作用。其工作的可靠性直接关系到汽车的正常行驶。离合器的接合和分离是通过驾驶者对离合器踏板的操作来实现的。

在汽车起步前，自然要先起动发动机。而汽车起步时，汽车是从完全静止的状态逐步加速的。如果传动系（它联系着整个汽车）与发动机刚性地联系，则变速器一挂上档，汽车将突然向前冲一下，但并不能起步。这是因为汽车从静止到前冲时，具有很大的惯性，对发动机造成很大地阻力矩。在这惯性阻力矩作用下，发动机在瞬时间转速急剧下降到最低稳定转速以下，发动机即熄火而不能工作，当然汽车也不能起步。

因此，我们就需要离合器的帮助了。在发动机起动后，汽车起步之前，驾驶员先踩下离合器踏板，将离合器分离，使发动机和传动系脱开，再将变速器挂上档，然后逐渐松开离合器踏板，使离合器逐渐接合。在接合过程中，发动机所受阻力矩逐渐增大，故应同时逐渐踩下加速踏板，即逐步增加对发动机的燃料供给量，使发动机的转速始终保持在最低稳定转速上，而不致熄火。同时，由于离合器的接合紧密程度逐渐增大，发动机经传动系传给驱动车轮的转矩便逐渐增加，到牵引力足以克服起步阻力时，汽车即从静止开始运动并逐步加速。

当汽车进行紧急制动时，若没有离合器，则发动机将因和传动系刚性连接而急剧降低转速，因而其中所有运动件将产生很大的惯性力矩（其数值可能大大超过发动机正常工作时所发出的最大扭距），对传动系造成超过其承载能力的载荷，而使机件损坏。有了离合器，便可以依靠离合器主动部分和从动部分之间可能产生的相对运动以消除这一危险。因此我们需要离合器来限制传动系所承受的最大扭距，保证安全。

1.2 离合器设计的设计要求

为了保证汽车具有良好的工作性能，对汽车离合器设计提出如下基本要求：

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，便于换挡和减小同步器的磨损；

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）操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳；

8) 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；

9) 结构应简单、紧凑、质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便等。

第二章离合器总体方案的设计

2.1 离合器种类确定

2.1.1 离合器的分类

目前离合器分有电磁离合器和磁粉离合器，摩擦式离合器、液力偶合器。其中电磁离合器和磁粉离合器是新型的离合器类型。

电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离，其工作方式又可分为：通电结合和断电结合。

磁粉离合器：在主动与从动件之间放置磁粉，不通电时磁粉处于松散状态，通电时磁粉结合，主动件与从动件同时转动。

摩擦式离合器主要由主动部分(发动机飞轮、离合器盖和压盘等)、从动部分(从动盘)、压紧机构(压紧弹簧)和操纵机构(分离叉、分离轴承、离合器踏板及传动部件等)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。

2.1.2 离合器的选取

本次专项设计题目要求车型及其相关参数如下表1所示。

表1长安之星JL465Q4发动机及其车身基本参数

发动机直系4缸

最大功率（kw/rpm）

45/5500

85/3500-4500

扭矩（Nm/rmp）

气门总数

975

整备质量（kg）

轮胎规格

发动机压缩比

缸径×行程

165/70 R13LT

9.5:1

65.5×74

制动器类型盘式

满载质量（kg）

1555

根据以上离合器各自的特点和课题要求，我们选择干式盘形摩擦离合器。

2.2 从动盘数确定

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，发动机的最大转矩一般不大。在布置尺寸允许的条件下，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以保证接合平顺。

(2) 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较大；接合更为平顺、柔和；在传递相同转矩的情况下，径向尺寸较小，踏板力较小；中间压盘通风散热性差，两片起步负载不均，容易引起摩擦片过热，加快其磨损甚至烧坏；分离行程较大，不易分离彻底，所以设计时在结构上必须采取相应的措施；轴向尺寸大，结构复杂；从动部分转动惯量较大。这种结构一般用在传递转矩较大且径向尺寸受到限制的场合。

(3) 多片离合器多为湿式，它有分离不彻底、轴向尺寸和质量大等缺点，以往主要用于行星齿轮变速器换挡机构中。但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。

由于此款长安之星为微型轿车，整备质量、满载质量分别为975kg和1555kg，有时也作为商用车使用，满载质量能达到2t左右，根据以上单片、双片和多片从动盘的适用范围和优缺点，我们选择单片从动盘。

2.3 压紧弹簧和布置形式

2.3.1 压紧弹簧的选择

(1) 周置弹簧离合器

周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，因此应用较为广泛。此结构中弹簧压力直接作用于压盘上。为了保证摩擦片上压力均匀，压紧弹簧的数目不应太少，要随摩擦片直径的增大而增多，而且应当是分离杠杆的倍数。在某些重型汽车上，由于发动机最大转矩较大，所需压紧弹簧数目较多，可将压紧弹簧布置在两个同心圆周上。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，甚至会出现弹簧断裂现象。

(2) 中央弹簧离合器

中央弹簧离合器采用一至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，不会使弹簧受热退火，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。

(3) 斜置弹簧离合器

斜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，压盘所受的压紧力几乎保持不变。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。

(4) 膜片弹簧离合器

膜片弹簧离合器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，它与其它形式的离合器相比具有如下一系列优点：

1) 膜片弹簧具有较理想的非线性特性如图1所示，弹簧压力在摩擦片允许磨损范围内基本不变，因而离合器工作中能保持传递的转矩大致不变；离合器分离时，弹簧压力有所下降，从而降低了踏板力；

图1膜片弹簧工作点位置图[1]

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，性能较稳定；而圆柱螺旋弹簧压紧力则明显下降；

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，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) 平衡性好；

7) 有利于大批量生产，降低制造成本。

考虑到车型和微型客商两用长安之星JL465Q4，以及其技术已近成熟的情况下，我们选择推式膜片弹簧离合器。

2.3.2 膜片弹簧的支撑形式

推式膜片弹簧支承结构按支承环数目不同分为三种。

a) b) c)

图2

推式膜片弹簧双支撑环形式[2]

图2为双支承环形式，其中图2-a）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，是早已采用的传统形式；图2-b)在铆钉上装硬化衬套和刚性挡环，可提高耐磨性和使用寿命，但结构较复杂；图2-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，因此其应用日益广泛。

下图3为单支承环形式。在冲压离合器盖上冲出一个环形凸台来代替后支承环(图3-a）使结构简化，或在铆钉前侧以弹性挡环代替前支承环(图3-b)，以消除膜片弹簧与支承环之间的轴向间隙。

a) b）

图3 推式膜片弹簧单支撑环形式[2]

图4为无支承环形式，利用斜头铆钉的头部与冲压离合器盖上冲出的环形凸台将膜片弹簧铆合在一起而取消前、后支承环(图4-a）；或在铆钉前侧以弹性挡环代替前支承环，离合器盖上环形凸台代替后支承环(图4-b），使结构更简化或取消铆钉，离合器盖内边缘处伸出的许多舌片将膜片弹簧与弹性挡环和离合盖上的环形凸台弯合在一起(图4-c），结构最为简单。

a) b) c)

图4 推式膜片弹簧单无支撑环形式[2]

比较以上三种膜片弹簧的支撑形式，再根据题目内容，我们选择膜片弹簧双支撑环形式。

2.4 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。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。

结合各种压盘驱动方式的优缺点和本次专项设计的题目，我们选择压盘传动片式的驱动方式。

第三章从动盘总成的设计

3.1 离合器从动盘总成设计要求

设计从动盘总成时应注意满足以下几个方面的要求：

（1）为了减少变速器换挡时轮齿间的冲击，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更均匀，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。

3.2 离合器主要参数的选择

3.2.1 后备系数β的确定

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），再加此款车用于载人和载货，所以其后备系数不能取太小也不能取太大，参照表2，我们选取后备系数β=1.70。

表2 离合器后备系数的取值范围[2]

车型后备系数β

乘用车及最大总质量小于6t的商用车

最大总质量为6-14t的商用车

挂车

3.2.2 摩擦片外径的确定

离合器摩擦片外径是离合器的基本尺寸之一，它关系到离合器的结构重量和使用寿命，它和离合器所需传递的转矩大小有一定联系。根据条件发动机传递的最大转矩为Temax=85（N.m）离合器的外径（D）（以下公式由文献[1]P58可得）

TD=100

emax （3-1）

A系数A反映了不同结构和使用条件对D的影响，可参考下列范围：

小轿车 A=47；

一般载货汽车 A=36（单片）或A=50（双片）；

自卸车或使用条件恶劣的载货车 A=19。

由于长安之星 JL465Q4是客货两用的汽车，所以可按两种不同的用途进行计算：

(1) 按乘用车

可取A=47 根据计算D=134.48mm

(2) 按商用车

可取A=36 根据计算D=153.66mm

按Temax初选D以后，可根据摩擦片尺寸的系列化和标准化进行对比和选取，如下表3所示。按照两种不同的用途，应该选取数据1，但是为了同时满足后面从动盘毂花键的尺寸如表4所示，我们选取表3中的数据2。

1.20～1.75

1.50～2.25

1.80～4.00

表3

离合器摩擦片尺寸系列和参数[1]

数据 1 2

180

125

3.5

200

140

3.5

225

150

3.5

250

155

3.5

280

165

3.5

300

175

3.5

325

190

3.5

350

195

外径D/mm 160

内径d/mm 110

厚度b/mm 3.2

c=d/D

1- c

单位面积

30.687 0.694 0.700 0.667 0.620 0.589 0.583 0.585 0.557

0.676 0.667 0.657 0.703 0.762 0.796 0.802 0.800 0.827

106 132 160 221 302 402 466 546 678

表4

从动盘毂花键尺寸系列[1]

从动盘外发动机转花键齿径D/mm 矩Te/N.m 数n

160 50 10

180

200

225

280

110

150

280

花键外径D?/mm

花间内径齿厚

d?/mm b/mm

18 3

有效齿挤压应长l/mm 力?/Mpa

20 10

11.8

11.3

11.5

10.4

3.2.3 单位压力的确定

根据离合器单位压力、后备系数和摩擦片直径三者之间的关系式确定离合器的单位压力(由文献[2]P59可得如下计算公式)

?Temax??123dfZpD(1?3)D3 （3-2）

β——离合器后备系数，轿车取β=1.70

Temax——发动机最大转矩

f——摩擦系数，取0.25

Z——离合器摩擦工作面数，单片离合器为2

D——摩擦片外径

d——摩擦片内径

1.70?85??0.25?2?p?0.183(1?0.1253)

0.1812根据计算得单位压力P约取0.285Mpa

综上可知，摩擦片相关参数为：

摩擦片外径摩擦片内径后备系数

D/mm d/mm

180 125 1.70

厚度

b/mm

3.5

单位压力Po/Mpa

0.285

3.3 从动盘摩擦材料的选取

离合器摩擦片在离合器结合过程中将遭到严重的滑磨，在相对很短的时间内产生大量的热，因此，要求摩擦片应有下列一些综合性能：

（1）在工作是有相对较高的摩擦系数；

（2）在整个工作寿命期内应维持其摩擦特性，不希望出现摩擦系数衰退的现象；

（3）在短时间内能吸收相对较高的热量，且有好的耐磨性能；

（4）能承受较高的压盘作用载荷，在离合器结合过程中表现出良好的性能（不

易出现颤抖）；

（5）能抵抗高转速下大的离心力载荷而不破坏；

（6）在传递发动机转矩时，有足够的剪切强度；

（7）具有小的转动惯量，材料加工性能良好；

（8）摩擦副对偶面有高度的容污性能，不易影响它们的摩擦作用；

（9）具有优良的性价比，不会污染环境。

基本原则是：满足较高性能的标准、成本最小、代替石棉。

1）石棉具有良好的耐热性能，因为参杂了铜丝和锌丝其性能有得到了加强，可以说是性价比良好的材料，但是它的粉尘对环境有污染；

2）有机摩擦材料在正常工作压力和温度范围内有较高的耐磨性能。重量上比石棉材料轻，可以减小转动惯量，使变速换挡更容易，有良好的接合性能。具有较高的抗拉强度，是钢的5倍。有较强的抗离心强度，可以有效的抵抗摩擦面片的飞裂，在高的工作温度下有稳定的摩擦性能；

3）金属陶瓷摩擦材料作为汽车离合器金属陶瓷材料，除了应有对一般有机摩擦材料的综合性能外，鉴于此材料的特殊性，还应着重考虑对偶件的耐磨性，以及离合器接合时工作的粗暴性。采用金属陶瓷材料作为摩擦面片的离合器，它的从动盘总成不能和有机材料面的从动盘总成互换，以免影响使用性能。

综上所述：石棉摩擦材料对环境有污染，而金属陶瓷摩擦材料对离合器的要求较高，而且价格较昂贵，所以选用有机摩擦材料作为从动片的摩擦材料。选择材料为铜基的有机摩擦材料，摩擦系数为0.25。

3.4 从动片结构的设计及材料的选取

3.4.1 从动片结构的设计

具有轴向弹性的从动片有三种结构形式：整体式、分开始和组合式弹性从动片，本次设计采用分开式弹性从动片。

3.4.2 从动片材料的选取

从动片通常用1.0～2.0mm厚的钢板冲压而成。有时将其外缘的盘形部分磨薄至0.65～1.0mm，以减小其转动惯量。从动片的材料与其结构型式有关，整体式即不带波形弹簧片的从动片，一般用高碳钢(50或85号钢)或65Mn钢板，热处理硬度HRC38～48；采用波形弹簧片的分开式(或组合式)从动片，从动片采用08钢板，氰化表面硬度HRC45，层深0.2～0.3mm；波形弹簧片采用65Mn钢板，热处理硬度HRC43～51。

本次设计采用分开式从动片，厚度为1.5mm，材料为08钢板；波形弹簧片，厚度为1.0mm，材料为65Mn钢板，其均为冲压成型。

3.5 从动盘毂的设计

发动机转矩是经从动盘毂的花键孔输出，变速器第一轴花键轴就插在该花键孔内。从动盘毂和变速器第一轴的花键结合方式一般都采用齿侧定心的矩形花键，机构形状如图3-1所示。花键之间一般为动配合，这样在离合器分离和结合过程中，从动盘毂就能在花键轴上自由滑动。从动盘毂分的结构有两部分组成：盘毂和法兰。如图5所示

图5

从动盘毂

3.5.1 花键的设计

花键的尺寸可根据摩擦片的外径D与发动机的最大转矩Temax确定，前面已经选好，如表5所示。

表5

从动盘毂花键尺寸系列[1]

摩擦片外径

D/mm

180

发动机最大转矩Temax/(N·m)

齿数n

外径D’/mm

花键尺寸

内径d’/mm

齿厚t/mm

有效尺长l/mm

挤压应力?c/MPa

11.8

3.6 扭转减振器的设计

3.6.1 扭转减振器的概述

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的固有频率，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）降低发动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。

减振器的扭转刚度k?

和阻尼摩擦元件间的阻尼摩擦转矩T?

是两个主要参数，决定了减振器的减震效果。其设计参数还包括极限转矩Tj 预紧转矩Tn和极限转角?等。

3.6.2 扭转减振器的设计

带扭转减振器的的从动盘结构简图如下图6所示弹簧摩擦式

图6

带扭转减振器的从动盘总成结构示意图[1]

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

1）极限转矩Tj

图7

减振器尺寸简图

极限转矩是指减振器在消除了限位销与从动盘毂缺口之间的间隙?1（如图7）时所能传递的最大转矩，即限位销起作用时的转矩。它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（以下公式由文献[2]P69可查得)

Tj= (1.5~2.0)

Temax (3-3)

一般乘用车：系数取1.5 即Tj=1.5Temax=127.5 N·m

2）扭转角刚度

m/rad）

K?≤13Tj=13?170=1657.5（N·3）阻尼摩擦转矩T?

由于减振器扭转刚度K?受结构及发动机最大转矩的限制，不可能很低，故为了在发动机工作转速范围内最有效地消振，必须合理选择减振器阻尼装置的阻尼摩擦转矩T?。

一般可按下式初选：

T?=(0.06~0.17)

Temax (3-4)

取T?= 0.1Temax=8.5N·m

4）预紧转矩Tn

减振弹簧在安装时都有一定的预紧。研究表明，Tn增加，共振频率将向减小频率的方向移动，这是有利的。但是Tn不应大于T?

，否则在反向工作时，扭转减振器将提前停止工作，故取

Tn= (0.05~0.15)

Temax (3-5)

取Tn= 0.1Temax=8.5N·m

5）减振弹簧的位置半径R0

R0的尺寸应尽可能大些，一般取

=(0.60~0.75)d/2=37.5～46.875mm (3-6)

减震弹簧不宜过于靠近边部，本设计中R0取40mm

6）减振弹簧个数Zj

[1]

当摩擦片外径D?250mm时，

Zj=4～6

故取Zj=6

7）减振弹簧总压力F?

当限位销与从动盘毂之间的间隙?1或?2被消除，减震弹簧传递的转矩达到最大值Tj时，减震弹簧受到的压力F?为

F?=Tj/R0= 127500/40 =3187.5N (3-7)

3.6.3 减震弹簧的设计

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(以下计算相关公式由文献[1]P94可查的)。

（1）单个减振弹簧的工作压力P

P= F?/Z=3187.5/6=531.25N (3-8)

（2）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=11～15mm

故取Dc=12mm

2）弹簧钢丝直径d

8PDc38?531.25?12 d=3==3.29mm (3-9)

?[?]??580式中，扭转许用应力[?]可取550～600Mpa,故取为580Mpa

故取d=3mm

3）减振弹簧刚度k

应根据已选定的减振器扭转刚度值k?及其布置半径R0确定，即

k?1657.5 k=??172.66(N/mm) (3-10)

2?321000R0n1000?(40?10)?64）减振弹簧有效圈数i

Gd48.3?104?(3.5?10?3)4??5.2 (3-11)

i?3?33?38?(12?10)?412.0?108Dck5）减振弹簧总圈数n

其一般在6圈左右，与有效圈数i之间的关系为

n=i+(1.5～2.5)=6.7,取n=6

减振弹簧最小高度

lmin?n(d??)?1.1dn=19.8mm

弹簧总变形量

?l?减振弹簧总变形量l0

P531.25??3.08mm (3-12)

k172.66

l0=lmin??l=19.8+3.08=22.88mm

减振弹簧预变形量

Tn8.5=?0.002mm (3-13)

kZR0172.66?6?40减振弹簧安装工作高度l

l?l0??l\'=22.88-0.002=22.86mm

?l\'?6）从动片相对从动盘毂的极限转角?

最大转角?和减振弹簧的工作变形量?l\'\'(?l\'\'??l??l\')有关，其值为

??2arcsin(?l\"/2R0)=4.41° (3-14)

7）限位销与从动盘毂缺口侧边的间隙?1

?1?R2sin? (3-15)

式中，R2为限位销的安装尺寸。?1值一般为2.5～4mm

所以可取?1为3.2mm,

R2为41.6mm,取整R2=42mm

8）限位销直径d\'

d\'按结构布置选定，一般

d\'＝6～12mm

可取d\'为8mm

综合以上数据可得，如下表6所示，扭转减震器的相关参数

表6 扭转减震器相关参数

极限转矩阻尼摩擦转矩T?(N.m)

Tj（N.m） 127.5

预紧转矩Tn(N.m)

8.5

减振弹簧的位置半径R0(mm)

减振弹簧个数Zj

6 8.5

第四章离合器盖总成设计

4.1 对离合器盖结构设计的要求

离合器盖总成除了压紧弹簧外还有离合器盖、压盘、传动片、分离杠杆装置及支承环等。

对离合器盖结构设计的要求：

1) 应具有足够的刚度，以免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。为此可采取如下措施：适当增大离合器盖的板厚，一般为2.5～4.0mm；在盖上冲制加强肋或在盖内圆周处翻边；尺寸大的离合器盖可改用铸铁铸造；

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。对中方式采用定位销或定位螺栓，也可采用止口对中；

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

风口，将离合器制成特殊的叶轮形状，或在盖上加设通风扇片等，用以鼓风。

中、轻型货车及轿车的离合器盖一般用08F、08Al、08钢等低碳钢板，重型汽车则常用铸铁件或铝合金压铸件。由于08钢为极软的碳素钢，强度、硬度很低，而韧性和塑性极高，具有良好的深冲、拉延、弯曲和镦粗等冷加工性能、焊接性能，所以本次设计初选08钢板厚度为3mm。

4.2 传动片的设计

4.2.1 传动片的概述

传动片在不同的离合器结构中，起的作用不完全相同。基本上有两种情况：对于周置螺旋弹簧离合器的传动片，它主要承担向离合器压盘传递发动机的转矩，使之成为摩擦副中的主动件，而压盘的分离由分离杠杆来完成。而现在膜片弹簧离合器中的压盘传动片，除了要承担传递发动机的转矩之外，还要依靠传动片的弹性作用使压盘分离（如果不想用传动片来分离压盘也可以）。利用传动片来分离压盘，在离合器结果设计上要简单些，但传动片受力状况要复杂得多，传动片的负荷也更严重，故必须仔细的对其进行强度校核。

4.2.2 传动片的设计

压盘通过传动片和离合器盖相连而被驱动。根据对传动片的功能要求，决定用它一端用铆钉固定在压盘上，另一端用铆钉与离合器盖相连，它们沿圆周切向布置，一般布置有3～4组，而每组又由2～4个弹性薄片组成。偏厚1～1.2mm，保证其既有足够的轴向弹性使压盘容易分离，又有足够的强度不至于因弯曲拉压而断裂。

在布置传动片时要注意，通常情况下（既发动机正向输出转矩）传动片应该受拉力，但是当由车轮驱动发动机时，传动片将受压，此时要当心它受压时的压杆稳定性问题。

本次设计可选3组(i=3)，每组3片(n=3)，每片厚度为h=1mm，传动片两铆钉中心距离l=40mm,传动片宽度b=25mm,由弹簧钢65Mn制成。

4.3 膜片弹簧的设计

4.3.1 膜片弹簧的参数要求

膜片弹簧是一种由弹簧钢制成的具有特殊结构的碟形弹簧，主要由碟簧部分和分离指部分组成。膜片弹簧离合器与其他形式的离合器相比，有如下优点：

1) 具有较理想的非线性弹性特性；

2) 兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用；

3) 高速旋转时，弹簧压紧力降低很少，性能较稳定；

4) 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) 通风散热良好，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。

4.3.2 膜片弹簧基本参数的选择

（1）比值H/h和h的选择

图8

膜片弹簧的弹性特性曲线[2]

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H/h一般为1.5~2.0，板厚h为2~4mm。

为使操作轻便，参考上图8，本设计取h = 2 mm ，H/h =1.7 ，即

H = 1.7h =3.4 mm。

（2）R/r比值和R、r的选择

研究表明，R/r越大，弹簧材料利用率越低，弹簧越硬，弹性特性曲线受直径误差的影响越大，且应力越高。根据结构布置和压紧力的要求，R/r一般为1.20~1.35。为使摩擦片上的压力分布较均匀，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。

本设计选取R/r=1.25，R≥Rc=(D+d)/4=(180+125)/4=76.25mm，取R=85mm,则r=68mm。

（3）膜片弹簧起始圆锥底角α的选择

膜片弹簧在自由状态下的圆锥底角α与内截锥高度H关系密切，α=arctan[H/(R-r)]≈H/(R-r),一般在10°～15°范围内选择。

本设计之锥角为：α≈3.4/（85-68）≈11.3°。落在10°～15°的范围内，因此设计合理。

（4）膜片弹簧工作点位置的选择

图9

膜片弹簧工作点位置

膜片弹簧工作位置如上图9所示。选择好曲线上的几个特定工作点的位置很重要。

拐点H对应着膜片弹簧的压平位置。

1）B点：为新离合器（摩擦片无磨损）接合状态时的工作点的位置，一般来说，在该点要保证膜片弹簧有足够大的压紧力。此时，在压盘作用处的轴向变形量λ1B可在下列范围内选取：?1B=（0.7～0.85）H

本设计取?1B=0.8?3.4=2.72mm

2）A点：为摩擦片磨损到极限的位置。要依据B点的位置再有摩擦片总磨损量△λ求得。应注意在A点处的膜片弹簧工作压紧力要较B点处略高（考虑弹力衰减）。△λ可按下式求出：

???Zc??S0

ZC—离合器摩擦片总的工作表面数目，本设计为单片则ZC=2

△SO—每个摩擦工作表面的最大允许磨损量，一般为△SO=0.65～1.1mm

本设计取△SO=0.9mm，则△λ=2?0.9=1.80mm。

3）C点：为离合器分离时膜片弹簧的工作位置。它一般在特性曲线的凹点附近，此时分离力较小。C点的位置取决于压盘升程?1f。?1f可由下式求得：

?1f?Zc??S

ZC—离合器摩擦片总的工作表面数目，本设计为单片则ZC=2

△S—彻底分离时每对摩擦片面之间的间隙，单片式可取△S=0.75～1mm，双片式可取小一点，约为0.5。

本设计为单片取△S=0.8mm，则?1f=2?0.8=1.6mm

膜片弹簧从安装到彻底分离的总变形量?1=2.72+1.6=4.32mm

（5）分离指数目n的选取

分离指的数目n、切槽宽?1以及窗空宽?2和半径r的选择都要符合标准来选取。汽车离合器的膜片弹簧的分离指的数目要大于12个，一般在18左右取整偶数，以方便于生产制造时好利用模具分度；

本设计中取分离指数n为18。

（6）膜片弹簧小段内半径r0及分离轴承作用半径rf的确定

其最小值应大于变速器第一轴的花键外径。rf应大于r0由离合器的结构决定，[2]

r0。

r0与rf之差在一定的范围内，0≤rf-r0≤4

膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，因此其杠杆比应在一定范围内选取，

即:

推式：2.3≤r1?rf83?70R1?r1根据折中原则得：rf?25.8mm ，r0=22mm

≤4.5 所以 2.3≤≤.570?rf4，得11.5?rf?40.1

（7）切槽宽δ1、窗孔槽宽δ2及窗孔内半径re的确定

切槽宽?1一般在范围3~5mm之间；窗空宽?2?(2.5~3)?1，其半径re?r?(0.8~1.4)?2。

本设计选取?1=4,?2=11，则：

re≤68-11=57。本设计取re=55mm

（8）支承圈平均半径r1和和膜片弹簧与压盘的接触半径R1

r1与R1的取值将影响膜片弹簧的刚度。r1应略大于r且尽量接近r；R1应略小于且尽量接近R。1?R?R1?7且

0?r1?r?6

根据以上所述及已知R和r的值,本设计选取r1=70mm，R1=83mm

4.4 压盘的设计

4.4.1 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，减小温升，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10～25 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15～20g·cm；

4) 压盘高度(从承压点到摩擦面的距离)公差要小。

4.4.2 压盘几何尺寸及材料的确定

1）压盘的几何尺寸

压盘与摩擦片相接触，压盘的尺寸应大于摩擦片尺寸。因此，压盘的径向尺寸就很好确定了，压盘的尺寸确定就主要是厚度的确定。

通过摩擦片的内、外径尺寸来确定压盘的内外径：

压盘外径=D+（0～5）=180+(0～5)=180～185,取180mm

压盘内径=d-（0～5）=125-（0～5）=125～120，取120mm

压盘一般都做得比较厚（载重汽车上一般不小于 15mm ），但一般不小于

10mm 。在该设计中，初步确定该离合器的压盘的厚度为10mm 。

2）压盘材料的选取

压盘形状较复杂，要求传热性好、具有较高的摩擦系数及耐磨。通常由灰铸铁HT200(密度7.2g/cm3)铸成，金相组织呈珠光体结构，硬度HB170～227。另外可添加少量金属元素(如镍、铁、锰合金等)以增强其机械强度。

第五章离合器的故障及其结构设计的优化

5.1 离合器的故障分类

离合器的故障大致可以分为以下几类：

（1）分离不彻底；

（2）离合器打滑；

（3）离合器接合时发抖。

5.2 故障原因分析

5.2.1 分离不彻底

(1) 分离机构安装或调整不正确（如：离合器踏板自由行程过大）；

(2) 分离指高度不一致；

(3) 压盘总成失效（如：传动片提升力不足）；

(4) 从动盘花键胶合：从动盘花键在花键轴上的活动不灵活，移动受阻。其表现为离合器压盘已分离，而从动盘不易从飞轮面处脱开，使的变速器第1轴继续旋转。造成这种情况的原因可能是，花间配合面生锈、沾污、配合不恰当，或花键轴（毂）上有刻痕、毛刺、飞边等；

(5) 分离轴承或拨叉保持架损坏；

(6) 浸油，从动盘吸附。

5.2.2 离合器打滑

（1）分离机构安装或调整不正确（如：离合器踏板自由行程过小）；

（2）离合器片磨损超过极限值：摩擦面磨损若是在正常的范围之内不会有问题，若摩擦片的磨损超过了设计上允许的限度，则夹紧载荷将过分减少，到一定程度即要发生打滑；

（3）离合器壳体浸油：离合器打滑可能是从动盘摩擦片上面有油污，这可能是由于发动机曲轴后主油封的渗漏所致。一旦摩擦面片上有油，摩擦面片的摩擦系数就会立即变小从而发生滑动。离合器打滑后产生大量的热，最终导致离合器烧坏失效；

（4）驾驶员操作不当（如：将脚老放在离合器踏板上）；

（5）摩擦片选用不当，过热引起摩擦系数下降或烧片。

5.2.3 离合器抖动

（1）汽车相关零件损坏（如：导向轴承、输入轴、变速器齿轮等）；

（2）分离机构变形、松动或磨损；

（3）压盘总成安装歪斜，导致分离指不平；

（4）压盘、或飞轮扭曲变形：由于压盘表面和离合器盖与飞轮相接合的表面不平行，当离合器接合时，在360°的转动范围内所传递的转矩就会改变，这种转矩的改变在传动中呈周期性，这种周期性的脉动会变成激励力，若传动系的固有频率和它一致，就会引起抖动；

（5）发动机支座松动或减震垫老化。

5.3 膜片弹簧的优化设计

膜片弹簧的优化设计就是要确定一组弹簧的基本参数，使其弹性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

1）弹簧工作时的最大应力为最小；

2）在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上的分离操纵力的平均值为最小；

4）在摩擦片磨损极限范围内，弹簧压紧力变化的绝对值的平均值为最小；

5）选3）和4）两个目标函数为双目标。

为了既保证离合器使用过程中传递转矩的稳定性，又不致严重过载，且能保证操纵省力，选取5）作为目标函数，通过两个目标函数分配不同的权重来协调他们之间的矛盾，并用转换函数将两个目标合成一个目标，构成统一的总目标函数，则

f(X)??1f1(X)??2f2(X) （5-1）

式中，?1和?2分别为两个目标函数f1(x)和f2(x)的加权因子，视设计要求选定。

2．设计变量

图10

子午端面绕中性点的转动

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[2]

动，如图10。

通过支承环和压盘加在膜片弹簧上的载荷F1集中在支承点处，加载点间的相对轴向变形为?1，如图11，则有关系式

图11 膜片弹簧在不同工作状态时的变形[2]

a)自由状态 b)压紧状态 c）分离状态

F1?f(?1)?[?Eh?1ln(R/r)?1R?rR?r][(H??)(H?)?h2]

（5-2）

122R1?r12R1?r16(1??)(R1?r1)从膜片弹簧载荷变形特性公式（5-2）可以看出，应选取H、h、R、r、R1、r1这六个尺寸参数以及在接合工作点相应于弹簧工作压紧力F1B的大端变形量?1B为优化设计变量，即

X?[x1x2x3x4x5x6x7]T?[HhRrR1r1?1B]T （5-3）

3．约束条件

1) 应保证所设计的弹簧工作压紧力F1B与要求压紧力FY相等，即

F1B=FY （5-4）

要求压紧力FY?TC1.70?85??3790.2N

fZRC0.25?2?0.07625 2) 为了保证各工作点A、B、C有较合适的位置(A点在凸点M左边，B点在拐点H附近，C点在凹点N附近，如图5-2所示)，应正确选择?1B相对于拐点?1H的位置，一般?1B?1H=0.8~1.0，则有

符合要求。

3) 为了保证摩擦片磨损后离合器仍能可靠地传递转矩，并考虑到摩擦因数的下降，摩擦片磨损后弹簧工作压紧力F1A应大于或等于新摩擦片时的压紧力F1B，即

F1A?F1B

?1B?R?r?2.7285?68????3.4?83?70?1.0 （5-5）

H?R?r?11?

4) 为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的Hh应在一定范围内，即：

1.6?Hh?2.2 （5-6）

Hh=3.4/2.72=1.25 符合要求。

5) 弹簧各部分有关尺寸比值应符合一定的范围，即

1.20?Rr?1.35 （5-7）

Rr=85/68=1.25 符合要求。

第六章总结

本设计以“机械设计、汽车设计、二维制图模型”为主线，主要采用AutoCAD设计一个长安汽车膜片弹簧离合器总成。本次设计我利用AutoCAD软件绘制了离合器总成和部分零件的二维图形，由于能力有限，难免有些不合理的地方，此次设计充分利用了已学过的汽车设计和机械设计知识，使我对所学知识有了一个系统的认识、复习、巩固和深入。通过这次设计，我对机械设计和汽车设计有了更深刻的认识，也初步掌握了机械设计的方法和使用有关机械设计手册的方法；对机械零件、汽车部件、装配技术、计算机软件使用技术等作了一个全新的认识和再学习，加深了理解，并扩展了知识面；充分利用计算机CAD技术进行了绘图；提高了计算机的使用能力。自己平日的理论知识虽然仍没有真正应用于实际生产中，但利用课程设计这个平台，使我充分认识到自己理论学习中的不足，熟悉了一些新的设计方法。尤其是在画图方面，进一步熟练、巩固，这次课程设计为我以后的学习及毕业设计打下了基础。

致谢

本次专项设计，我们三个人为一个小组，共同努力，但分工也很明确，经过一个多月的努力，圆满完成了此次的课题。在设计过程中，难免遇到很多问题，虽然我们三个各有侧重点，但遇到问题也是共同讨论，实在解决不了的问题，我们会去找我们的指导老师。在此，我要特别感谢蔡老师，他作为我们的指导老师，尽心尽力，帮我们攻克一个又一个的难关。很难想象，如果不是他们及时地指出我错误，我就必须得花费很大的精力，而且效果不一定好。同时，也很感谢不是和我一个组，但也给予我帮助的同学，谢谢你们。