离合器的设计概述

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P0 — 每个弹簧在接合时的载荷
f
p P0 n
— 离合器接合时弹簧的变形量，它为弹簧自 由高度 l 与工作高度 l0 之差，即
f l l0
图2-1
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圆柱螺旋压紧弹簧计算用简图
P —离合器分离时因弹簧附加变形保证分离间隙所引
起的附加载荷，一般 P 0.2 P 0
双片A=0.45~ 0.55，轻型车取上限，重型车取下
限；自卸车、特殊用途车：Ａ＝0.19。
摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm
三种。
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要求：
（1）标准化（JB1457-74）。
（2）检查该尺寸是否在发动机飞轮允许尺寸范围内。 （3）大圆周线速度[v]不超过65~70m/s，以免发生飞 离的危险。 D2 neH v [v ] 60
A
( D22 D12 )
4
式中：D2、D1—— 摩擦衬片的外径和内径（m）。
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对湿式离合器而言，摩擦副的面积为扣除油槽 面积Δ A后的有效摩擦工作面面积A1。 对径向油槽ΔA为(0.1~ 0.2)A； 对螺旋油槽ΔA=(0.35~ 0.4)A；对螺旋径向油 槽Δ A为(0.45~ 0.6)A，故 A1=A-ΔA
h
—离合器分离时弹簧附加变形量， h Z ， Z是摩擦副数量， 是主动盘与从动盘的分离 间隙（一般单盘式为0.75 ~ 1.25 mm，双盘式 为0.5 ~ 0.9 mm，多盘式为0.2 ~ 0.4 mm)；
G m —材料的扭转弹性模量 Gm 82GPa
Dtp , d t —弹簧的中径和钢丝的直径
' ——花键轴导向面与摩擦片
内齿的摩擦系数，对干式 ' ＝0.13～0.30， 湿式 ' ＝0.06～0.08。 与摩擦副数量和摩擦片工作条件有关。
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假定压紧力P是均匀分布在摩擦表面上，所以：
P qA 10
6
式中：q——摩擦表面的单位压力（Mpa）； A——摩擦副的面积（m2）。 当摩擦面为环状时，每个摩擦副的面积A：
簧两种。
（一）圆柱螺旋弹簧
周置式采用圆柱螺旋弹簧，初选弹簧数目n一
般为6，9，12，15等； 中央式可采用圆柱螺旋弹簧亦可采用碟形弹 簧。
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圆柱螺旋压紧弹簧计算用简图参考图2-1。必须 指出：适合作主离合器压紧弹簧的弹簧刚度一般在 20 ~ 45 N/mm，可按下式计算：
P0 P Gm d t4 Kt 3 f h 8Dtp i
曲。通常干式离合器，c值一般在0.55~0.68之间；
湿式离合器，c值一般在0.75~0.87之间。
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3、单位压力q 单位压力q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， q 应取小些，使离合器尺寸加大，可减少磨损，提 高使用寿命 ；当摩擦片外径较大时，为了降低摩 擦片外缘处的热负荷，q应取小些；后备系数较大 时，可适当增大q 。
摩擦衬片的外径受飞轮尺寸和摩擦片最大圆 周速度的限制，一般可取飞轮直径的0.75~0.8倍， 也可根据发动机最大转矩按汽车用干式离合器的 经验公式计算：
D2 M e max A
(cm)
式中： M e max ——发动机最大转矩（Nm）；
A ——经验系数
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轿车：Ａ＝0.47；载重车：单片A=0.3~0.4，
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当摩擦面为环状时，摩擦力作用等效半径Rd可足够精 确地取为摩擦衬片外径D2和内径D1的平均值：
D2 D1 Rd 4 3 D2 D13 D1 , Rc C 2 3( D2 D12 ) D2
均压：
F p0 施加在摩擦面上的单位压力， A fZ 3 M c M e max p0 D2 (1 C 3 ) 12
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（5）车辆总质量越大，β也应选得越大；
（6）柴油机工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的
β值应比汽油机大些；
（7）发动机缸数越多，转矩波动越小，β可选取小 些； （8）蝶形弹簧离合器选取的β值可比螺旋弹簧离合 器小些； （9）双片离合器的β值应大于单片离合器。
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2、摩擦片外径D2、内径D1和厚度
P ——压在摩擦表面上的压紧力（N）； Rd ——摩擦力作用等效半径（m）；
Z ——摩擦副数量，Z=m+n-1，其中m为主动片的
数量，n从动件的数量；
k0 ——压紧力损失系数，考虑压紧力在逐片顺次
传递过程中要克服花键等联接中的滑动摩擦力而渐 次减小所造成的损失系数。
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1 ' z k0 1 ( ) ' ' 2 z 1 1
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Mm M e max
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因此，在选择β时应考虑以下几点：
（1）为可靠传递发动机最大转矩，β不宜选取太小；
（2）为减少传动系过载，保证操纵轻便，β又不宜 选取太大； （3）当发动机后备功率较大、使用条件较好时，β 可选取小些；
（4）当使用条件恶劣，为提高起步能力、减少离合 器滑磨，β应选取大些；
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（3）Pa≈Pb，保证在使用期间，离合器可靠工作。
Pa――为摩擦衬面磨损到最大允许量时弹簧压 紧力。 （4） h f c f b Z fc――摩擦衬面未磨损时弹簧在离合器彻底分 离时的变形量。
－－是主动盘与从动盘的分离间隙
（5）C点应尽可能接近t点，尽量减小离合器处于分
§2-2
离合器的设计
一、离合器主要参数的确定
片式摩擦离合器的主要参数有摩擦转矩，储备系 数，摩擦副数量和摩擦衬片的内外径等。前两个参 数主要表征离合器的工作能力，可称为性能参数， 后两个参数则说明离合器结构的一些特点，可称为 结构参数。这两个参数之间具有内在联系并相互影 响。
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（一）离合器的摩擦转矩
直至所有的条件满足为止。
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（二）碟形弹簧
碟形弹簧是一种用薄弹簧钢板冲制的截锥形弹 簧。它具有变刚度特性及弹簧变形压平后有翻转的 功能，因此离合器应具有足够空间让其翻转。
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蝶形弹簧自由状态下碟 簧部分的内截锥高度H； 蝶形弹簧钢板厚度h ； 自由状态下碟簧部分大 端半径R； 自由状态下碟簧部分小 端半径r ； 自由状态时碟簧部分的 圆锥底角α；
离位置时的操纵力（Pc
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Pmin）。
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离合器的Mc值，只有在结构设计完毕后才确定。
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（二）离合器基本参数的选择
基本参数主要有性能参数β和q，尺寸参数D2和 D1及摩擦片厚度b。
1、储备系数β 储备系数β是离合器一个重要设计参数，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，应保证离合器应能可靠地传递发动机最大转 矩、要防止离合器滑磨过大、要能防止传动系过载。
2 H 2 2 h0
，特性曲线如图。
（1）在曲线上有三个特殊点S，P，t
P Ps Pb Pa Pp Pc Pt a S b p c t
fa fs
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fb
fp fc
ft
f
点S——为曲线上的凸点，此点的压紧力fs达到 压紧力的最大值，对应的变形量为：
2 H 2 2h0 fS H 3 3
离合器的摩擦转矩Mm由摩擦表面上的压紧力P 所产生的，摩擦转矩Mm与离合器所具有的摩擦副 数量，摩擦工作面的材料特性和结构尺寸以及压 紧力的30
M m PRd Zk0

M m ——离合器的最大摩擦转矩（Nm）；
——摩擦系数，可参考表3-3-1选取；
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（4）摩擦衬片的内径可参考现有结构的c值来确定，
c=D1/D2。对c值选择是否恰当，关系到摩擦有效的
利用以及摩擦片是否能正常可靠地工作。在摩擦表 面单位压力允许的条件下采用较大的c值，即增加内
径，可使摩擦表面的磨损均匀和防止滑磨时由于内、
外圆的圆周速度相差太大，温升不一致而产生的翘
Gm d t4 Kt 3 8 Dtp i
l0 l P0 Kt
是否在适用范围？
（2）弹簧工作高度
，是否满足用来安
置弹簧压紧机构的空间尺寸？ 即要求：
（3）压紧弹簧工作压力变化是否在规定范围内，
P0 max l l0 Z 1.15 1.2 P0 l l0
若不能满足，则需要调整初选的参数数值，
2
分布均匀，由于变刚度特性只要选定合适的工作点，可 使压紧力不致因摩擦衬面的磨损而迅速减小，并可不增 加分离时所需的操纵力。适用离合器的压紧弹簧。 （4） H ＞2
h0 2
H 2 2 h0
，这种碟形弹簧轴向尺寸小，压紧力
，有较大的负刚度，且P<0。
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2、碟形弹簧工作点位置的选择
碟形弹簧的结构参数
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碟形弹簧的载荷-变形特性曲线
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1、载荷-变形特性曲线（与 H/h0有关）
（ 1）
H ＜ 2 h0
，开口向上的抛物线，P
f
Kt
可承受大载荷
H （2）h0 ＝ 2
，中间有一段水平线，在水平段，f p＝const，Kt＝0。
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（ 3）
i—弹簧的工作圈数 弹簧的自由高度 l f h (i 2)dt (i 1)
△—离合器分离时弹簧的间隙，通常△ ＝0.5～1.5mm。
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总之，设计的圆柱螺旋弹簧除了要满足强度要 求外，针对主离合器的特点，还需满足： （1）弹簧刚度 一般为20～45N/mm
：
点P——为曲线上的拐点，即弹簧被压平点，此 点对应的变形量为： fp ＝ H 点t——为曲线上的凹点，此点的压紧力是压紧 力的最小值，对应的变形量为：
2 H 2 2h0 ft H 3 3
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（2）工作点Ｂ的确定
以表示摩擦衬面未磨损时弹簧在离合器接合时
的变形量，正确设计时应使fb>fs且fb<fp ，即在
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工程机械在工作时经常需要频繁地使用离合器， 而且它们的作业条件差，属于重载荷类型，因此应 选用较小的q值。
4P q 2 ( D2 D12 )
要求q≤[q]，式中[q]为摩擦材料的许用比压。 否则，应对初选参数进行调整，直到满意为止。
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二、压紧弹簧设计
压紧弹簧从结构上有圆柱螺旋弹簧和碟形弹
Ｓ点与Ｐ点之间。一般初选 fb=（0.65
~
0.8）H，
不但要求对应的压紧力Pb=P，同时还需满足：
m Zf f b f
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m Zf f b f
式中:Z ——磨擦副的数量；
△f ——磨擦副的容许磨损量，摩擦衬面与钢 片铆接时 △f=0.8~1 mm，胶接时△f=2 mm。 fa――摩擦衬面磨损到最大允许量时弹簧在 离合器接合时的变形量。