离合器参数设计
汽车离合器基本参数的优化分析)
汽车离合器基本参数的优化分析机电学院机械设计制造及其自动化专业摘要离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连的部件，它是依靠主从动片之间的摩擦力矩来传递动力的，并通过分离、接合来控制车辆动力传动系的工作状态。
其主动部分和从动部分可以暂时分离，又可逐渐接合，并且在传动过程中还可以相对转动。
离合器分离、接合过程的质量影响车辆换挡品质、车辆换挡冲击。
离合器的性能对汽车平稳起步、换挡时工作平顺和传动系过载有着重要影响。
汽车离合器的基本参数主要有离合器的后备系数、摩擦面单位面积上的压力p0、摩擦片外径D和内径d 等，这些参数的变化直接影响离合器的结构尺寸和工作性能。
本文采用优化设计方法来确定最佳的离合器基本参数，实例计算表明了该方法的实用性。
关键词：离合器；基本参数；优化设计AbstractClutch auto transmission system is connected directly with engine parts，it relies on master-slave move between the friction torque tablet to transfer power，and through the separation, joints to control vehicle power transmission system working condition. The performance of clutch has an important influence on auto start，the smooth of shift and the overload of transmission system。
The basic parameters of clutch are the backup coefficient , the pressure per unit area of friction plane p0, the outer diameter of friction plate D, the inner diameter of friction plate d, etc. These parameters affect the structure dimension and performance of clutch directly. This paper determines the optimal basic parameters of clutch with optimum method. The practicability of optimum method is testified by the example.Keywords: clutch; basic parameters ; optimum design目录摘要I第一章绪论 11.1 研究背景 11.2 研究意义 21.3 国内外现状 31.3.1 离合器的总类与发展 31.3.2 离合器的研究现状 41.3.3 主要研究内容 5第二章离合器的介绍 62.1 离合器结构组成与工作过程 6 2.2 摩擦离合器的介绍82.2.1 摩擦离合器的分类82.2.2 摩擦离合器的结构形式82.2.3 摩擦离合器的摩擦面材料9 2.2.4 摩擦离合器压盘的传力方式9 2.2.5 离合器的操作机构10第三章离合器基本参数的分析13 3.1 离合器主体部分基本参数133.1.1 后备系数143.1.2 单位面积压力143.1.3 摩擦片外径、内径和厚度15 3.2 离合器扭转减震器基本参数16 3.2.1 扭转减震器刚度163.2.2 扭转减振器最大摩擦力矩16 3.3.3 扭转减振器的预紧力矩163.3 离合器操纵机构的基本参数17 3.3.1 踏板力173.3.2 踏板行程18第四章优化分析194.1 优化设计概论194.1.1 基本概念194.1.2 优化过程194.1.3 优化设计建模204.2 离合器基本参数优化建模 214.2.1 基于离合器尺寸形状的优化214.2.2 基于离合器扭转振动特性的优化244.2.3 基于离合器操作舒适性的优化27第五章总结与展望305.1 总结305.2 展望30参考文献34致谢35第一章绪论1.1 研究背景1953年我国成立了第一汽车制造厂，最初汽车作为一种交通工具产生。
离合器设计说明书
目录一离合器结构设计 (2)离合器结构选择与论证离合器结构设计要点离合器主要零件的设计二离合器的设计计算及说明 (7)离合器设计所需数据摩擦片主要参数选择摩擦片基本参数设计优化膜片弹簧主要参数的选择膜片弹簧的优化设计膜片弹簧的载荷与变形关系膜片弹簧的应力计算扭转减震器设计减震弹簧的设计踏板行程及踏板力计算从动轴的计算从动盘毂分离轴承的寿命计算三心得体会 (25)四参考文献 (26)一离合器的结构设计为了达到计划书所给的数据要求，设计时应根据车型的类别、使用要求、制造条件，以及“系列化、通用化、标准化”的要求等，合理选择离合器结构。
离合器结构选择与论证摩擦片的选择单片离合器因为结构简单，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接合平顺，所以被广泛使用于轿车和中、小型货车，因此该设计选择单片离合器。
摩擦片数为2。
压紧弹簧布置形式的选择离合器压紧装置可分为周布弹簧式、中央弹簧式、斜置弹簧式、膜片弹簧式等。
其中膜片弹簧的主要特点是用一个膜片弹簧代替螺旋弹簧和分离杠杆。
膜片弹簧与其他几类相比又有以下几个优点[9]：（1）由于膜片弹簧有理想的非线性特征,弹簧压力在摩擦片磨损范围内能保证大致不变，从而使离合器在使用中能保持其传递转矩的能力不变。
当离合器分离时，弹簧压力不像圆柱弹簧那样升高，而是降低，从而降低踏板力；（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，压紧力降低很少，性能较稳定；而圆柱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，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。
但膜片弹簧的制造工艺较复杂，对材料质量和尺寸精度要求高，其非线性特性在生产中不易控制，开口处容易产生裂纹，端部容易磨损。
离合器摩擦片技术参数
技术参数:车型：沃尔沃整车质量（kg）：1637最大扭矩/转速（N•m/rpm）：400/4000主减速比：3.38一档速比：3.77滚动半径：306mm4、离合器主要参数的选择4.1后备系数β后备系数β是离合器设计中的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。
在选择β时，应考虑摩擦片在使用中的磨损后离合器仍能可靠地传递发动机最大转矩、防止离合器滑磨时间过长、防止传动系过载以及操纵轻便等因素。
乘用车β选择：1.20～1.75 ，本次设计取β = 1.2。
4.2摩擦因数f、摩擦面数Z和离合器间隙△t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。
摩擦因数f的取值范围见下表。
表4-1 摩擦材料的摩擦因数f的取值范围摩擦材料摩擦因数石棉基材料模压0.20～0.25编织0.25～0.35粉末冶金材料铜基0.25～0.35铁基0.35～0.50金属陶瓷材料0.70～1.50本次设计取f = 0.30 。
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。
本次设计取单片离合器Z = 2 。
离合器间隙△t是指离合器处于正常结合状态、分离套筒被回位弹簧拉到后极限位置时，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△t一般为3～4mm 。
本次设计取△t =3 mm 。
4.3单位压力p单位压力p 决定了摩擦表面的耐磨性，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、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。
p 取值范围见表4-2。
表4-2 摩擦片单位压力p 的取值范围摩擦片材料单位压力p /Mpa石棉基材料模压0.15～0.25编织0.25～0.35粉末冶金材料铜基0.35～0.50铁基金属陶瓷材料0.70～1.50p 选择：0.10 MPa ≤ p0 ≤ 1.50 MPa ，本次设计取p = 0.3MPa 。
离合器的相关计算
通过气压传递扭矩，适 用于高速运转和重载工
况。
离合器规格
离合器尺寸
根据工作需求选择合适的尺寸，包括直径、宽度 和长度等参数。
离合器转速
根据输入输出转速选择合适的离合器转速，确保 正常工作。
离合器负载
根据工作负载选择合适的离合器，确保能够承受 足够的扭矩和冲击。
离合器材料
01
02
03
金属材料
如铸铁、铸钢、铝合金等， 具有较高的强度和耐磨性。
离合器的相关计算
• 离合器基本参数 • 离合器计算公式 • 离合器设计流程 • 离合器性能测试 • 离合器应用案例
01
离合器基本参数
离合器类型
摩擦片离合器
电磁离合器
液力离合器
气压离合器
利用摩擦力传递扭矩， 具有缓冲和减震作用。
通过磁场传递扭矩，响 应速度快，控制精度高。
利用液体介质传递扭矩， 具有自动调节和缓冲功
热对流
热对流是指离合器表面与周围空气之间的热量交换过程。 计算热对流的方法需要考虑周围空气的温度、速度和换热 系数等因素。
03
离合器设计流程
需求分析
确定设计目标
明确离合器的使用场景、性能要求和 使用寿命等。
市场调研
了解同类产品的性能、价格和用户反 馈，以便进行有针对性的设计。
参数设定
输入参数
设定离合器的输入功率、转速和转矩 等参数。源自扭矩传递计算扭矩传递
扭矩传递是衡量离合器传递扭矩的能力，它是衡量离合器性能的重要指标。计算扭矩传递的方法需要根据离合器的具 体结构和工况进行选择。
静态扭矩传递
静态扭矩传递是指在静止状态下，离合器能够传递的最大扭矩。计算方法是根据离合器的几何尺寸、摩擦系数和最大 静摩擦力矩进行计算。
2 离合器基本参数分析
2 离合器基本参数分析摩擦离合器靠摩擦表面间的摩擦力矩来传递发动机转矩。
根据摩擦定律，离合器的静摩擦力矩可表示为：T =fFZR (1)式中，T 为静摩擦力矩(N·m)；f为摩擦表面间的静摩擦系数；F为压盘施加在摩擦面上的工作压力(N)；R 为摩擦片的平均摩擦半径(m)；Z为摩擦面数。
假设摩擦片上压力均匀，则有：Rc一一丽D2+Dd+d2F—p。
A—p。
~—r(D 2-dz)汽车离合器基本参数的优化设计式中，P。
为摩擦面单位面积上的压力(N／m。
)；A为一个摩擦面的面积(m )；D 为摩擦片外径(m)；d为摩擦片内径(m)。
将式(2)、式(3)代入式(1)得：T = fZp。
D。
(1一c。
) (4)上厶式中，c为摩擦片内外径之比，c=d／D。
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Tc应大于发动机最大转矩，即：T 一一 (5)式中，T一为发动机最大转矩(N·m)；p为离合器的后备系数，p>1。
由以上分析可知，离合器的基本参数主要有性能参数p和P。
、尺寸参数d和D。
后备系数p反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度，是重要的离合器设计参数，各类汽车p的取值范围见表1。
单位面积压力P。
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、摩擦片材料、质量和后备系数等因素。
根据摩擦片材料，P。
按表2选取。
表1 各类汽车B的取值范围轿车和轻型货车 p一1．2～1．75中型和重型货车 p一1．5～2．25越野车、带拖挂的重型汽车和牵引汽车 p一1．8～4．0表2 po的取值范围石棉基材料 po一0．10～0．35MPa烧结金属材料 P0-0．35～0．60MPa金属陶瓷材料 po一0．70～1．50MPa当离合器结构型式及摩擦片材料已选定，发动机最大转矩T一已知，结合式(1)和式(5)，适当选取后备系数p和单位压力P。
离合器的设计
第六节
与制动器助力相似
例题
干式
P=M.N
1）外摩擦片
2）内摩擦片
图4-1 摩擦片结构示意图
轴向压力F---摩擦力---传递转矩 。
图4-2 摩擦离合器结构示意图 1-主动盘； 2-从动盘； 3-滑环
主动轴1与外壳2相联接
图4-3 多片式摩擦离合器 1-主动轴； 2-外鼓； 3-被动片； 6-压板； 4-摩擦片；
离合器的选型：
1).干式： 摩擦片数多可以增大所传递的转矩。但片数过多， 将各层间压力分布不均匀。
6. 摩擦片外径D,内径d和厚度
摩擦片外径D（mm）也可根据如下经验公式选用: DKD Temax 式中：KD为直径系数，KD =14.5～24.0。 摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三种
7.离合器传递的转矩 T m
8. 离合器的储备系数
离合器在接合过程中除承受工作载荷外，还要承受惯性载荷。
并引起摩擦片的磨损和发热。为了限制磨损和发热， 应使接合面上的单位压力不超过许用单位压力 。 2.对湿式离合器而言，摩擦副的面积应为扣除油槽面积后的 有效摩擦工作面面积
4.摩擦副材料的摩擦系数f，基本许用单位压力见表4-1。
5.摩擦片单位压力值p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， 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， 应取小些；后备系数较大时，可适当增大 。 工程机械在工作时经常需要频繁地使用离合器，而且它们的工作条件差，属于重载荷类 型，因此应选用较小的值
摩擦转矩、储备系数、摩擦副数量和摩擦衬片的内外径等。
重型汽车离合器参数选择设计
智能化参数选择技术的 发展历程
智能化参数选择技 术在重型汽车离合 器参数选择中的应
用
智能化参数选择技术的 优势和局限性
智能化参数选择技术的 发展趋势和前景
绿色环保材料 的定义和特点
绿色环保材料 在离合器参数 选择中的优势
绿色环保材料 在离合器参数 选择中的挑战
和问题
绿色环保材料 在离合器参数 选择中的应用 案例和效果分
离合器类型：干式单片离合器 扭矩需求：2000Nm 转速需求：2000rpm
工作环境：高温、高湿、高粉尘
材料选择：高强度钢、耐磨涂层
设计优化：优化摩擦片形状、优化 弹簧刚度、优化离合器间隙
品牌A离合器参数：扭矩、转速、尺寸等 品牌B离合器参数：扭矩、转速、尺寸等 品牌C离合器参数：扭矩、转速、尺寸等
析
智能化：离合 器参数选择将 更加智能化， 能够根据车辆 行驶状态和驾 驶员需求自动
调整
节能环保：离 合器参数选择 将更加注重节 能环保，降低
油耗和排放
舒适性：离合 器参数选择将 更加注重舒适 性，提高驾驶
体验
可靠性：离合 器参数选择将 更加注重可靠 性，提高离合 器的使用寿命
和稳定性
汇报人：
使用频率等因素
正确选择参数可以 提高离合器的耐用
性和可靠性
正确选择参数可以 降低维修成本和停
机时间
离合器参数选择不当可能 导致车辆起步困难、换挡
不平顺等问题
离合器参数选择不当可能 导致车辆在紧急情况下无 法及时响应，影响驾驶安
全
离合器参数选择不当可能 导致车辆在湿滑路面上打
滑，影响驾驶安全
离合器参数选择不当可能 导致车辆在长时间行驶后 出现磨损，影响驾驶安全
依维柯S45-10拉式膜片弹簧离合器的设计(汽车设计课程设计)
目录1 离合器主要参数的选择01.1 摩擦片外径D、内径d和厚度b的选择01.2 单位压力p0的选择01.3 摩擦因数f和摩擦面数Z的选择11.4 后备系数β的选择12 离合器基本参数的优化22.1 设计变量22.2 目标函数22.3 约束条件22.3.1 摩擦片最大圆周速度v D22.3.2 摩擦片的内、外径比c22.3.3 后备系数β22.3.4 摩擦片内径d22.3.5 单位压力p033 膜片弹簧的设计与计算43.1 膜片弹簧基本参数的选择43.1.1 比值H／h和h的选择43.1.2 R／r比值和R、r的选择43.1.3 α的选择43.1.4 膜片弹簧工作点位置的选择43.1.5 分离指数目n的选取43.1.6 膜片弹簧小端内半径r0与分离轴承作用半径r f的确定43.1.7 切槽宽度δ1、δ2与半径r e的确定53.1.8 压盘加载点半径R1和支撑环加载点半径r1的确定53.2 膜片弹簧的弹性特性53.3 膜片弹簧的强度计算64 扭转减震器的设计74.1 扭转减震器基本参数的选择74.1.1 极限转矩T j74.1.2 扭转角刚度kφ74.1.3 阻尼摩擦转矩Tμ74.1.4 预紧转矩T n74.1.5 减振弹簧的位置半径R074.1.6 减振弹簧个数Z j74.1.7 减振弹簧总压力F∑74.2 减震弹簧的计算84.2.1 减振弹簧的分布半径R184.2.2 单个减振器的工作压力P84.2.3 减振弹簧尺寸84.2.4 从动片相对从动盘股的最大转角α94.2.5 限位销与从动盘股缺口侧边的间隙λ194.2.6 限位销直径d＇95 从动盘总成的设计105.1 从动盘毂105.2 摩擦片105.3 从动片115.4 波形片和减震弹簧116 离合器盖总成126.1 离合器盖126.2 压盘126.2.1 压盘传动方式的选择126.2.2 压盘几何尺寸的确定126.3 传动片136.4 分离轴承136.5 支撑环13参考文献131 离合器主要参数的选择1.1 摩擦片外径D 、内径d 和厚度b 的选择摩擦片外径是离合器的重要参数，它对离合器的轮廓尺寸、质量和使用寿命有决定性的影响。
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离合器参数设计
3、1 后备系数的选择
离合器的后备系数 反映了离合器传递发动机最大扭矩的可靠度,它就是离合器设
计的一个重要参数。在选择β时,应考虑摩擦片磨损后仍能可靠地传递发动机最大扭矩、
防止离合器滑磨时间过长、防止传动系数过载以及操纵轻便等因素。
表 3、1 后备系数表
车型
乘用车及总质量 最 大 总 质 量 为 挂车
小于 6t 的商用车 6~14t 的商用车
后备系数
1、20～1、75 1、50～2、25 1、80~4、00
本设计就是基于一款轻型货车,故选择后备系数 1、2~1、75,取后备系数β=1、5。
3、2 摩擦片外径及其她尺寸的确定
摩擦片外径就是离合器的基本尺寸参数,它对离合器的结构尺寸、质量的大小与使用 寿命的长短都有很大的影响。
180
125
3、5
0、694
13200
200
140
3、5
0、700
16000
225
150
3、5
0、667
22100
250
155
3、5
0、620
30200
280
165
3、5
0、589
40200
300
175
3、5
0、583
46600
325
190
3、5
0、585
54600
350
195
4
0、557
67800
摩擦片外径 D(mm)也可根据发动机最大扭矩 Temax(N、m)按如下经验公式进行初选:
(3-1)
式中:KD 为直径系数,轻卡取 17;最大总质量为 1、8～14、0t 的商用车,单片离合器取 16、 0～18、5;Temax 就是发动机最大扭矩,原始设计数据为 110N、m:
由公式(3-1)代入相关数据,取得:D=178mm
离合器参数设计
确定膜片弹簧的所有尺寸 H=7、4mm, h=3、7mm,R=112、5mm,r=90mm,l=92mm
L=110mm,rf=27mm,rp=29mm,n=18,
,
1、根据下式(5、1)画出 P1 — 1 曲线
式中,E—弹性模数,钢材料取 E=2、0× 10 5 Mp;
—泊松比,钢材料取 0、3; h—弹簧片厚,㎜; H—碟簧部分内截锥高,㎜; 1 —大端变形,㎜; R—碟簧部分外半径(大端半径),㎜; r—碟簧部分内半径,㎜; L—膜片弹簧与压盘接触半径,㎜; l—支承环平均半径,㎜; (2)推式轴向变形的关系式
簧一般起始圆锥底角 在 9°～15°之间,
=13
4、膜片弹簧小端半径 rf 及分离轴承的作用半径 rp: rf 的值主要由结构决定,最小值应大 于变速器第一轴花键外径,分离轴承作用半径 r p 大于 rf 。
5、分离指数目 n、切槽宽 、窗孔槽宽 、及半径 rc: 分离指数目 n 常取 18,大尺寸
7、膜片弹簧材料:制造膜片弹簧用的材料,应具有高的弹性极限与屈服极限,高的静力强度
及疲劳强度,高的冲击强度,同时应具有足够大的塑性变形性能。按上述要求,国内常用的
膜片弹簧材料为硅锰钢 60Si2MnA。
5、4 膜片弹簧的计算
参考同种类产品,并结合本车具体情况,初步选定弹簧的一些参数与尺寸如下:
,
,
,R=112、5mm
根据离合器摩擦片的标准化,系列化原则,根据下表 3、2“离合器摩擦片尺寸系列与参数”
(即 GB1457—74)
表 3、2 离合器摩擦片尺寸系列与参数
外径 D / mm 内径 d / mm
厚度 h / mm
内外径之比 单 位 面 积
d/D
F / mm2
160
110
3、2
0、687
10600
离合器参数设计
单位压力:
(3-5) 粉末冶金铁基材料单位压力要求小于 0、35MPa,本离合器的单位压力比规定值小, 故满足要求。
离合器参数设计
5、3 膜片弹簧基本参数的选择
1、比值 H/h 与 h 的选择:此比值对膜片弹簧的弹性特性影响极大,因此,要利用 H/ h 对弹 簧特性的影响正确地选择该比值,以得到理想的特性曲线及获得最佳的使用性能。一般汽 车的膜片弹簧 H/h 值在如下范围之内:H/h=1、5～20。 2、R 及 R/r 确定: 比值 R/r 对弹簧的载荷及应力特性都有影响,从材料利用率的角度,比值 在 1、8～2、0 时,碟形弹簧储存弹性的能力为最大,就就是说弹簧的质量利用率与好。因 此设计用来缓与冲击,吸收振动等需要储存大量弹性能时的碟簧时选用。对于汽车离合器 的膜片弹簧,设计上并不需要储存大量的弹性能,而就是根据结构布置与分离的需要来决 定,一般 R/r 取值为 1、2～1、35、对于 R,膜片弹簧大端外径 R 应满足结构上的要求与摩 擦片的外径相适应,大于摩擦片内径,近于摩擦片外径。此外,当 H,h 及 R/r 等不变时,增加 R 有利于膜片弹簧应力的下降。初步确定 R/r= 3、 膜片弹簧起始圆锥底角: 汽车膜片弹
(5-1)
(5-2) (3)膜片弹簧小端分离轴承处作用有分离力 P2 时膜片弹簧压盘接触处的变形 与 P2 的 关系式
(4)在 P2 力作用下膜片弹簧小端部分轴承处的变形
(5-3) (5-4)
离合器参数设计 式中 , 为宽度系数:
设 因此式(5、1)就成为:
(5-5)
(5-6) (5-7)
把有关数值代入上述各式得
膜片弹簧可取 24,小尺寸膜片弹簧可取 12,本设计取 n=18。切槽宽 约为 4mm;窗孔槽宽
;窗孔半径 rc 一般情况下由
计算。
6、 承环的作用半径 l 与膜片与压盘接触半径 L:由于采用推式膜片弹簧,l,L 的大小将影
响膜片弹簧的刚度,一般来说,l 值应尽量靠近 r 而略大与 r。L 应接近 R 略小于 R。
380
205
4
0、540
72900
取摩擦片外径 D=250mm,选定摩擦片的内径 d=155mm,厚度 b=3、5mm。
单位压力的确定
离合器摩擦力矩 Tc 的计算 离合器压盘施加在摩擦面上的工作压力的计算
(3-2)
施加在摩擦4) 式中:z 为摩擦面数,单片离合器的 z=2,f 为摩擦面间的静摩擦系数,这里取 0、25。
P1=1429、3 =3、7 1
=0、852 1 -0、64 1 2+0、146 1 3
图 5、1 膜片弹簧特性曲线
离合器参数设计
2、确定膜片弹簧的工作点位置
取离合器结合时膜片弹簧的大端变形量为
,由
特性曲线图可查得磨片弹簧的压紧力: