东风标致307膜片弹簧离合器的设计
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- 离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件。按动力传递顺序来说，离合器应是传动系中的第一总成。顾名思义，离合器是“离”与“合”矛盾的统一体。离合器的工作，就是受驾驶员操纵，或者分离，或者接合，以完成其本身的任务。离合器是设置在发动机与变速器之间的动力传递机构，其功用是能够在必要时中断动力的传递，保证汽车平稳地起步；保证传动系换档时工作平稳；限制传动系所能承受的最大扭矩，防止传动系过载。为使离合器起到以上几个作用，目前汽车上广泛采用弹簧压紧的摩擦式离合器，摩擦离合器所能传递的最大扭矩取决于摩擦面间的工作压紧力和摩擦片的尺寸以及摩擦面的表面状况等，即主要取决于离合器基本参数和主要尺寸。膜片弹簧离合器在技术上比较先进，经济性合理,同时其性能良好，使用可靠性高寿命长，结构简单、紧凑，操作轻便。
1.2 离合器的功用
离合器可使发动机与传动系逐渐接合，保证汽车平稳起步。现代车用活塞式发动机不能带负荷启动，它必须先在空负荷下启动，然后再逐渐加载。发动机启动后，得以稳定运转的最低转速约为300~500r/min，而汽车则只能由静止开始起步，一个运转着的发动机要带一个静止的传动系，是不能突然刚性接合的。因为如果是突然的刚性连接，就必然造成不是汽车猛烈攒动，就是发动机熄火。所以离合器可使发动机与传动系逐渐地柔和地接合在一起，使发动机加给传动系的扭矩逐渐变大，至足以克服行驶阻力时，汽车便由静止开始缓慢地平稳起步了。虽然利用变速器的空档，也可以实现发动机与传动系的分离。但变速器在空档位置时，变速器内的主动齿轮和发动机还是连接的,要转动发动机，就必须和变速器内的主动齿轮一起拖转，而变速器内的齿轮浸在黏度较大的齿轮油中，拖转它的阻力是很大的。尤其在寒冷季节，如果没有离合器来分离发动机和传动系，发动机起动是很困难的。所以离合器的第二个功能就是暂时分开发动机和传动系的联系，以便于发动机起动。汽车行驶中变速器要经常变换档位，即变速器内的齿轮副要经常脱开啮合和进入啮合。如在脱档时，由于原来啮合的齿面压力的存在，可能使脱档困难，但如果用离合器暂时分离传动系，即能便利脱档.同时在挂档时依靠驾驶员掌握，使待啮合的齿轮副圆周速度达到同步是较为困难的，待啮合齿轮副圆周速度的差异将会造成挂档冲击甚至挂不上档，此时又需要离合器暂时分开传动系，以便使与离合器主动齿轮联结的质量减小，这样即可以减小挂档冲击,以便于换档。离合器所能传递的最大扭矩是有一定限制的，在汽车紧急制动时，传动系受到很大的惯性负荷，此时由于离合器自动打滑，可避免传动系零件超载损坏，起保护作用。
1.3 摩擦式离合器的基本机构原理
全套离合器应有两部分组成：离合器和离合器操纵。
就摩擦式离合器本身而言，按其功能要求，结构上应由下列几部分组成；主动件、从动件、压紧弹簧和分离杆。其机构原理如图1-3-1所示。
(A)接合
（B）分离
图 1-3-1 膜片弹簧离合器分离接合示意图
1-飞轮 2-从动盘总成 3-压盘 4-分离杆 5-分离套筒 6-离合器制动 7-离合器踏板 8-压紧弹簧 9-离合器盖 10-变速器第一轴 11-分离拔叉及操纵连接杆
从图1-3-1中可以看到，压盘3、分离杆4和压紧弹簧8一起组装在离合器盖9内，俗称为离合器盖总成。盖总成通过螺栓安装到发动机的飞轮上。飞轮1和压盖3为主动件，发动机的转矩通过这两个主动件输入。飞轮1和压盘3之间为从动盘总成2，它作为从动件通过摩擦接受由主动件传来的输入转矩，并通过其中间的从动盘毂花键输出转矩（由变速器第一轴10接受）。压紧弹簧8（它可以是螺旋弹簧或者膜片弹簧）通过压盘3把从动盘总成紧紧压在飞轮上，形成工作压力。当发动机带动飞轮1和压盘3一道旋转时，通过压盘上压紧弹簧产生的工作压力所形成的摩擦力，带动从动盘总成旋转，完成转矩的输出。
如图1-3-1（A）所示，离合器通常总是处于接合状态。当需要切断动力时，驾驶员通过离合器操纵系统中的踏板7，并经过操纵传动杆系及分离拔叉11推动分离套筒5向前，消除间隙△Y，使分离杆4绕其在离合器盖9上的支点转动，克服压紧弹簧8的工作压力之后，压盘3向后移动，从动盘总成2和压盘3脱离接触。离合器分离时的状况如图1-3-1（B）所示，此时，从动盘总成2不再输出转矩。分离套筒向左移动时，在消除间隙△r后，输出轴10受到了制动，转速很快下降。此种状况称为离合器的制动，其目的是为了容易换挡。但这种离合器制动主要用的重型离合器上，一般离合器不一定采用。分离杆和分离轴承之间的间隙△Y通常是需要的，因为从动盘总成因摩擦面磨损后会使压盘3向左移动，如果这一移动受到分离轴承的限制，就会导致压盘3不能很好地压紧摩擦面，从而造成从动盘在传扭时发生打滑现象。离合器使用一段时间后由于间隙△Y消失需要重新调整。现今许多离合器都设计有自动调整间隙的结构，此时间隙△Y就可以为零，并能在任何时候都保持零间隙而不影响离合器正常工作。这样就省却使用中需经常调整的麻烦。
1.4摩擦式离合器的分类和基本要求
摩擦式离合器结构类型较多，且可有多种组合。为了清除起见，用下列图表显示其相互关系。
图1-4-1 汽车机械式离合器的结构分类图
离合器的结构形式可以不相同，但在使用上对它的基本要求是一致的，他们应该是：
（1） 能可靠地传递发动机的最大转矩；
（2） 接合过程要平顺、柔和，使汽车起步时没有抖动的冲击；
（3） 分离时要迅速、彻底；
（4） 离合器从动部分的转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击并方便换挡；
（5） 高速旋转时具有可靠地强度，应注意平衡避免受离心力的影响；
（6） 操纵轻便，工作性能稳定，使用寿命长。
以上这些要求中最为重要的是使用可靠、寿命长以及和使用中的良好技术经济和环保指标。
1.5 膜片弹簧离合器概述
膜片弹簧离合器是近年来在轿车和轻型载货汽车上广泛采用的一种离合器。因其作为压簧，可以同时兼起分离杠杆的作用，使离合器的结构大为简化，质量减小，并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。其次，由于膜片弹簧与压盘以整个圆周接触，使压力分布均匀。另外由于膜片弹簧具有非线性弹性特性，故能在从动盘摩擦片磨损后，弹簧仍能可靠的传递发动机的转矩，而不致产生滑离。离合器分离时，使离合器踏板操纵轻便，减轻驾驶员的劳动强度。此外，因膜片是一种对称零件，平衡性好，在高速下，其压紧力降低很少，而周布置弹簧离合器在高速时，因受离心力作用会产生横向挠曲，弹簧严重鼓出，从而降低了对压盘的压紧力，从而引起离合器传递转矩能力下。作为压紧弹簧的所有膜片弹簧，是由弹簧钢冲压成的，具有“无底碟子”形状的截锥形薄壁膜片，且自其小端在锥面上开有许多径向切槽，以形成弹性杠杆，而且其余未切槽的大端截锥部分则起弹簧作用。膜片弹簧的两侧有支承圈，而后者借助于固定在离合器盖上的一些（为径向切槽数目的一半）铆钉来安装定位。当离合器盖用螺栓固定到飞轮上时，由于离合器盖靠向飞轮，后支承圈则压膜片弹簧使其产生弹性变形，锥顶角变大，甚至膜片弹簧几乎扁平。同时在膜片弹簧的大端对压盘产生压紧力使离合器处于结合状态。当离合器分离时，分离轴承前移膜片弹簧压前支承圈并以其作为支点发生反锥形的转变，使膜片弹簧大端后移，并通过分离钩拉动压盘后移，使离合器分离。膜片弹簧离合器具有很多优点：首先，由于膜片弹簧具有非线性特性，因此设计摩擦片磨损后，弹簧压力几乎不变，且可以减轻分离离合器时的踏板力，使操纵轻便；其次，膜片弹簧的安装位置对离合器轴的中心线是对称的，因此其压紧力实际上不受离心力的影响，性能稳定，平衡性也好；再者，膜片弹簧本身兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，使离合器结构大为简化，零件数目减小，质量减小并显著缩短了轴向尺寸；另外，由于膜片弹簧与压盘是以整个圆周接触，使压力分布均匀，摩擦片的接触良好，摩擦均匀，也易于实现良好的通风散热等。
由于膜片弹簧离合器具有上述一系列优点，并且制造膜片弹簧离合器的工艺水平在不断提高，因此这种离合器在轿车及微型、轻型客车上得到广泛运用，而且正大力扩展到载货汽车和重型汽车上，国外已经设计出了传递转矩为 、最大摩擦片外径达420mm的膜片弹簧离合器系列，广泛用于轿车、客车、轻型和中型货车上。甚至某些总质量达 的重型汽车也有采用膜片弹簧离合器的，但膜片弹簧的制造成本比圆柱螺旋弹簧要高。膜片弹簧离合器的操纵内端的分离指处是承受压力。当前膜片弹簧离合器的操纵机构已经为拉式操纵机构所取代。后者的膜片弹簧为反装，并将支承圈移到膜片弹簧的大端附近，使结构简化、零件减少、装拆方便；膜片弹簧的应力分布也得到改善，最大应力下降；支承圈磨损后仍保持与膜片的接触使离合器踏板的自由行程不受影响。而在压式结构中支承圈的磨损会形成间隙而增大踏板的自由行程
2 离合器结构方案选取
2.1 由前面所提，本次所设计的离合器是针对东风标致307，所以通过网上数据的整理，我们可以知道东风标致307的基本数据(机型TU5JP4)
发动机最大功率及转速 78kw/5750
发动机最大转矩及转速：142 /4000
汽车装备质量：1293kg
主减速传动比： =4.923
变速器1档传动比： =3.417
轮胎型号:195/65 R15 91V
汽车的驱动形式:4 2
最高车速:179km/h
滚动半径:0.28m
整车质量:1293Kg
2.2 离合器设计的基本要求
为了保证离合器具有良好的工作性能，设计离合器应满足以下要求：
１）在任何行驶条件下，都能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备，又能防止传动系过载。
２）接合时要完全、平顺、柔和，保证汽车起步时没有抖动和冲击。
３ ）分离要迅速、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）具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）应能避免和衰减传动系的扭转振动，并具有吸收振动、缓和冲击和降低噪声的能力。
７)操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳。
８）作用在从动盘上的总压力和摩擦离合器和摩擦材料的摩擦因数在离合器工作过程中变化尽可能小，以保证有稳定的工作性能。
９）具有足够的强度和良 好的动平衡，以保证其工作可靠、使用寿命长。
１０）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
2.3 离合器结构设计
2.3.1 摩擦片的选择
单片因为结构简单，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，所以被广泛使用与轿车和中、小型货车.因此本设计选择单片离合器。
2.3.2 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：
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。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 ）由于膜片弹簧大端面环形与压盘接触，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 。
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，我选用膜片弹簧式离合器，材料选取为６０Ｓｉ２ＭｎＡ。
2.3.3 压盘的驱动方式
压盘的驱动形式主要有凸块式、窗孔式、传力销式、键块式和弹性传动片式等多种。前三种的共同缺点是在连接件之间都有间隙，在传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，降低了离合器的传动效率 。弹性传动片式是近年来广泛采用的驱动形式，沿圆周切向布置得三组或四组薄弹簧传动片两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺钉联结，传动片的弹性允许其轴向移动。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的结构简单，压盘与飞轮对中性能好，使用平衡性好，工作可靠，寿命长。压盘形状较复杂，要求传热性好，具有较高的摩擦因数，通常采用灰铸铁，一般采用 ＨＴ２００ 、ＨＴ２５０、ＨＴ３００，硬度为１７０～２２７ＨＢＳ。也有少数采用合金压铸件。故而，压盘的驱动方式选择弹性传动片式，材料选用ＨＴ２００。
2.3.4 离合器的散热通风
试验表明，摩擦片的磨损是随压盘温度的升高而增大的，当压盘工作表面超过１８０～２００Ｃ时摩擦片磨损剧烈增加，正常使用条件的离合器压盘工作表面的瞬时温度一般在１８０Ｃ以下。在特别频繁的使用下，压盘表面的瞬时温度有可能达到１０００Ｃ。过高的温度能使压盘受压变形产生裂纹和碎裂 。为使摩擦表面温度不致过高，除要求压盘有足够大的质量以保证足够的热容量外，还要散热通风好。改善离合器散热通风结构的措施有：在压盘上设置散热筋，或鼓风筋；在离合器中间压盘内铸通风槽；将离合器盖和压杆制成特殊的叶轮形状，用以鼓风；在离合器外壳内装导流罩。膜片弹簧式离合器本身构造能良好实现通风散热效果，故不需作另外设置。
2.4 摩擦片厚度报警器
离合器是靠摩擦力来传递动力的。离合器的摩擦片也由于摩擦而不断磨损，当摩擦片磨损到一定程度后，就需要对其进行处理或更换摩擦片。但是摩擦片是安装在离合器内的，很难及时处理或更换已磨损了的摩擦片。所以需要一个报警器来及时提醒驾驶员更换已磨损到了一定程度的摩擦片。鉴于以上情况，应该在离合器内安装摩擦片厚度报警器。摩擦片厚度报警器的工作原理很简单，当摩擦片被磨薄到一定程度的时候，压盘会向飞轮方向移动，在压盘上安装的传动片会随着压盘向飞轮方向移动，进而与报警器上的钩子挤压，钩子与感应触手接合在一起，当钩子被挤压时，感应触手会因拉紧弹簧的原因被拉起，与传感器接触，进而实施报警，使驾驶员及时更换摩擦片。
3.离合器基本结构参数的确定
3.1 摩擦片主要参数的选择
摩擦片外径是离合器的主要参数，它对离合器的轮廓尺寸、质量和使用寿命有决定性的影响。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，适当选取后备系数β和单位压力Ρ，可估算出摩擦片外径。摩擦片外径Ｄmm也可以根据发动机最大转矩Temax( )按如下经验公式来计算 式中：系数A反映了不同结构和使用条件对D的影响，本次设计主要针对的是对小轿车的设计故本次A选择 47 。按Teamx初选D以后，还需注意摩擦片尺寸的系列化和标准化，图3-1-1为我国摩擦片尺寸的标准。
表 3-1-1 离合器摩擦片尺寸系列和参数
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/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 0.070 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
单面面积/CM2 106 132 160 221 302 402 466 546 678 729 908 1037
摩擦片内径d不作为一个独立的参数，它和外径D有一定关系，用比值C’来反映，定义为 C’=d/D 比值C’关系到从动片总成的结构设计和使用性能。具体来说，由于现在广泛采用扭转减震器，所以布置扭转减震器时要求加大内径d ,从而C’要变大；但过分加大C’值会使摩擦面积变小，这也是不利的。按照目前的设计经验，推荐 C’= 对摩擦片厚度h ，我国已规定了3种规格：3.2 , 3.5 , 4 ,无更多选择余地。
根据以上数据所以选择外径D = 180 d=125 厚度h=3.5 单位面积 a=132
内径与外径比 C’=0.694 1-C’3=0.667
3.2 离合器后备系数β的确定
后备系数β是离合器的重要参数，反映离合器传递发动机最大扭矩的可靠程度，选择β时，应从以下几个反面考虑：
A.摩擦片在使用中有一定磨损后，离合器还能确保传递发动机最大扭矩；
B.防止离合器本身滑磨程度过大；
C.要求能够防止传动系过载。通常轿车和轻型货车β= 本设计的是轻型轿车，故可以选取β=1.2.
3.3 单位压力P的确定
摩擦面上的单位压力Ρ的值和离合器本身的工作条件，摩擦片的直径大小,后备系数，摩擦片材料及质量等有关。离合器使用频繁，工作条件比较恶劣（如城市用的公共汽车和矿用载重车），单位压力Ρ较小为好。当摩擦片的外径较大时也要适当降低摩擦片摩擦面上的单位压力Ρ。因为在其它条件不变的情况下，由于摩擦片外径的增加，摩擦片外缘线速度大，滑磨时发热厉害，再加上因整个零件较大，零件的温度梯度也大，零件受热不均匀，为了避免这些不利因素，单位压力Ρ应随摩擦片外径的增加而降低。
对于采用有机材料作为基础的摩擦片，下列一些数据可以作为参考。
对于小轿车，D≤230 时，p约为0.25 ；D≥230 时，p可由下列选取：
对于载货车，D=230 时，p约为0.2 ；D= 时，p约为0.14
对于城市公共汽车，一般单片离合器P约为0.13 ；大的双片离合器p约为0.1
现在一些重型车辆采用耐热性能更好的陶瓷材料作为摩擦副元件，它的单位压力允许更高。国外推荐值为 目前我国研制使用的陶瓷片，其设计值约等于0.4 针对本次设计的汽车离合器，我们知道D=180 ＜230 所以我们可以选取P=0.25
4. 离合器从动盘设计
4.1 从动盘结构介绍
在现代汽车上，一般都采用带有扭转减振的从动盘，用以避免汽车传动系统的共振，缓和冲击，减少噪声，提高传动系统零件的寿命，改善汽车行驶的舒适性，并使汽车平稳起步。从动盘主要由从动片，从动盘毂,摩擦片等组成，由下图
图 4-1 带有扭转减振器的从动盘
4.2 从动盘设计应满足的要求
从动盘总成由摩擦片、从动片、扭转减振器和从动盘毂等组成。它虽然对离合器工作性能影响很大的构件，但是其工作寿命薄弱，因此在结构和材料上的选择是设计的重点。从动盘总成应满足如下设计要求：
１）为了减少变速器换挡时齿轮间冲击 ，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均匀等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。
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