重型货车离合器设计——螺旋弹簧离合器(正文)

1 绪论1.1 汽车离合器的发展汽车自19世纪末诞生至今100余年期间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，写下了人类近代文明史的重要篇章。

汽车是数量最多，最普及，活动范围最广泛，运输量最大的现代化交通工具。

可以断言，没有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。

在以内燃机作为动力的机械传动汽车中，无论是AMT或MT，离合器都作为一个独立的部件而存在。

虽然发展自动传动系统是汽车传动系的发展趋势，但有人指出：根据德国出版的2003年世界汽车年鉴，2002年世界各国U4家汽车公司所生产的1864款乘用车中，手动机械变速器车款数为1337款；在我国，乘用车中自动挡车款式只占全国平均数的26．53％；若考虑到商用车中更是多数采用手动变速器，手动挡汽车目前仍然是世界车款的主流(当然并不排除一些国家或地区自动挡式车款是其主流产品)。

谈到未来，考虑到传动系由MT向自动传动系过渡，采用AMT技术其产品改造较为容易，因此AMT技术是自动传动系统有力的竞争者。

可以说，从目前到将来离合器这一部件将会伴随着内燃机一起存在，不可能在汽车上消失。

在早期研发的离合器结构中，锥形离合器最为成功。

它的原型设计曾装在1889年德国戴姆勒公司生产的钢质车轮的小汽车上，它是将发动机飞轮的内孔做成锥体作为离合器的主动件。

采用锥形离合器的方案一直延续到20世纪20年代中叶，对当时来说，锥形离合器的制造比较容易，摩擦面容易修复。

它的摩擦材料曾用过驼毛带、皮革带等。

那时也曾出现过蹄—鼓式离合器来替代锥形离合器，该结构采用的是内蹄—鼓式。

这种结构型式有利于在离心力作用下使蹄紧贴鼓面。

蹄—鼓式离合器用的摩擦元件为木块、皮革带等，蹄—鼓式离合器的重量较锥形离合器轻。

无论锥形离合器或蹄—鼓式离合器，都容易造成分离不彻底甚至出现主、从动件根本无法分离的自锁现象(当时所提供的材料复合体的摩擦系数变化很大，容易引起自锁)。

现今所用的盘片式离合器的先驱是多片盘式离合器，它是直到1925年以后才出现的。

多片离合器最主要的优点是，在汽车起步时离合器的接合比较平顺，无冲击。

早期的设计中，多片按成对布置设计，一个钢盘片对着一青铜盘片。

采用纯粹的金属对金属的摩擦副，把它们浸在油中工作，能达到更为满意的性能。

浸在油中的盘片式离合器，盘子直径不能太大，以避免在高速时把油甩掉。

此外，油1也容易把金属盘片粘住，不易分离。

但毕竟还是优点大于缺点。

因为在当时，许多其他离合器还在原创阶段，性能很不稳定。

石棉基摩擦材料的引入和改进，使得盘片式离合器可以传递更大的转矩，能耐受更高的温度。

此外，由于采用石棉基摩擦材料后可用较小的摩擦面积，阅而可以减少摩擦片数，这是由多片离合器向单片离合器转变的关键。

20世纪20年代末，直到进入30年代时，只有工程车辆、赛车和大功率的轿车上才使用多片离合器。

早期的单片干式离合器有与锥形离合器相类似的问题，即离合器接合时不够平顺。

但是，由于单片干式离合器结构紧凑，散热良好，转动惯量小，所以以内燃机为动力的汽车经常采用它，尤其是成功地开发了价格便宜的冲压件离合器盖以后更是如此。

实际上早在l920年就出现了单片干式离合器，这和前面提到的与发明了石棉基的摩擦面片有关。

但在那时相当一段时间内，由于技术设计上的缺陷，造成了单片离合器在接合时不够平顺等问题。

第一次世界大战后初期，单片离合器的从动盘金属片上是没有摩擦面片的，摩擦面片是贴附在主动件飞轮和压盘上，弹簧布置在中央，通过杠杆放大后作用在压盘上。

后来改用多个直径较小的弹簧(一般至少6个)，沿着圆周布置直接压在压盘上，成为现今最为通用的螺旋弹簧布置方法。

这种布置在设计上带来了实实在在的好处，使压盘上弹簧的工作压力分布更均匀，并减小了轴向尺寸。

多年的实践经验和技术上的改进逐渐趋向于首选单片干式摩擦离合器，因为它具有从动部分转动惯量小、散热好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点，而且由于在结构上采取—定措施，已能做到接合平顺，因此现在广泛用于大、中、小各类车型中。

1.2 汽车离合器的基本功用1）在汽车起步时，通过离合器主动部分（与发动机曲轴相联）和从动部分（与变速器第一轴相接）之间的滑磨、转速的逐渐接近，使旋转着的发动机和原为静止的传动系平稳地接合，以保证平稳起步；2）当变速器换挡时，通过离合器主、从动部分的迅速分离来切断动力传递，以减轻换挡时轮齿间的冲击，便于换挡；3）当传给离合器的转矩超过其所能传递的最大力矩（即离合器的最大摩擦力矩）时，其主、从动部分将产生相对滑磨。

这样，离合器就起着保护传动系防止其过载的作用。

例如：当汽车紧急制动而又没有分离离合器时，由于离合器的滑磨可避免发动机因突然减速而引起巨大的惯性力矩。

21.3 汽车离合器的基本要求1）既能可靠地传递发动机最大转矩又能防止传动系过载；2）接合完全且平顺、柔和，使汽车起步时无抖动、无冲击；分离彻底、迅速；3）工作性能稳定，即作用在摩擦片上的总压力不应因摩擦表面的磨损而有明显变化，摩擦系数在离合器工作过程中应力求稳定；4）从动部分的转动惯量要小，以减小挂档时的齿轮冲击并方便挂档；5）能避免和衰减传动系的扭振，具有吸收振动、冲击和降低噪声的能力；6）通风散热性良好；7）操纵轻便；8）具有足够的强度，工作可靠、使用寿命长；9）力求结构简单，紧凑，质量小，制造工艺性好，维修方便；10）设计时应注意对旋转件的动平衡要求和离心力的影响。

32 离合器结构方案分析本次设计的原始数据为：1）发动机的最大功率P=247.13 Kw 336马力2）发动机的最大扭矩n=950N.m3）汽车总质量30t 载重17t2.1 从动盘数及干、湿式的选择单片干式离合器(图2—1)结构简单，调整方便，轴向尺寸紧凑，分离彻底，从动件转动惯量小，散热性好，采用轴向有弹性的从动盘时也能接合平顺。

对轿车和轻型、微型货车而言，发动机的最大转矩一般不大。

因此，单片离合器广泛用于各级轿车及微、轻、中型客车与货车上，在发动机转矩不大于1000N.m的大型客车和中型货车上也有所推广。

当转矩更大时刻采用双片离合器。

图2-1 单片离合器图2-2 双片离合器Figure 2-1 Monolithic clutch Figure 2-2 Double feature clutch双片干式离合器(图2—2)与单片离合器相比，由于摩擦面增多使传递转矩的能力增大，接合也更平顺、柔和；在传递相同转矩的情况下，其径向尺寸较小，踏板力较小。

但轴向尺寸加大且结构复杂；中间压盘的通风散热性差易引起过热而加快摩擦片的磨损甚至烧伤碎裂；分离行程大，调整不当分离也不易彻底；从动件转动惯量大易使换挡困难等。

仅用于传递的转矩大且径向尺寸受到限制时。

4多片湿式离合器摩擦面更多，接合更加平顺柔和；摩擦片浸在油中工作，表面磨损小。

但分离行程大、分离也不易彻底，特别是在冬季油液粘度增大时；轴向尺寸大；从动部分的转动惯量大，故过去未得到推广。

近年来，由于多片湿式离合器在技术方面的不断完善，重型车上又有采用，并不断增加。

因为它采用油泵对摩擦表面强制冷却，使起步时即使长时间打滑也不会过热，起步性能好，并且使用寿命较干式高出5-6倍。

多片离合器多用于重型货车和自卸车上。

本次设计为重型载货汽车离合器的设计，设计原始数据为：发动机的最大转矩T=950N.m，故选用单片干式磨擦离合器作为本次设计对象。

它由从动盘、压盘驱动装置、压紧弹簧、离合器盖、分离杠杆、分离轴承等构成。

2.2 压紧弹簧的结构型式及布置离合器压紧弹簧的结构型式有：圆柱螺旋弹簧、矩形断面的圆锥螺旋弹簧和膜片弹簧等。

可采用沿圆周布置、中央布置和斜置等布置型式。

根据压紧弹簧的型式及布置，离合器分为：周置弹簧离合器、中央弹簧离合器、斜置弹簧离合器、膜片弹簧离合器。

1）周置弹簧离合器的压紧弹簧是采用圆柱螺旋弹簧并均匀布置在一个圆周上。

有的重型汽车将压紧弹簧布置在同心的两个圆周上。

周置弹簧离合器的结构简单、制造方便，过去广泛用于各类型汽车上。

现代由于轿车发动机转速的提高，在高转速离心力的作用下周置弹簧易歪斜甚至严重弯曲鼓出而显著降低压紧力；另外，也使弹簧靠到定位座柱上而使接触部位严重磨损甚至出现断裂现象。

在中、重型汽车上，周置弹簧离合器仍得到采用。

在设计上应注意弹簧与压盘间的隔热，例如加装隔热垫、加强散热通风等，因弹簧易受压盘热而回火失效。

为了保证摩擦片上的压力均匀，压簧的数目不应太少，且要随摩擦片直径的增大而增多。

在选择离合器的后备系数时应考虑到这种离合器在摩擦片磨损后压盘的压紧力无法调整。

2）中央弹簧离合器采用一个矩形断面的圆锥螺旋弹簧或用1-2个圆柱螺旋弹簧做压簧并布置在离合器中心的结构型式，称为中央弹簧离合器。

这是压簧不与压盘直接接触，因此压盘由于摩擦而产生的热量不会直接传给弹簧而使其回火失效。

压簧的压紧力是经杠杆系统作用于压盘，并按杠杆比放大，因此可用力量较小的弹簧得到足够的压盘压紧力，使操纵较轻便。

压盘的压紧力可通过调整垫片或螺纹进行调整。

因此，当摩擦表面磨损后经调整即可恢复规定的压紧力，故设计时离合器的后备系数可选的小写，这样也就减小了压紧力和分离力。

为了使压盘的压紧力分布均匀，使离合器结合柔和，常采用数目较多的、56 由弹簧片做成的杠杆，称为弹性压杆，其内端的孔内装有由座圈定位的钢球以形成铰接。

其中段常常做成叶片形状以利于离合器的通风散热。

采用中央圆柱螺旋弹簧时离合器的轴向尺寸较大，而矩形断面的锥形弹簧则可明显缩小轴向尺寸，但其制造比较困难。

3）斜置弹簧离合器是重型汽车采用的一中新型结构。

以数目较多的一组圆柱螺旋弹簧为压紧弹簧，分别以倾角α斜向作用于传力套上，后者再推动压杆并按杠杆比放大后作用到压盘上。

这时，作用在压杆内端的轴向推力F α等于弹簧压力F 的轴向分力，即 ααcos F F = 。

当摩擦片磨损后压杆内端随传力套前移，使弹簧伸长，压力F 减小，倾角α也减小，而αcos 则增大。

这样即可使在摩擦片磨损范围内压紧弹簧的轴向推力ααcos F F =几乎保持不变，从而使压盘的压紧力也几乎保持不变。

同样，当离合器分离时后移传力套，αcos F 也大致不变。

因此，斜置弹簧离合器与前两种离合器相比，突出优点是工作性能稳定，也取得一定的应用。

4）膜片弹簧离合器作为压紧弹簧的所谓膜片弹簧，是由弹簧钢制成的、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揩油许多径向切槽，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，后者借助于固定在离合器盖上的一些铆钉来安装定位。

当离合器盖未固定到飞轮上时，膜片弹簧不受力而处于自由状态。

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，后支撑圈则压膜片弹簧使其产生弹性变形，锥顶角变大，甚至膜片弹簧近乎变平。