汽車設(shè)計(jì)2(幻燈片)課件

1、第二章離合器的設(shè)計(jì)第二章 離合器的設(shè)計(jì) 本章主要學(xué)習(xí)：（1）汽車離合器設(shè)計(jì)的基本要求；（2）各種形式汽車離合器的特點(diǎn)及應(yīng)用；（3）離合器基本參數(shù)的選擇及優(yōu)化； （4）膜片彈簧主要參數(shù)的選擇及優(yōu)化； （5）扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)； （6）離合器的操縱。 第二章 離合器的設(shè)計(jì) 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 離合器的結(jié)構(gòu)方案分析 第三節(jié) 離合器主要參數(shù)的選擇 第四節(jié) 離合器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 第五節(jié) 扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì) 第六節(jié) 離合器的操縱機(jī)構(gòu) 摩擦離合器主要組成 摩擦離合器主要由主動(dòng)部分（發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪、離合器蓋和壓盤等）、從動(dòng)部分（從動(dòng)盤）、壓緊機(jī)構(gòu)（壓緊彈簧）和操縱機(jī)構(gòu)（分離叉、分離軸承、離合器踏板及傳動(dòng)部件等）四部分

2、組成。 主、從動(dòng)部分和壓緊機(jī)構(gòu)是保證離合器處于接合狀態(tài)并能傳遞動(dòng)力的基本結(jié)構(gòu)。操縱機(jī)構(gòu)是使離合器主、從動(dòng)部分分離的裝置。 離合器動(dòng)畫演示汽車離合器設(shè)計(jì)的基本要求 1）在任何行駛條件下，能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。 2）接合時(shí)平順柔和，保證汽車起步時(shí)沒有抖動(dòng)和沖擊。 3）分離時(shí)要迅速、徹底。 4）從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，減輕換擋時(shí)變速器齒輪間的沖擊。 5）有良好的吸熱能力和通風(fēng)散熱效果，保證離合器的使用 壽命。 6）避免傳動(dòng)系產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)共振，具有吸收振動(dòng)、緩和沖擊的 能力。 7）操縱輕便、準(zhǔn)確。 8）作用在從動(dòng)盤上的壓力和摩擦材料的摩擦因數(shù)在使用過 程中變化要盡可能小，保證有穩(wěn)定的工作性能。 9）應(yīng)

3、有足夠的強(qiáng)度和良好的動(dòng)平衡。10）結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單、緊湊，制造工藝性好，維修、調(diào)整方便等。 第二節(jié) 離合器的結(jié)構(gòu)方案分析 汽車離合器多采用盤形摩擦離合器。按其從動(dòng)盤的數(shù)目單片雙片多片根據(jù)壓緊彈簧布置形式圓周布置中央布置斜向布置等根據(jù)使用的壓緊彈簧形式圓柱螺旋彈簧圓錐螺旋彈簧膜片彈簧離合器根據(jù)分離時(shí)所受作用力的方向拉式推式1從動(dòng)盤數(shù)的選擇 單片離合器（圖2-1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，散熱良好，維修調(diào)整方便，從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在使用時(shí)能保證分離徹底、接合平順。雙片離合器（圖2-2）傳遞轉(zhuǎn)矩的能力較大，徑向尺寸較小，踏板力較小，接合較為平順。但中間壓盤通風(fēng)散熱不良，分離也不夠徹底。圖2-1 單片離合器 圖

4、2-2 雙片離合器 多片離合器主要用于行星齒輪變速器換擋機(jī)構(gòu)中。它具有接合平順柔和、摩擦表面溫度較低、磨損較小，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于重型牽引車和自卸車上。 膜片彈簧離合器（圖2-3）的優(yōu)點(diǎn)：圖2-3 膜片彈簧離合器 1）膜片彈簧具有較理想的非線性特性；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向尺寸小，零件數(shù)目少，質(zhì)量??；3）高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓緊力降低很少，性能較穩(wěn)定；4）壓力分布均勻，摩擦片磨損均勻；5）易于實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)散熱，使用壽命長(zhǎng)；6）平衡性好；7）有利于大批量生產(chǎn)，降低制造成本。 膜片彈簧的制造工藝較復(fù)雜，對(duì)材質(zhì)和尺寸精度要求高。近年來，膜片彈簧離合器不僅在轎車上被大量采用，而且在輕、中、重型貨車以及客

5、車上也被廣泛采用。 拉式膜片彈簧離合器（圖2-4）具有如下特點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)目更少，質(zhì)量更??；2）膜片彈簧的直徑較大，提高了傳遞轉(zhuǎn)矩的能力；3）離合器蓋的變形量小，分離效率高；4）杠桿比大，傳動(dòng)效率較高，踏板操縱輕便。5）在支承環(huán)磨損后不會(huì)產(chǎn)生沖擊和噪聲。6）使用壽命更長(zhǎng)。 拉式膜片彈簧需專門的分離軸承，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝和拆卸較困難，且分離行程略比推式大些。但由于拉式膜片彈簧離合器綜合性能優(yōu)越，它已經(jīng)得以應(yīng)用。 圖2-4 拉式膜片彈簧離合器 離合器基本參數(shù)的選擇 基本參數(shù)主要有性能參數(shù)和0，尺寸參數(shù)D和d及摩擦片厚度b。1后備系數(shù) 后備系數(shù)是離合器一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它反映了離合器傳遞發(fā)

6、動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的可靠程度。在選擇時(shí)，應(yīng)保證離合器應(yīng)能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩、要防止離合器滑磨過大、要能防止傳動(dòng)系過載。因此，在選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1）為可靠傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，不宜選取太??；2）為減少傳動(dòng)系過載，保證操縱輕便，又不宜選取太大；3）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率較大、使用條件較好時(shí)，可選取小些；4）當(dāng)使用條件惡劣，為提高起步能力、減少離合器滑磨，應(yīng)選取大些；5）汽車總質(zhì)量越大，也應(yīng)選得越大；6）柴油機(jī)工作比較粗暴，轉(zhuǎn)矩較不平穩(wěn)，選取的值應(yīng)比汽油機(jī)大些；7）發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小，可選取小些；8）膜片彈簧離合器選取的值可比螺旋彈簧離合器小些；9）雙片離合器的值應(yīng)大于單片離合器。 2單位壓

7、力0 單位壓力0對(duì)離合器工作性能和使用壽命有很大影響，選取時(shí)應(yīng)考慮離合器的工作條件，發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率大小，摩擦片尺寸、材料及其質(zhì)量和后備系數(shù)等因素。 離合器使用頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)后備系數(shù)較小時(shí)， 0應(yīng)取小些；當(dāng)摩擦片外徑較大時(shí)，為了降低摩擦片外緣處的熱負(fù)荷， 0應(yīng)取小些；后備系數(shù)較大時(shí)，可適當(dāng)增大0 。 3摩擦片外徑D、內(nèi)徑d和厚度 在離合器結(jié)構(gòu)形式及摩擦片材料選定、其他參數(shù)已知或選取后，結(jié)合式（2-1）和式（2-5）即可估算出摩擦片尺寸。 摩擦片外徑D（mm）也可根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式選用 （2-7） 式中：KD為直徑系數(shù)，轎車：KD=14.5；輕、中型貨車：?jiǎn)纹琄D =16.018.5，雙片KD =13

8、.515.0；重型貨車： KD =22.524.0。 摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三種。 第四節(jié) 離合器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 一、離合器基本參數(shù)的優(yōu)化 1 設(shè)計(jì)變量后備系數(shù)取決于離合器工作壓力F和離合器的主要尺寸參數(shù)D和d。單位壓力p0也取決于F和D及d。因此，離合器基本參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量選為X=x1 x2 x3 T= F D d T 2 目標(biāo)函數(shù) 離合器基本參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是在保證離合器性能要求條件下，使其結(jié)構(gòu)尺寸盡可能小，即目標(biāo)函數(shù)為3 約束條件1)摩擦片的外徑D(mm)的選取應(yīng)使最大圓周速度D不超過6570ms，即（ 28 ）2)摩擦片的內(nèi)外徑比c應(yīng)在0.530.

9、70范圍內(nèi)，即0.53c0.70 3)為保證離合器可靠傳遞轉(zhuǎn)矩，并防止傳動(dòng)系過載，不同車型的值應(yīng)在一定范圍內(nèi)，最大范圍為1.24.0，即1.24.0 4)為了保證扭轉(zhuǎn)減振器的安裝，摩擦片內(nèi)徑d必須大于減振器彈簧位置直徑2Ro約50mm，即 d2Ro+50 5)為反映離合器傳遞轉(zhuǎn)矩并保護(hù)過載的能力，單位摩擦面積傳遞的轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于其許用值，即（29）3 約束條件6)為降低離合器滑磨時(shí)的熱負(fù)荷，防止摩擦片損傷，單位壓力p0對(duì)于不同車型，根據(jù)所用的摩擦材料在一定范圍內(nèi)選取，最大范圍p0為0.101.50MPa，即 0.10MPap01.50MPa7)為了減少汽車起步過程中離合器的滑磨，防止摩擦片表面溫度

10、過高而發(fā)生燒傷，每一次接合的單位摩擦面積滑磨功應(yīng)小于其許用值，即（ 210 ）W為汽車起步時(shí)離合器接合一次所產(chǎn)生的總滑磨功(W)，可根據(jù)下式計(jì)算 （ 211）2. 比值Rr和R、r的選擇 根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和壓緊力的要求，Rr一般為1.201.35。為使摩擦片上壓力分布較均勻，推式膜片彈簧的R值應(yīng)取為大于或等于摩擦片的平均半徑Rc，拉式膜片彈簧的r值宜取為大于或等于Rc。3. 的選擇 膜片彈簧自由狀態(tài)下圓錐底角與內(nèi)截錐高度H關(guān)系密切，=arctan H(Rr) H(Rr)。一般在915范圍內(nèi)。4 . 膜片彈簧工作點(diǎn)位置的選擇 膜片彈簧的彈性特性曲線，如圖2-11所。該曲線的拐點(diǎn)H對(duì)應(yīng)著膜片彈簧的壓平

11、位置，而且1H= (1M +1N)2。新離合器在接合狀態(tài)時(shí)，膜片彈簧工作點(diǎn)B一般取在凸點(diǎn)M和拐點(diǎn)H之間，且靠近或在H點(diǎn)處，一般1B =(0.81.0) 1H，以保證摩擦片在最大磨損限度范圍內(nèi)壓緊力從F1B到F1A變化不大。當(dāng)分離時(shí)，膜片彈簧工作點(diǎn)從B變到C，為最大限度地減小踏板力，C點(diǎn)應(yīng)盡量靠近N點(diǎn)。圖2-11 膜片彈簧的彈性特性曲線三、膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過確定一組彈簧的基本參數(shù)，使其載荷變形特性滿足離合器的使用性能要求，而且彈簧強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)要求。1. 目標(biāo)函數(shù)關(guān)于膜片彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)主要有以下幾種：1) 彈簧工作時(shí)的最大應(yīng)力為最小。2) 從動(dòng)盤摩擦片磨損前后彈簧壓緊力之差的絕對(duì)值

12、為最小。3) 在分離行程中，駕駛員作用在分離軸承裝置上的分離操縱力平均值為最小。4) 在摩擦片磨損極限范圍內(nèi)，彈簧壓緊力變化的絕對(duì)值的平均值為最小。5) 選3)和4)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)為雙目標(biāo)。 選取5)作為目標(biāo)函數(shù)，通過兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)分配不同權(quán)重來協(xié)調(diào)它們之間的矛盾，并用轉(zhuǎn)換函數(shù)將兩個(gè)目標(biāo)合成一個(gè)目標(biāo)，構(gòu)成統(tǒng)一的總目標(biāo)函數(shù)。式中，1和2分別為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)(x1)和(x2)的加權(quán)因子，視設(shè)計(jì)要求選定。（2-12）3. 約束條件 1) 應(yīng)保證所設(shè)計(jì)的彈簧工作壓緊力F1B與要求壓緊力FY相等，即 F1B=FY 2) 為了保證各工作點(diǎn)A、B、C有較合適的位置(A點(diǎn)在凸點(diǎn)M左邊，B點(diǎn)在拐點(diǎn)H附近，C點(diǎn)在凹點(diǎn)N

13、附近，如圖2-11所示)，應(yīng)正確選擇1B相對(duì)于拐點(diǎn)1H的位置，一般1B1H=0.81.0，即 (2-15) 3) 保證摩擦片磨損后仍能可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩，摩擦片磨損后彈簧工作壓緊力F1A 應(yīng)大于或等于新摩擦片時(shí)的壓緊力F1B，即 F1AF1B 4) 為了滿足離合器使用性能的要求，彈簧的Hh與初始底錐角H(R-r)應(yīng)在一定范圍內(nèi)，即 1.6Hh2.2 9H(R-r)15 5) 彈簧各部分有關(guān)尺寸比值應(yīng)符合一定的范圍，即1.20Rr1.35 702RA100 3.5Rr05.0 (2-16)6) 為了使摩擦片上的壓緊力分布比較均勻，推式膜片彈簧的壓盤加載點(diǎn)半徑R1(或拉式膜片彈簧的壓盤加載點(diǎn)半徑r1)

14、應(yīng)位于摩擦片的平均半徑與外半徑之間，即 推式：(D+d)4R1D2 拉式：(D+d)4r1D27) 根據(jù)彈簧結(jié)構(gòu)布置的要求，R1與R、r1與r、rf與r0之差應(yīng)在一定范圍，即1R1-R7 0r1-r6 0rf-r048) 膜片彈簧的杠桿比應(yīng)在一定范圍內(nèi)選取，即推式：2.3(r1- rf)(R1- r1)4.5 拉式：3.5(R1- rf)(R1- r1)9.09) 彈簧在工作過程中B點(diǎn)的最大壓應(yīng)力rBmax應(yīng)不超過其許用值，即rBmaxrB10) 彈簧在工作過程中A點(diǎn)(或A點(diǎn))的最大拉應(yīng)力tAmax(或tAmax)應(yīng)不超過其相應(yīng)許用值，即 tAmaxtA 或tAmaxtA第五節(jié) 扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)

15、計(jì)扭轉(zhuǎn)減振器主要由彈性元件(減振彈簧或橡膠)和阻尼元件(阻尼片)等組成。彈性元件的主要作用是降低傳動(dòng)系的首端扭轉(zhuǎn)剛度，改變系統(tǒng)的固有振型，盡可能避開由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩主諧量激勵(lì)引起的共振。阻尼元件的主要作用是有效地耗散振動(dòng)能量。 扭轉(zhuǎn)減振器具有如下功能：1）降低發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與傳動(dòng)系接合部分的扭轉(zhuǎn)剛度，調(diào)諧傳動(dòng)系扭振固有頻率。2）增加傳動(dòng)系扭振阻尼，抑制扭轉(zhuǎn)共振響應(yīng)振幅，并衰減因沖擊而產(chǎn)生的瞬態(tài)扭振。3）控制動(dòng)力傳動(dòng)系總成怠速時(shí)離合器與變速器軸系的扭振，消減變速器怠速噪聲和主減速器與變速器的扭振與噪聲。4）緩和非穩(wěn)定工況下傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷和改善離合器的接合平順性。 扭轉(zhuǎn)減振器線性和非線性特性 扭轉(zhuǎn)減

16、振器具有線性和非線性特性兩種形式。單級(jí)線性減振器的扭轉(zhuǎn)特性如圖 2-13所示，其彈性元件一般采用圓柱螺旋彈簧，廣泛應(yīng)用于汽油機(jī)汽車中。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)時(shí)，怠速時(shí)引起變速器常嚙合齒輪齒間的敲擊， 從而產(chǎn)生怠速噪聲。在扭轉(zhuǎn)減振器中另設(shè)置一組剛度較小的彈簧， 使其在怠速工況下起作用，以消除變速器怠速噪聲， 此時(shí)可得到兩級(jí)非線性特性， 第一級(jí)的剛度很小，稱為怠速級(jí)，第二級(jí)的剛度較大。目前，在柴油機(jī)汽車中廣泛采用具有怠速級(jí)的兩級(jí)或三級(jí)非線性扭轉(zhuǎn)減振器 。三級(jí)非線性減振器的扭轉(zhuǎn)特性如圖2-14所示。 圖2-13 單級(jí)線性減振器的扭轉(zhuǎn)特性 圖2-14 三級(jí)非線性減振器的扭轉(zhuǎn)特性減振器的主要參數(shù)減振器的扭轉(zhuǎn)剛

17、度k和阻尼摩擦元件間的摩擦轉(zhuǎn)矩T是兩個(gè)主要參數(shù)。其設(shè)計(jì)參數(shù)還包括極限轉(zhuǎn)矩TJ、預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tn和極限轉(zhuǎn)角等J 。1 極限轉(zhuǎn)矩TJ 極限轉(zhuǎn)矩為減振器在消除限位銷與從動(dòng)盤轂缺口之間的間隙1(圖7-3)時(shí)所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，一般可取 TJ= (1.52.0) Temax (2-19) 圖2- 15 減振器尺寸簡(jiǎn)圖 2 扭轉(zhuǎn)剛度kk決定于減振彈簧的線剛度及其結(jié)構(gòu)布置尺寸。設(shè)減振彈簧分布在半徑為Ro的圓周上，當(dāng)從動(dòng)片相對(duì)從動(dòng)盤轂轉(zhuǎn)過弧度時(shí)，彈簧相應(yīng)變形量為Ro。此時(shí)所需加在從動(dòng)片上的轉(zhuǎn)矩為T=1000KZj(2-20) 式中，K為每個(gè)減振彈簧的線剛度(Nmm)；Zj為減振彈簧個(gè)數(shù)；Ro為減振彈簧位置半徑(m

18、)。根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度的定義k=T ，則減振器扭轉(zhuǎn)剛度k=1000KZj 設(shè)計(jì)時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)來初選k k13TJ (2-22) (2-21)7 減振彈簧總壓力F 當(dāng)限位銷與從動(dòng)盤轂之間的間隙1或2被消除，減振彈簧傳遞轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值TJ時(shí)，減振彈簧受到的壓力F為 F=TJ/ Ro (2-26) 8 極限轉(zhuǎn)角 減振器從預(yù)緊轉(zhuǎn)矩增加到極限轉(zhuǎn)矩時(shí)，從動(dòng)片相對(duì)從動(dòng)盤轂的極限轉(zhuǎn)角為 (2-27) 式中， 為減振彈簧的工作變形量。目前從動(dòng)盤減振器在特性上存在如下局限性： 1) 通用的從動(dòng)盤減振器不能使傳動(dòng)系振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率降低到怠速轉(zhuǎn)速以下，因此不能避免怠速轉(zhuǎn)速時(shí)的共振。 2) 它在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用轉(zhuǎn)速10002000r

19、min范圍內(nèi)，難以通過降低減振彈簧剛度得到更大的減振效果。雙質(zhì)量飛輪的減振器雙質(zhì)量飛輪減振器具有以下優(yōu)點(diǎn)1)可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，以避免在怠速轉(zhuǎn)速時(shí)的共振。2)可以加大減振彈簧的位置半徑，降低減振彈簧剛度K，并允許增大轉(zhuǎn)角。3)由于雙質(zhì)量飛輪減振器的減振效果較好，在變速器中可采用粘度較低的齒輪油而不致產(chǎn)生齒輪沖擊噪聲。由于從動(dòng)盤沒有減振器，可以減小從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這也有利于換擋。但由于減振彈簧位置半徑較大，高速時(shí)受到較大離心力的作用，使減振彈簧中段橫向翹曲而鼓出，與彈簧座接觸產(chǎn)生摩擦，使彈簧磨損嚴(yán)重，甚至引起早期損壞。 圖2-16 雙質(zhì)量飛輪減振器 1一第一飛輪 2一第二飛輪 3一離合器蓋總成 4一從動(dòng)盤 5一球軸承 6一短軸 7一滾針軸承 8一曲軸凸緣 9一聯(lián)結(jié)盤 10一螺釘 11一扭轉(zhuǎn)減振器第六節(jié) 離合器的操縱機(jī)構(gòu) 1對(duì)操縱機(jī)構(gòu)的要求1）踏板力要小，轎車：80150N，貨車：150200N。2）踏板行程在一定的范圍內(nèi)，轎車：80150mm，貨車：180mm。3）摩擦片磨損后，踏板行程應(yīng)能調(diào)整復(fù)原。4）有對(duì)踏板行程進(jìn)行限位的裝置，防止操縱機(jī)構(gòu)因受力過大而損壞。5）應(yīng)具有足夠的剛度。6）傳動(dòng)效率要高。7）發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及車架和駕駛室的變形不會(huì)影響其正常工作。 2操縱機(jī)構(gòu)結(jié)