膜片弹簧离合器设计设计指导书

离合器设计指导书

一、设计的目的、任务及要求

1.目的

1）通过选型能了解不同型式离合器之间的差异及优缺点；

2）根据给定车型要求选择合适结构形式的离合器；

3）熟悉离合器设计的一般过程；

4）对离合器选材、设计和制造工艺有一定了解。

2.任务和要求

任务：设计给定车型离合器总成（不包括操纵机构）。

要求：在组长的领导下，各小组成员分工开展设计工作。设计完成后，每组要提交离合器设计说明书一份，从动盘总成装配图一张（1号）和零件图X张（3号）（每位成员需绘制一张图）。以组长为主进行设计工作，每位小组成员都要参方案论证，承担部分设计计算工作。

3.基本参数：按总体设计时给出的，缺少的参数上网查找（类似车型的即可）。

4.参考资料

1）《汽车工程手册》第二分册，机械工业出版社；

2）《离合器》，徐石安等编，人民交通出版社。

二、离合器结构方案选择

离合器结构方案很多，本设计采用盘形摩擦式离合器，主要结构选择如下：

1.从动盘数：单片；

2.压紧弹簧形式：膜片弹簧；

3.分离时离合器受力形式：推式；

4.压盘驱动形式：传力片式；

1）扭转减振器：有；

2）离合器操纵机构：机械式。

一、离合器设计的目的及离合器概述

了解轿车离合器的构造，掌握轿车离合器的工作原理。了解从动盘总成的结构，掌握从动盘总成的设计方法，了解压盘和膜片弹簧的结构，掌握压盘和膜片弹簧的设计方法，通过对以上几方面的了解，从而熟悉轿车离合器的工作原理。学会如何查找文献资料、相关书籍，培养学生动手设计项目、自学的能力，掌握单独设计课题和项目的方法，设计出满足整车要求并符合相关标准、具有良好的制造工艺性且结构简单、便于维护的轿车离合器，为以后从事汽车方面的工作或工作中设计其它项目奠定良好的基础。通过这次课程设计，使学生充分地认识到设计一个工程项目所需经历的步骤，以及身为一个工程技术人员所需具备的素质和所应当完成的工作，为即将进入社会提供了一个良好的学习机会，对于由学生

向工程技术人员转变有着重大的实际意义。

离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动部分与发动机飞轮相连，从动部分与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器，实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机与传动系平顺的接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮间的冲击；在工作中受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，以防止传动系个零部件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪音。

1.1离合器设计的基本要求

1)在任何行驶条件下，既能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储

备，又能防止过载。

2)接合时要完全、平顺、柔和，保证起初起步时没有抖动和冲击。

3)分离时要迅速、彻底。

4)从动部分转动惯量要小，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换档和减

小同步器的磨损。

5)应有足够的吸热能力和良好的通风效果，以保证工作温度不致过高，延长寿

命。

6)操纵方便、准确，以减少驾驶员的疲劳。

7)具有足够的强度和良好的动平衡，一保证其工作可靠、使用寿命长。

1.2技术参数及论文要求

车型：自行式C型房车

整车质量（Kg）：4500

最大扭矩/转速（N·m/rpm）:600/2500

主减速比：4.388

一档速比：3.454

滚半径：（mm）：300

本次课程设计的基本内容有：

1.根据所给的车型及整车技术参数,选择合适离合器的结构类型,设计

计算确定其相关参数与尺寸;

2.绘制离合器总成工程图纸一份（A1）;

3.绘制离合器部件总成工程图纸一份（A2）;

4.绘制典型零件工程图纸三份以上（A3）；

完成设计计算书一份

1.3膜片弹簧离合器结构

膜片弹簧离合总成由膜片弹簧、离合器盖、压盘、传动片和分离轴承总成等部分组成。

1)离合器盖

离合器盖一般为120°或90°旋转对称的板壳冲压结构，通过螺栓与飞轮联结在一起。离合器盖是离合器中结构形状比较复杂的承载构件，压紧弹簧的压紧力最终都要由它来承受。

2)膜片弹簧

膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件，在其内孔圆周表面上开有许多均布的长径向槽，在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔，可以穿过支承铆钉，这部分称之为分离指；从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子，其截面为截圆锥形，称之为碟簧部分。

3)压盘

压盘的结构一般是环形盘状铸件，离合器通过压盘与发动机紧密相连。压盘靠近外圆周处有断续的环状支承凸台，最外缘均布有三个或四个传力凸耳。

4)传动片

离合器接合时，飞轮驱动离合器盖带动压盘一起转动，并通过压盘与从动盘摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动；在离合器分离时，压盘相对于离合器盖作自由轴向移动，使从动盘松开。这些动作均由传动片完成。传动片的两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联接，一般采用周向布置。在离合器接合时，离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转；在离合器分离时，可利用它的弹性恢复力来牵动压盘轴向分离并使操纵力减小。

5)分离轴承总成

分离轴承总成由分离轴承、分离套筒等组成。分离轴承在工作时主要承受轴向分离力，同时还承受在高速旋转时离心力作用下的径向力。目前国产的汽车中多使用角接触推力球轴承，采用全密封结构和高温铿基润滑脂，其端面形状与分离指舌尖部形状相配合，舌尖部为平面时采用球形端面，舌尖部为弧形面时采用平端面或凹弧形端面。

1.4膜片弹簧离合器的优点

膜片弹簧离合器与其他形式离合器相比，具有一系列优点：

1)膜片弹簧离合器具有较理想的非线性弹性特性；

2)膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，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；

4) 膜片弹簧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) 易于实现良好的通风散热，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 1.5膜片弹簧离合器的工作原理

由图可知，离合器盖与发动机飞轮用螺栓紧固在一起，当膜片弹簧被预加压紧，离合器处于接合位置时，由于膜片弹簧大端对压盘的压紧力，使得压盘与从动摩擦片之间产生摩擦力。当离合器盖总成随飞轮转动时(构成离合器主动部分)，就通过摩擦片上的摩擦转矩带动从动盘总成和变速器一起转动以传递发动机动力

三、 摩擦式离合器基本参数选择 1. 离合器传扭能力计算

离合器传扭能力取决于摩擦力矩的大小，即摩擦面的压紧力、摩擦力的作用半径、摩擦副材料以及摩擦片工作面数决定，理论公式为：

C c c Z R f P T ???=∑max （1）

式中：max c T 为离合器最大摩擦力矩；

∑P 为作用离合器面上的总压紧力；f 为摩擦因数；c R 为平均摩擦半径，它由摩擦片外径D

和内径d 决定，即2

23331d D d D C R --=

或()d D R C +≈4

1（d/D ≥0.6时）

；C Z 为摩擦工作面数。 为保证可靠传递发动机扭矩，离合器传递发动机最大扭矩max e T 与所需最大摩擦力矩的关系如下：

max max e c T T β= （2）

式中：β为离合器后备系数，一般1 β。

为了保证离合器有足够的使用寿命，式（1）中∑P 应有足够大的摩擦面积来承受，即单位面积上的压力0P 不能太大。

A P P ?=∑0 （3）

式中：(

)3

3

13012

max max D d fZ e c D P T T c -

???=

?=πβA 为摩擦片单面摩擦面积。

综上，得离合器基本公式：

(4)

在设计时，式（4）作为校核用。 2. 摩擦片外径D 和其它尺寸确定

离合器摩擦片尺寸系列和参数表1

表1

外径D/mm 160 180 200 225 250 280 300 325 350 380 405 430 内径d/mm 110 125 140 150 155 165 175 190 195 205 220 230 厚度b/mm 3.2 3.5

3.5

3.5

3.5

3.5

3.5

3.5

4

4

4

4

c=d/D 0.687 0.694 0.700 0.667 0.620 0.589 0.583 0.585 0.557 0.540 0.543 0.535 1- c 3

0.676 0.667 0.657 0.703 0.762 0.796 0.802 0.800 0.827 0.843 0.840 0.847 单位面积

106

132

160

221

302

402

466

546

678

729

908

1037

1）摩擦片外径D

摩擦片外径D 是离合器的基本尺寸，可以按以下经验公式初选：

max e D T k D =

式中：D k 为直径系数，一般，轿车：D k =14.5；轻、中型货车：单片D k =16~18.5，双片

D k =13.5~15；重型汽车：D k =22.5~24。

离合器尺寸应符合尺寸系列标准GB5764-86《汽车用离合器片》（教材中表4-1）；另外，所选外径D 应使摩擦片最大圆周速度不超过65m/s ，以免摩擦片飞离。

s

m D n v e D /70~651060

3max ≤?=

-π

式中，D v 为摩擦片最大圆周速度（m/s ）; max e n 为发动机最高转速（r/min ）所以： s

m s m D n v e D /70/6810225580060

106033max <≈???=?=--ππ，

故符合条件。

2）摩擦片内径d

内径D C d ?='，式中：'

C 为内外径比值。

按设计经验，推荐'

C =0.53~0.7；一般，发动机转速越高，取值越大。具体值查离合器摩擦片尺寸系列。 3） 摩擦片厚度

中国规定了三种：3.2、3.5和4mm 。 3. 离合器后备系数β确定

初选外径同时，还应初选离合器后备系数β，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。

β值选取要合适，不能太大或太小。通常，各类汽车的取值范围如下：轿车、微型和轻型

汽车：β=1.2~1.75；中、重型货车：β=1.5~2.25；越野车和牵引车：β=1.8~4.0。 离合器后备系数精确值要待离合器设计完毕后才能确定。 4. 单位压力0P 确定

摩擦面上的单位压力0P 值和离合器本身的工作条件、摩擦片直径大小、后备系数以及摩擦片材质及其质量等因素有关。 单位压力0P 选取有一具体建议：

对于小轿车：当摩擦片外径D=230mm ，0P =0.25MPa

当摩擦片外径D 大于230mm ，D P 18

.10=MPa

对于载重汽车：

当摩擦片外径D=230mm ，0P =0.2MPa 当摩擦片外径D=380~408mm ，0P =0.14MPa 对于市内公交车：

一般单片离合器：0P =0.13MPa 大的多片离合器：0P =0.10MPa

当摩擦片选用不同材料时，可按指导书中表3-3选取。

根据发动机的最大转矩max e T ，用式（4）校核摩擦片单位压力是否在允许范围内。

校核： =-????=

-?=

)

200140

1(20023.04

.14012)

1(123

3

3

3

3

30ππD

d

ZD f T p c

式中，f 为摩擦因数取0.3；

0p 为单位压力（a MP ）

Z 为摩擦面数取2；

D 为摩擦片外径取200mm ；

d 为摩擦片内径取140mm ；

摩擦片材料选择石棉基材料，0p 为单位压力0.25a MP ，f 为摩擦因数取0.3。 摩擦片的工作条件比较恶劣，为了保证它能长期稳定的工作，根据汽车的的使用条件，摩擦片的性能应满足以下几个方面的要求：

⑴应具有较稳定的摩擦系数，温度，单位压力和滑磨速度的变化对摩擦系数的影响小。

⑵要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。

⑶要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好

⑷热稳定性要好，要求在高温时分离出的粘合剂较少，无味，不易烧焦 ⑸磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面 ⑹油水对摩擦性能的影响应最小

⑺结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象

由以上的要求,目前车用离合器上广泛采用石棉塑料摩擦片，是由耐热和化

学稳定性能比较好的石棉和粘合剂及其它辅助材料混合热压而成，其摩擦系数大约在0.23左右,在该设计中选取的是石棉合成物（模压）制成的摩擦片。

摩擦片的相关参数如表2

表2

摩擦片外径D 摩擦片内径d 后备系数β

厚度b 单位压力Po 430mm

230mm

1.2

4

0.12MPa

四、离合器零件结构选型和设计计算 1、从动盘

设计从动盘时应注意满足以下三个方面的要求：

（1） 为较少换挡齿轮间冲击，从动盘的转动惯量应尽可能小； （2） 为保证汽车起步平稳，从动盘在轴向应有弹性；

（3） 为避免扭转共振和缓和冲击载荷，从动盘上应装有扭转减振器。

1） 从动片

（1）结构形式：

常有三种典型形式：a)整体式弹性从动片；b)分开式弹性从动片；c)组合式弹性从动片。 我们选用整体式弹性从动片 （2）材料选择

从动片材料与所用的结构型式有关，不带波形弹簧片的从动片（即整体式）一般用高碳钢或弹簧片冲压而成，经热处理后达到硬度要求。

采用波形片（即分开式或组合式）时，从动片用低碳钢，波形片用弹簧钢。 （3）从动片基本尺寸

从动片直径对照摩擦片尺寸确定，为了减少从动盘转动惯量，从动片一般较薄，通常为1.3~2mm 厚钢板冲压而成，取从动片厚度1.8，从动片的外沿部分（即波形弹簧片）厚度在0.65-~1.0之间，取从动片边缘厚度0.8。 2） 从动毂

花键毂装在变速器第一轴前端，是离合器承受载荷最大的零件。目前，常采用齿侧定心的矩形花键，花键之间是动配合。花键毂一般采用锻钢（45、40Cr 等），表面和心部硬度为26~32HRC 。花键毂轴向长度不宜过小，一般取 1.0~1.4倍花键轴直径。 （1）从动盘毂设计参照教材表4-2从动盘毂花键尺寸系列。 （2）花键设计参照相应的机械设计手册。 （3）花键强度校核

花键破坏的主要形式是表面受力过大而破坏，因此应进行花键的挤压应力校核，应力过大可增加花键毂的轴向长度。 挤压应力：l

h n P ??=

压σMPa

式中：P 为花键侧面压力（N ）；

，其中'd 、'

D 分别为花键的内外径（m ），Z 为从动盘毂数；n 为花键的齿数；l 为花键有效长Z

d D T

e P )(''max +=

度（m ）；h 为花键的工作高度（m ），2

'

'd D h -=

。

应力校核：[]

许压压σσ≤

=20MPa 。

3） 摩擦片

石棉摩擦片的摩擦系数大约为0.3左右（即在0.25~0.50之间）；粉末冶金摩擦片和金属陶瓷摩擦片的摩擦系数在0.5左右。摩擦片和从动盘之间有两种连接方法：（1）铆接法；（2）粘结法。

2. 压盘设计

压盘设计包括传力方式选择及其几何尺寸的确定两个方面。 1) 压盘传力方式选择

压盘常有以下几种传力方式：（a ）凸台式连接方式；（b ）键式连接方式；（c ）销式连接方式；（d ）传动片式传动方式。

压盘的结构除与传力方式有关外，还与压紧方式和分离方式有关。 2) 压盘几何尺寸确定

前面已经分析了确定摩擦片内外径方法，与摩擦片相结合的压盘的内外径也就基本确定了下来。因此，压盘的几何尺寸归结为确定它的厚度。 压盘厚度确定主要依据以下两点：

（1） 压盘应具有足够的质量，以吸收结合时摩擦产生的热量； （2） 压盘应具有足够大的强度，以保证受热时不变形。 压盘厚度一般不小于15mm 。

设计压盘时，在初步确定压盘厚度后，应校核离合器结合一次时的温升（每次结合大约3秒左右），它不应超过8~10度，若温升过高，可适当增加压盘厚度。 校核公式为：压

G c L

???=

4270γτ

式中：0τ为升温（℃）；

L 为滑磨功（Kg.m ），()β1

011180

-+=m

J B

J

B

J n

L 其中，m J 为离合器主动部分的转动惯量；B J 为整个

汽车的惯性质量转化到离合器从动部分上的当量转动惯量；0n 为发动机最大转矩时的转速；

而 2202

g

R

a i i r g G B J ?=

其中，a G 为汽车总重（kg ）；R r 为驱动轮的滚动半径（m ）；0i 为主传

动比；g i 为变速器传动比；γ为分配压盘上的滑磨功所占的百分比；单片离合器压盘：γ=0.5

双片离合器压盘：γ=0.25，双片离合器中间压盘：γ=0.5；c 为压盘的比热，c=0.115千卡/kg .℃（铸铁压盘）；压G 为压盘重量（kg ）

3）压盘及传动片的材料

压盘通常采用铸铁，即HT200、HT250、HT300，也有少量合金铸铁。硬度HB170~227。