拉式膜片弹簧离合器

拉式膜片弹簧离合器设计

课程设计说明书

（车型长途客车 ）

指导教师： 学 院： 专业班级：

学 号： 姓 名：

2012年4月30日

目录

1.绪论 .......................................................................................... 3

1.1离合器概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3

1.2离合器功用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3

1.3离合器工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4

1.4膜片弹簧离合器概述„„„„„„„„„„„„„„„ 5

1.6膜片弹簧了的优点„„„„„„„„„„„„„„„„ 7

2.具体设计 .......................................... 8

2.1离合器设计的目的 ............................................................. 8

2.2离合器设计的要求 ............................................................. 8

2.3离合器设计初始条件 ......................................................... 9

2.4离合器摩擦片主要参数选择„„„„„„„„„„„„10

2.5离合器基本参数的检验及校正„„„„„„„„„„„11

2.6膜片弹簧主要参数的选择„„„„„„„„„„„„„11

2.7膜片的优化设计„„„„„„„„„„„„„„„„„12

2.8摩檫片的材料选取及与从动片的固紧方式„„„„„„13

3.总结…………………………………………………………… 14

4.参考文献……………………………………………………… 16

5.膜片弹簧UG图 ……………………………………………… 17

1. 绪论

1.1离合器概述

按动力传递顺序来说，离合器应是传动系中的第一个总成。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，在保证可靠地传递发动机最大扭矩的前提下，有以下优点[2]：

（1）结合时平顺、柔和，使汽车起步时不震动、冲击；

（2）离合器分离彻底；

（3）从动部分惯量小，以减轻换档时齿轮副的冲击；

（4）散热性能好；

（5）高速回转时只有可靠强度；

（6）避免汽车传动系共振，具有吸收震动、冲击和减小噪声能力；

（7）操纵轻便；

（8）工作性能（最大摩擦力矩Temax和后备系数保持稳定）；

（9）使用寿命长。

1.2离合器的功用

离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上，离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。

1.3离合器的工作原理 对于手动挡的车型而言，离合器是汽车动力系统的重要部件，它担负着将动力与发动机之间进行切断与连接的工作。在城市道路或者复杂路段驾驶时，离合器成了我们使用最频繁的部件之一，而离合器运用的好坏，直接体现了驾驶水平的高低，也起到了保护车辆的效果。如何正确使用离合器，掌握离合器的原理以在特殊情况下利用离合器来解决问题，是每个驾驶手动挡车型的车友都应该掌握的。

所谓离合器，顾名思义就是说利用“离”与“合”来传递适量的动力。离合器由摩擦片、弹簧片、压盘以及动力输出轴组成，它位于发动机与变速箱之间，用来将发动机飞轮上储存的力矩传递给变速箱，以保证车辆在不同的行驶状况下传递给驱动轮适量的驱动力和扭矩，属于动力总成的范畴。在半联动的时候，离合器的动力输入端与动力输出端允许有转速差，也就是通过其转速差来实现传递适量的动力。

离合器分为三个工作状态，即踩下离合器的不连动，不踩下离合器的全连动，以及部分踩下离合器的半连动。当车辆起步时，司机踩下离合器，离合器踏板的运动拉动压盘向后靠，也就是压盘与摩擦片分离，此时压盘与飞轮完全不接触，也就不存在相对摩擦。当车辆在正常行驶时，压盘是紧紧挤靠在飞轮的摩擦片上的，此时压盘与摩擦片之间的摩擦力最大，输入轴和输出轴之间保持相对静摩擦，二者转速相同。 最后一种是离合器的半连动状态，压盘与摩擦片的摩擦力小于全连动状态。此时，离合器压盘与飞轮上的摩擦片之间是滑动摩擦状态，飞轮的转速大于输出轴的转速，从飞轮传输出来的动力部分传递给变速箱。这种状态下，发动机与驱动轮之间相当于一种软连接状态。

一般来说，离合器是在车辆起步和换挡的时候发挥作用，此时变速箱的一轴和二轴之间存在转速差，必须将发动机的动力与一轴切开以后，同步器才能很好的将一轴的转速保持与二轴同步。挡位挂进以后，再通过离合

器将一轴与发动机动力结合，使动力继续得以传输。在离合器中，还有一个不可或缺的缓冲装置。它由两个类似于飞轮的圆盘对在一起，在圆盘上打有矩形凹槽，在凹槽内布置弹簧，在遇到激烈的冲击时，两个圆盘之间的弹簧相互发生弹性作用，缓冲外界刺激，有效的保护了发动机和离合器。

在离合器的各个配件中，压盘弹簧的强度、摩擦片的摩擦系数、离合器的直径、摩擦片的位置以及离合器的数目是决定离合器性能的关键因素。弹簧的刚度越大，摩擦片的摩擦系数越高，离合器的直径越大，离合器性能也就越好。

下图为离合器构成图

1.4 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，质量减少，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降。那么可以看出，对于轻型车膜片弹簧离合器的设计研究对于改善汽车离合器各方面的性能具有十分重要的意义。

作为压紧弹簧的所谓膜片弹簧，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，甚至膜片弹簧几乎变平。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，零件数目减少，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

80~~2000N.m、最大摩擦片外径达420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28~32t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曾经都采用压式机构，即离合器分离时膜片弹簧弹性杠压杆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。

1.5 拉式膜片弹簧离合器的优点

与推式相比，拉式膜片弹簧离合器具有许多优点：取消了中间支承各零件，并不用支承环或只用一个支承环，使其结构更简单、紧凑，零件数目更少，质量更少；拉式膜片弹簧是中部与压盘相压在同样压盘尺寸的条件下可采用直径较大的膜片弹簧，提高了压紧力与传递转矩的能力，且并不增大踏板力，在传递相同的转矩时，可采用尺寸较小的结构；在接合或分离状态下，离合器盖的变形量小，刚度大，分离效率更高；拉式的杠杆比大于推式的杠杆比，且中间支承减少了摩擦损失，传动效率较高，踏板操纵更轻便，拉式的踏板力比推式的一般可减少约

无论在接合状态或分离状态，拉式结构的膜片弹簧大端与离合器盖25%~30%；

支承始终保持接触，在支承环磨损后不会形成间隙而增大踏板自由行程，不会产生冲击和哭声；使用寿命更长。

离合器膜片弹簧

2、具体设计

2、1离合器设计的目的

离合器是汽车传动系统中直接与发动机相联系的部件，按其功能要求，在结构上主要由主动部分 (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)等组成。主要作用是保证汽车起步平稳，保证传动系统换挡时工作平顺，防止传动系统过载等，本次马自达3轿车离合器设计的目的是通过本课程设计，掌握膜片弹簧压紧型式的离合器的设计方法、步骤，进一步了解离合器的工作状况和性能，提高机械产品的设计能力。

2、2离合器设计的要求

摩擦式离合器的结构类型非常多，而且有多种组合方式，但不管哪种结构类型，也不管什么组合方式，对它们的使用要求是一致的。

1. 能可靠地传递发动机的最大转矩，并有转矩储备。

2. 接合平顺柔和，保证汽车起步时没有抖动和冲击。

3．分离迅速、彻底。

4．离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换挡齿轮间的冲击，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。

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。

8．作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能。

9．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。

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离合器设计初始条件

本设计针对的车型是奥迪A3微型轿车。

其基本参数如下：

车 型：奥迪A3

整车质量：1460（kg）

最高车速：203（km/h）

主要尺寸: 4292*1765*1423 长/宽/高（mm）

最大功率：92/5000 （kw）

最大扭矩：200（N.m）

2、4 离合器摩擦片主要参数选择

1．确定后备系数β。应从以下几个方面考虑：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。乘用车β=1.2～1.75。结合设计实际情况，故选择β=1.3 2．确定摩擦片静压力，离合器静摩擦力矩Tc应大于发动机最大扭矩Temax

由教材公式（2-7）摩擦片的静压力：

TCTemax

（

式中：离合器后备系数（1）Temax=123 N.m ，故Tc=160N.m

3.确定摩擦片材料。初选材料为编织石棉基，根据材料可以确定摩擦片的摩擦因数f和单位压力p0。由教材表2-2和表2-4可取：f=0.3，p0=0.3Mpa.

4.确定摩擦面数Z。本题目中最大转矩不是很大，且所设计的车型为乘用车，因此取Z=2。

5.确定摩擦片外径D，内径d.

由教材公式（2-8）得

D

式中：β=1.3，Temax=123N.m， f=0.3 ， p0=0.3Mpa Z=2, 而c的取值在0.53-0.7之间，故试取c=0.69.

代入数据得：

摩擦片外径D=159.7，故圆整为标准值160.

6.确定摩擦片内径d。根据GB/T5764-1998《汽车离合器面片》规定的摩擦片尺寸系列标准。取d=110.而此时c=d/D=0.687.此时c也在0.53-0.7之间，且与初选c=0.69相差不大，故不需要修正。

7.确定摩擦片的厚度b。b的标准值有三种3.2 ，3,5,和4.0.而本设计D的取值不大，故取b=3.2mm.

7. 确定离合器该间隙。Δt一般为3～4mm。取Δt=4mm。

2、5 离合器基本参数的检验及修正

（1）摩擦片外径D（mm）的选取应使最大圆周速度v0不超过65～70m/s，即 vD 

60nemaxD1033.14600016010350.246570m/s 60

式中，v0为摩擦片最大圆周速度（m/s）；nemax为发动机最高转速(r/min)。

（2）摩擦片的内、外径比C'应在0.53～0.70范围内，即

0.53C'0.6870.7

（3）为了保证离合器可靠地传递发动机的转矩，并防止传动系过载，不同车型的β值应在一定范围内，最大范围为1.2～4.0。β=1.3.符合要求。

（4）为了保证扭转减振器的安装，摩擦片内径d必须大于减振器振器弹簧位置直径2R0约50mm，即

d2R050mm

对于摩擦片内径d=110mm, 而减振器弹簧位置半径2R0＝50mm，

所以d-2R0＝110－50＝60mm>50mm

故符合d>2R0+50mm的条件。

（5）为反映离合器传递的转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许用值，由教材公式表2-11得：

Tc04TcTc0为单0.24102TC00.28102 式中，22Z(Dd)

位摩擦面积传递的转矩(N.m/mm2)，可按教材表2-5 ，且D=160选 Tc0=0.0028

经检查,合格。

（6）为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，对于不同车型，单位压力p0的最大范围为0.11～1.50MPa,即

p0=0.3Mpa.符合要求。

2、6膜片弹簧主要参数的选择

1. 比较H/h的选择

为保证离合器压紧力变化不大和操纵方便，汽车离合器用膜片弹簧的H/h通常在1.5～2范围内选取。常用的膜片弹簧板厚为2～4mm，本设计Hh2 ，h=2mm ，则H=4mm 。

2. R/r选择

通过分析表明，R/r越小，应力越高，弹簧越硬，弹性曲线受直径误差影响越大。汽车离合器膜片弹簧根据结构布置和压紧力的要求，R/r常在1.2～1.35 的范围内取值。本设计中取Rr1.29，摩擦片的平均半径Rc

rRc 取r=70则R=90.3取整R=90mm. 则r1.286。 Dd67.5mm，4

3.圆锥底角

汽车膜片弹簧在自由状态时，圆锥底角α一般在9~15°范围内，本设计中在9~15°之间，合格。 arctanHRrHRr 得11.46°

4. 分离指数.分离指数常取为18，大尺寸膜片弹簧有取24的，对于小尺寸膜片弹簧，也有取12的，本设计所取分离指数为18。

5.切槽宽度

13.2~3.5mm，29~10mm，取13.4mm，210mm，re应满足rre2的要求。故re取58mm.

6. 压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定

r1应略大于且尽量接近r，R1应略小于R且尽量接近R。本设计取R188mm，r172mm。

7.膜片弹簧小端内半径r0及分离轴承作用半径rf的确定。r0由离合器结构决定，其最小值应大于变速器第一轴花键的外径。rf应大于r0。由教材表2-7可知，D=160mm,花键为23mm.取r0=24mm. rf=26mm.

8.选材。膜片弹簧应用优质高精度钢板制成，其碟簧部分的尺寸精度要高。国内常用的碟簧材料的为60SizMnA，当量应力可取为1600～1700N/mm2。

9. 公差与精度

离合器盖的膜片弹簧支承处，要具有大的刚度和高的尺寸精度，压力盘高度（从承压点到摩擦面的距离）公差要小，支承环和支承铆钉安装尺寸精度要高，耐磨性要好。

2、7 膜片弹簧的优化设计

（1）为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的Hh与初始锥角HRr应在一定范围内，即

1.6Hh22.2 9HRr11.4615

（2）弹簧各部分有关尺寸的比值应符合一定的范围，即

1.20r1.2861.35

702R/h90100

（3）为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，拉式膜片弹簧的压盘加载点半径r1应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即

拉式： (Dd)/493.75r194D/2112.5

（4）根据弹簧结构布置要求，R1与R，rf与r0之差应在一定范围内选取，即

1RR190-8826

0r1r72-7026

0rfr026-2424

（5）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，，因此杠杆比应在一定范围内选

取，即

拉式： 3.5

R1rfR1r13.889.0

2.8摩檫片的材料选取及与从动片的固紧方式

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：

（1）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。

（2）要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。

（3）要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好

（4）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

（5）磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面

（6）油水对摩擦性能的影响应最小

（7）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0.3左右。这种摩擦片的缺点是材料的性能不稳定，温度，滑磨速度及单位压力的增加都将摩擦系数的下降和磨损的加剧。 所以目前正在研制具有传热性好、强度高、耐高温、耐磨和较高摩擦系数（可达0.5左右）的粉末冶金摩擦片和陶瓷摩擦

材料等。

在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦材料。固紧摩擦片的方法采用较软的黄铜铆钉直接铆接，采用这种方法后，当在高温条件下工作时，黄铜铆接有较高的强度，同时，当钉头直接与主动盘表面接触时，黄铜铆钉不致像铝铆钉那样会加剧主动盘工作表面的局部磨损，磨损后的生成物附在工作表面上对摩擦系数的影响也较小。这种铆接法还有固紧可靠和磨损后换装摩擦片方便等优点。

3.结 论

本次课程设计，先是了解拉式膜片弹簧离合器的基本组成及其构造，然后再收集相关技术资料，找到计算的方法，然后通过在图书馆借阅相关书籍，参考网络资料及网络文献，进一步研究改善设计的内容，最终得到了这样的结果。

本次课程设计根据给出的设计要求和原始设计参数，以及拉式膜片弹簧离合器及其操纵机构的工作原理和使用要求，通过对其工作原理的阐述、结构方案的比较和选择、相关零件参数的计算，大致确定了离合器及其操纵机构的基本结构和主要尺寸以及制造相关零部件所用的材料。

结构方面：根据设计要求，考虑到使用条件和其显著的优点，选用带扭转减振器的单片拉式膜片弹簧离合器，压盘驱动方式采用传动片传动，分离轴承采用自动调心式分离轴承，操纵机构采用液压式。

计算方面：确定了离合器的主要参数β、P0、D、d，结果按照基本公式运算得出并通过约束条件，检验合格。根据膜片弹簧基本参数之间的约束关系，初步确定了膜片弹簧的尺寸参数，并通过优化程序得出了膜片弹簧尺寸的优化值，并进一步确定了膜片弹簧的工作点，同时进行了强度校核。

选材方面：摩擦片选用编织石棉基材料，保证其有足够的强度和耐磨性、热稳定性、磨合性，不会发生粘着现象。膜片弹簧采用65Si2MnA，其中所含硅成分提高了机件的弹性，所含錳，加强了耐高温性；传动片采用80刚，满足其强度需要；压盘采用HT200，提高了耐磨性；离合器盖从用铸铁，提高了散热能力；设计后的离合器温升校核合格。

综上所述，本次设计遵从了：（1）分离彻底；（2）接合柔和；（3）操纵轻便，工作特征稳定；（4）从动部分转动惯量小的设计要点，数据全部通过约束条件检验，原件所使用的材料基本上符合耐磨，耐压和耐高温的要求，而且离合器尺寸合适，适宜安装，能最高效率传递发动机扭矩，符合计划书及国家标准。

由于自己的水平有限，本次设计中可能有很多错误和遗漏，希望各位老师批评指正。

4.参 考 文 献

[1] 徐石安,江发潮.汽车离合器[M].清华大学出版社.2005.

[2] 陈家瑞.汽车构造 [M]. 机械工业出版社.2005.

[3] 王望予.汽车设计[M]. 机械工业出版社.2006.

[4] 刘惟信.汽车设计[M].清华大学出版社.2001.

[5]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].机械工业出版社.2004.

[6]张毅，潘可耕，刘红波.离合器及机械变速器[M].化学工业出版社.2005.

[7] 刘惟信.机械最优化设计（第二版）[M].清华大学出版社，1994.

[8] 余仁义,梁涛.汽车离合器操纵机构的设计[J].专用汽车.2003.

[9] 禇祥元.汽车离合器膜片弹簧的优化设计[J].轻型汽车技术.2005.

[10]谭庆昌，赵洪志.机械设计[M].高等教育出版社.2005.

5. 膜片弹簧UG图

拉式膜片弹簧离合器设计

课程设计说明书

（车型长途客车 ）

指导教师： 学 院： 专业班级：

学 号： 姓 名：

2012年4月30日

目录

1.绪论 .......................................................................................... 3

1.1离合器概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3

1.2离合器功用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3

1.3离合器工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4

1.4膜片弹簧离合器概述„„„„„„„„„„„„„„„ 5

1.6膜片弹簧了的优点„„„„„„„„„„„„„„„„ 7

2.具体设计 .......................................... 8

2.1离合器设计的目的 ............................................................. 8

2.2离合器设计的要求 ............................................................. 8

2.3离合器设计初始条件 ......................................................... 9

2.4离合器摩擦片主要参数选择„„„„„„„„„„„„10

2.5离合器基本参数的检验及校正„„„„„„„„„„„11

2.6膜片弹簧主要参数的选择„„„„„„„„„„„„„11

2.7膜片的优化设计„„„„„„„„„„„„„„„„„12

2.8摩檫片的材料选取及与从动片的固紧方式„„„„„„13

3.总结…………………………………………………………… 14

4.参考文献……………………………………………………… 16

5.膜片弹簧UG图 ……………………………………………… 17

1. 绪论

1.1离合器概述

按动力传递顺序来说，离合器应是传动系中的第一个总成。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，在保证可靠地传递发动机最大扭矩的前提下，有以下优点[2]：

（1）结合时平顺、柔和，使汽车起步时不震动、冲击；

（2）离合器分离彻底；

（3）从动部分惯量小，以减轻换档时齿轮副的冲击；

（4）散热性能好；

（5）高速回转时只有可靠强度；

（6）避免汽车传动系共振，具有吸收震动、冲击和减小噪声能力；

（7）操纵轻便；

（8）工作性能（最大摩擦力矩Temax和后备系数保持稳定）；

（9）使用寿命长。

1.2离合器的功用

离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上，离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。

1.3离合器的工作原理 对于手动挡的车型而言，离合器是汽车动力系统的重要部件，它担负着将动力与发动机之间进行切断与连接的工作。在城市道路或者复杂路段驾驶时，离合器成了我们使用最频繁的部件之一，而离合器运用的好坏，直接体现了驾驶水平的高低，也起到了保护车辆的效果。如何正确使用离合器，掌握离合器的原理以在特殊情况下利用离合器来解决问题，是每个驾驶手动挡车型的车友都应该掌握的。

所谓离合器，顾名思义就是说利用“离”与“合”来传递适量的动力。离合器由摩擦片、弹簧片、压盘以及动力输出轴组成，它位于发动机与变速箱之间，用来将发动机飞轮上储存的力矩传递给变速箱，以保证车辆在不同的行驶状况下传递给驱动轮适量的驱动力和扭矩，属于动力总成的范畴。在半联动的时候，离合器的动力输入端与动力输出端允许有转速差，也就是通过其转速差来实现传递适量的动力。

离合器分为三个工作状态，即踩下离合器的不连动，不踩下离合器的全连动，以及部分踩下离合器的半连动。当车辆起步时，司机踩下离合器，离合器踏板的运动拉动压盘向后靠，也就是压盘与摩擦片分离，此时压盘与飞轮完全不接触，也就不存在相对摩擦。当车辆在正常行驶时，压盘是紧紧挤靠在飞轮的摩擦片上的，此时压盘与摩擦片之间的摩擦力最大，输入轴和输出轴之间保持相对静摩擦，二者转速相同。 最后一种是离合器的半连动状态，压盘与摩擦片的摩擦力小于全连动状态。此时，离合器压盘与飞轮上的摩擦片之间是滑动摩擦状态，飞轮的转速大于输出轴的转速，从飞轮传输出来的动力部分传递给变速箱。这种状态下，发动机与驱动轮之间相当于一种软连接状态。

一般来说，离合器是在车辆起步和换挡的时候发挥作用，此时变速箱的一轴和二轴之间存在转速差，必须将发动机的动力与一轴切开以后，同步器才能很好的将一轴的转速保持与二轴同步。挡位挂进以后，再通过离合

器将一轴与发动机动力结合，使动力继续得以传输。在离合器中，还有一个不可或缺的缓冲装置。它由两个类似于飞轮的圆盘对在一起，在圆盘上打有矩形凹槽，在凹槽内布置弹簧，在遇到激烈的冲击时，两个圆盘之间的弹簧相互发生弹性作用，缓冲外界刺激，有效的保护了发动机和离合器。

在离合器的各个配件中，压盘弹簧的强度、摩擦片的摩擦系数、离合器的直径、摩擦片的位置以及离合器的数目是决定离合器性能的关键因素。弹簧的刚度越大，摩擦片的摩擦系数越高，离合器的直径越大，离合器性能也就越好。

下图为离合器构成图

1.4 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，质量减少，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降。那么可以看出，对于轻型车膜片弹簧离合器的设计研究对于改善汽车离合器各方面的性能具有十分重要的意义。

作为压紧弹簧的所谓膜片弹簧，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，甚至膜片弹簧几乎变平。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，零件数目减少，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

80~~2000N.m、最大摩擦片外径达420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28~32t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曾经都采用压式机构，即离合器分离时膜片弹簧弹性杠压杆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。

1.5 拉式膜片弹簧离合器的优点

与推式相比，拉式膜片弹簧离合器具有许多优点：取消了中间支承各零件，并不用支承环或只用一个支承环，使其结构更简单、紧凑，零件数目更少，质量更少；拉式膜片弹簧是中部与压盘相压在同样压盘尺寸的条件下可采用直径较大的膜片弹簧，提高了压紧力与传递转矩的能力，且并不增大踏板力，在传递相同的转矩时，可采用尺寸较小的结构；在接合或分离状态下，离合器盖的变形量小，刚度大，分离效率更高；拉式的杠杆比大于推式的杠杆比，且中间支承减少了摩擦损失，传动效率较高，踏板操纵更轻便，拉式的踏板力比推式的一般可减少约

无论在接合状态或分离状态，拉式结构的膜片弹簧大端与离合器盖25%~30%；

支承始终保持接触，在支承环磨损后不会形成间隙而增大踏板自由行程，不会产生冲击和哭声；使用寿命更长。

离合器膜片弹簧

2、具体设计

2、1离合器设计的目的

离合器是汽车传动系统中直接与发动机相联系的部件，按其功能要求，在结构上主要由主动部分 (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)等组成。主要作用是保证汽车起步平稳，保证传动系统换挡时工作平顺，防止传动系统过载等，本次马自达3轿车离合器设计的目的是通过本课程设计，掌握膜片弹簧压紧型式的离合器的设计方法、步骤，进一步了解离合器的工作状况和性能，提高机械产品的设计能力。

2、2离合器设计的要求

摩擦式离合器的结构类型非常多，而且有多种组合方式，但不管哪种结构类型，也不管什么组合方式，对它们的使用要求是一致的。

1. 能可靠地传递发动机的最大转矩，并有转矩储备。

2. 接合平顺柔和，保证汽车起步时没有抖动和冲击。

3．分离迅速、彻底。

4．离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换挡齿轮间的冲击，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。

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。

8．作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能。

9．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。

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离合器设计初始条件

本设计针对的车型是奥迪A3微型轿车。

其基本参数如下：

车 型：奥迪A3

整车质量：1460（kg）

最高车速：203（km/h）

主要尺寸: 4292*1765*1423 长/宽/高（mm）

最大功率：92/5000 （kw）

最大扭矩：200（N.m）

2、4 离合器摩擦片主要参数选择

1．确定后备系数β。应从以下几个方面考虑：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。乘用车β=1.2～1.75。结合设计实际情况，故选择β=1.3 2．确定摩擦片静压力，离合器静摩擦力矩Tc应大于发动机最大扭矩Temax

由教材公式（2-7）摩擦片的静压力：

TCTemax

（

式中：离合器后备系数（1）Temax=123 N.m ，故Tc=160N.m

3.确定摩擦片材料。初选材料为编织石棉基，根据材料可以确定摩擦片的摩擦因数f和单位压力p0。由教材表2-2和表2-4可取：f=0.3，p0=0.3Mpa.

4.确定摩擦面数Z。本题目中最大转矩不是很大，且所设计的车型为乘用车，因此取Z=2。

5.确定摩擦片外径D，内径d.

由教材公式（2-8）得

D

式中：β=1.3，Temax=123N.m， f=0.3 ， p0=0.3Mpa Z=2, 而c的取值在0.53-0.7之间，故试取c=0.69.

代入数据得：

摩擦片外径D=159.7，故圆整为标准值160.

6.确定摩擦片内径d。根据GB/T5764-1998《汽车离合器面片》规定的摩擦片尺寸系列标准。取d=110.而此时c=d/D=0.687.此时c也在0.53-0.7之间，且与初选c=0.69相差不大，故不需要修正。

7.确定摩擦片的厚度b。b的标准值有三种3.2 ，3,5,和4.0.而本设计D的取值不大，故取b=3.2mm.

7. 确定离合器该间隙。Δt一般为3～4mm。取Δt=4mm。

2、5 离合器基本参数的检验及修正

（1）摩擦片外径D（mm）的选取应使最大圆周速度v0不超过65～70m/s，即 vD 

60nemaxD1033.14600016010350.246570m/s 60

式中，v0为摩擦片最大圆周速度（m/s）；nemax为发动机最高转速(r/min)。

（2）摩擦片的内、外径比C'应在0.53～0.70范围内，即

0.53C'0.6870.7

（3）为了保证离合器可靠地传递发动机的转矩，并防止传动系过载，不同车型的β值应在一定范围内，最大范围为1.2～4.0。β=1.3.符合要求。

（4）为了保证扭转减振器的安装，摩擦片内径d必须大于减振器振器弹簧位置直径2R0约50mm，即

d2R050mm

对于摩擦片内径d=110mm, 而减振器弹簧位置半径2R0＝50mm，

所以d-2R0＝110－50＝60mm>50mm

故符合d>2R0+50mm的条件。

（5）为反映离合器传递的转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许用值，由教材公式表2-11得：

Tc04TcTc0为单0.24102TC00.28102 式中，22Z(Dd)

位摩擦面积传递的转矩(N.m/mm2)，可按教材表2-5 ，且D=160选 Tc0=0.0028

经检查,合格。

（6）为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，对于不同车型，单位压力p0的最大范围为0.11～1.50MPa,即

p0=0.3Mpa.符合要求。

2、6膜片弹簧主要参数的选择

1. 比较H/h的选择

为保证离合器压紧力变化不大和操纵方便，汽车离合器用膜片弹簧的H/h通常在1.5～2范围内选取。常用的膜片弹簧板厚为2～4mm，本设计Hh2 ，h=2mm ，则H=4mm 。

2. R/r选择

通过分析表明，R/r越小，应力越高，弹簧越硬，弹性曲线受直径误差影响越大。汽车离合器膜片弹簧根据结构布置和压紧力的要求，R/r常在1.2～1.35 的范围内取值。本设计中取Rr1.29，摩擦片的平均半径Rc

rRc 取r=70则R=90.3取整R=90mm. 则r1.286。 Dd67.5mm，4

3.圆锥底角

汽车膜片弹簧在自由状态时，圆锥底角α一般在9~15°范围内，本设计中在9~15°之间，合格。 arctanHRrHRr 得11.46°

4. 分离指数.分离指数常取为18，大尺寸膜片弹簧有取24的，对于小尺寸膜片弹簧，也有取12的，本设计所取分离指数为18。

5.切槽宽度

13.2~3.5mm，29~10mm，取13.4mm，210mm，re应满足rre2的要求。故re取58mm.

6. 压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定

r1应略大于且尽量接近r，R1应略小于R且尽量接近R。本设计取R188mm，r172mm。

7.膜片弹簧小端内半径r0及分离轴承作用半径rf的确定。r0由离合器结构决定，其最小值应大于变速器第一轴花键的外径。rf应大于r0。由教材表2-7可知，D=160mm,花键为23mm.取r0=24mm. rf=26mm.

8.选材。膜片弹簧应用优质高精度钢板制成，其碟簧部分的尺寸精度要高。国内常用的碟簧材料的为60SizMnA，当量应力可取为1600～1700N/mm2。

9. 公差与精度

离合器盖的膜片弹簧支承处，要具有大的刚度和高的尺寸精度，压力盘高度（从承压点到摩擦面的距离）公差要小，支承环和支承铆钉安装尺寸精度要高，耐磨性要好。

2、7 膜片弹簧的优化设计

（1）为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的Hh与初始锥角HRr应在一定范围内，即

1.6Hh22.2 9HRr11.4615

（2）弹簧各部分有关尺寸的比值应符合一定的范围，即

1.20r1.2861.35

702R/h90100

（3）为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，拉式膜片弹簧的压盘加载点半径r1应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即

拉式： (Dd)/493.75r194D/2112.5

（4）根据弹簧结构布置要求，R1与R，rf与r0之差应在一定范围内选取，即

1RR190-8826

0r1r72-7026

0rfr026-2424

（5）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，，因此杠杆比应在一定范围内选

取，即

拉式： 3.5

R1rfR1r13.889.0

2.8摩檫片的材料选取及与从动片的固紧方式

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：

（1）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。

（2）要有足够的耐磨性，尤其在高温时应耐磨。

（3）要有足够的机械强度，尤其在高温时的机械强度应较好

（4）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

（5）磨合性能要好，不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面

（6）油水对摩擦性能的影响应最小

（7）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0.3左右。这种摩擦片的缺点是材料的性能不稳定，温度，滑磨速度及单位压力的增加都将摩擦系数的下降和磨损的加剧。 所以目前正在研制具有传热性好、强度高、耐高温、耐磨和较高摩擦系数（可达0.5左右）的粉末冶金摩擦片和陶瓷摩擦

材料等。

在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦材料。固紧摩擦片的方法采用较软的黄铜铆钉直接铆接，采用这种方法后，当在高温条件下工作时，黄铜铆接有较高的强度，同时，当钉头直接与主动盘表面接触时，黄铜铆钉不致像铝铆钉那样会加剧主动盘工作表面的局部磨损，磨损后的生成物附在工作表面上对摩擦系数的影响也较小。这种铆接法还有固紧可靠和磨损后换装摩擦片方便等优点。

3.结 论

本次课程设计，先是了解拉式膜片弹簧离合器的基本组成及其构造，然后再收集相关技术资料，找到计算的方法，然后通过在图书馆借阅相关书籍，参考网络资料及网络文献，进一步研究改善设计的内容，最终得到了这样的结果。

本次课程设计根据给出的设计要求和原始设计参数，以及拉式膜片弹簧离合器及其操纵机构的工作原理和使用要求，通过对其工作原理的阐述、结构方案的比较和选择、相关零件参数的计算，大致确定了离合器及其操纵机构的基本结构和主要尺寸以及制造相关零部件所用的材料。

结构方面：根据设计要求，考虑到使用条件和其显著的优点，选用带扭转减振器的单片拉式膜片弹簧离合器，压盘驱动方式采用传动片传动，分离轴承采用自动调心式分离轴承，操纵机构采用液压式。

计算方面：确定了离合器的主要参数β、P0、D、d，结果按照基本公式运算得出并通过约束条件，检验合格。根据膜片弹簧基本参数之间的约束关系，初步确定了膜片弹簧的尺寸参数，并通过优化程序得出了膜片弹簧尺寸的优化值，并进一步确定了膜片弹簧的工作点，同时进行了强度校核。

选材方面：摩擦片选用编织石棉基材料，保证其有足够的强度和耐磨性、热稳定性、磨合性，不会发生粘着现象。膜片弹簧采用65Si2MnA，其中所含硅成分提高了机件的弹性，所含錳，加强了耐高温性；传动片采用80刚，满足其强度需要；压盘采用HT200，提高了耐磨性；离合器盖从用铸铁，提高了散热能力；设计后的离合器温升校核合格。

综上所述，本次设计遵从了：（1）分离彻底；（2）接合柔和；（3）操纵轻便，工作特征稳定；（4）从动部分转动惯量小的设计要点，数据全部通过约束条件检验，原件所使用的材料基本上符合耐磨，耐压和耐高温的要求，而且离合器尺寸合适，适宜安装，能最高效率传递发动机扭矩，符合计划书及国家标准。

由于自己的水平有限，本次设计中可能有很多错误和遗漏，希望各位老师批评指正。

4.参 考 文 献

[1] 徐石安,江发潮.汽车离合器[M].清华大学出版社.2005.

[2] 陈家瑞.汽车构造 [M]. 机械工业出版社.2005.

[3] 王望予.汽车设计[M]. 机械工业出版社.2006.

[4] 刘惟信.汽车设计[M].清华大学出版社.2001.

[5]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].机械工业出版社.2004.

[6]张毅，潘可耕，刘红波.离合器及机械变速器[M].化学工业出版社.2005.

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[10]谭庆昌，赵洪志.机械设计[M].高等教育出版社.2005.

5. 膜片弹簧UG图