汽车总体设计—第二章

第2章离合器设计教学提示：离合器是汽车传动系的一个组成部分，直接与发动机连接，本章主要讲解离合器的分类、工作原理，离合器和扭转减振器的设计等基本内容，还介绍了离合器的设计实例。

教学要求：了解离合器的结构方案、离合器的操纵机构以及离合器的结构元件，熟练掌握离合器主要参数的选择，离合器的设计与计算，扭转减振器的设计。

通过设计实例深入理解和掌握离合器的设计过程。

2.1 概述现代汽车一般都以内燃机为动力，其传动系中离合器处于首端，它具有如下基本功用：(1) 在汽车起步时，通过离合器主动部分(与发动机曲轴相连)和从动部分(与变速器第一轴相接)之间的滑磨，转速逐渐接近，使旋转着的发动机和原为静止的传动系平稳地接合，以保证汽车平稳起步。

(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转矩(即离合器的最大摩擦力矩)时，其主、从动部分将产生滑磨。

这样，离合器就起着防止传动系过载的作用。

目前，各种汽车广泛采用的摩擦离合器是一种依靠主、从动部分之间的摩擦来传递动力且能分离的装置。

它主要包括主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构等四部分。

其中离合器主动部分主要包括飞轮、离合器盖和压盘；从动部分主要是从动盘；压紧机构主要是压紧弹簧；操纵机构主要包括分离叉、分离轴承、离合器踏板和传动部件。

主、从动部分和压紧机构是保证离合器处于接合状态并能传递动力的基本结构，操纵机构是使离合器主、从动部分分离的装置。

目前离合器发展的趋势是：提高可靠性和使用寿命；适应高转速，增加传递转矩的能力；简化操纵(当采用自动离合器时，可省去离合器踏板，实现汽车的“双踏板”操纵)。

对汽车离合器设计有如下基本要求：(1) 既能可靠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(最大摩擦力矩或后备系数)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稳定。

(4) 离合器从动部分转动惯量小，以减轻换挡时齿轮间的冲击，并便于换挡和减小同步器的磨损。

(5) 避免传动系共振(有改变传动系固有频率和吸振的能力)。

(6) 有足够的吸热能力，并且散热通风良好，以免工作温度过高。

(7) 操纵轻便。

(8) 具有足够的强度，工作可靠、使用寿命长。

(9) 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。

2.2 离合器的结构形式离合器按转递转矩的方式不同，可分为摩擦式、液力式、电磁式和综合式四种，其中摩擦式离合器应用最为广泛。

摩擦式离合器根据摩擦原理设计，其摩擦片的形状有盘式、片式和锥式。

现代各类汽车上应用最广泛的离合器是干式盘形摩擦离合器，按分类方式不同可分为如下几类：按从动盘数不同可分为单片离合器、双片离合器和多片离合器；按弹簧布置形式不同可分为周置弹簧离合器、中央弹簧离合器和斜置弹簧离合器；按弹簧形式不同可分为圆柱螺旋弹簧离合器、圆锥螺旋弹簧离合器和膜片弹簧离合器；按作用力方向不同可分为推式离合器和拉式离合器。

在设计中应根据车型的类别，使用要求，与发动机的匹配要求、制造条件以及标准化、通用化、系列化要求等，合理地选择离合器总成的结构和有关组件的结构。

2.2.1 从动盘数的选择1. 单片离合器单片离合器只有一个从动盘，如图2.1所示。

乘用车上一般都采用单片离合器。

近年来，由于摩擦材质的提高，在某些重型汽车上的应用也渐多(发动机的最大转矩不超过1000N·m 时)。

单片离合器的特点是：结构简单，散热良好，轴向尺寸紧凑，维修调整方便，从动部分转动惯量小，在使用时能够保证分离彻底，但是需要在结构上采取适当措施保证接合平顺，通常采用轴向有弹性的从动盘来保证接合平顺。

2. 双片离合器双片离合器有两个从动盘，与单片离合器相比，由于摩擦面数增多，因而传递转矩的能力较大，且接合更加平顺、柔和，在传递相同转矩的情况下，径向尺寸较小，踏板力也较小，如图2.2所示。

但它也存在一些缺点，如中间压盘通风散热性差，容易引起摩擦片过热，加快其磨损甚至烧坏；分离行程较大，不易分离彻底，设计时在结构上必须采取相应的措施；轴向尺寸大，结构复杂；从动部分的转动惯量较大等。

这种结构一般用在传递转矩较大且径向尺寸受到较严格限制的场合。

图2.1 单片离合器1—离合器壳底盖2—飞轮3—摩擦片铆钉4—从动片5—摩擦片6—减振器盘7—减振器弹簧8—减振器阻尼片9—阻尼片铆钉10—从动盘毂11—变速器第一轴(离合器从动轴) 12—阻尼弹簧铆钉13—减振器阻尼弹簧14—从动盘铆钉15—从动盘铆钉隔套16—压盘17—离合器盖定位销18—离合器壳(飞轮壳) 19—离合器盖20—分离杠杆支撑柱21—摆动支片22—浮动销23—分离杠杆调整螺母24—分离杠杆弹簧25—分离杠杆26—分离轴承27—分离套筒回位弹簧28—分离套筒29—变速器第一轴轴承盖30—分离叉31—压紧弹簧32—传动片铆钉33—传动片图2.2 双片离合器1—定位块2—分离弹簧3、4—从动盘5—分离杠杆6—压盘7—中间压盘8—飞轮9—支撑销10—调整螺母11—压片12—锁紧弹簧铆钉13—分离轴承14—分离套筒15—压紧弹簧16—离合器盖17—限位螺钉18—锁紧螺母3. 多片离合器多片离合器有两个以上从动盘，多为湿式，接合平顺柔和，由于在油中工作，摩擦表面温度低、磨损小，使用寿命长。

但是分离行程大，分离不彻底(特别是在冬季油黏度增加时更是如此)，轴向尺寸和质量较大，从动部分转动惯量也很大，这类离合器主要应用于最大质量大于14t的商用车的行星齿轮变速器换挡机构中，在国外某些重型牵引车和自卸车上也得到应用。

2.2.2 压紧弹簧的形式及布置离合器压紧弹簧有圆柱螺旋弹簧，矩形断面的圆锥螺旋弹簧和膜片弹簧等形式，压紧弹簧可采用圆周布置、中央布置和斜置等布置形式。

1. 周置弹簧离合器周置弹簧离合器的压紧弹簧采用圆柱螺旋弹簧并均匀布置在一个圆周上，如图2.2所示。

周置弹簧离合器结构简单，制造方便，过去广泛应用于各类汽车上。

现在由于乘用车发动机转速的提高(最高转速可高达7000r/min或更高)，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。

因此，现代乘用车多改用膜片弹簧离合器。

但在中、重型货车上，周置弹簧离合器仍得到广泛采用。

在重型汽车上采用时，由于离合器弹簧的总压力较大，离合器的操纵需有加力装置。

因弹簧易受压盘热而回火失效，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。

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β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的情况。

2. 中央弹簧离合器中央弹簧离合器采用1～2个圆柱螺旋弹簧或用一个圆锥螺旋弹簧作为压紧弹簧，并且布置在离合器的中心，压紧弹簧与从动盘的轴线相同，如图2.3所示。

中央弹簧有用圆柱弹簧的，也有用矩形断面的圆锥弹簧的，而采用后者可以缩短轴向尺寸。

中央弹簧的压紧力是通过杠杆放大而作用在压盘上，由于在结构上可选较大的杠杆比，所以采用刚度较小的弹簧即可获得较大的压紧力，这也有利于减轻踏板力。

此外，由于中央弹簧与压盘不直接接触，弹簧不受退火影响。

中央弹簧离合器多用于发动机转矩大于400～450N·m的重型汽车上。

3. 斜置弹簧离合器斜置弹簧离合器是用在重型汽车上的一种新结构形式，弹簧的轴线与离合器的轴线成一个夹角α，如图2.4所示。

弹簧压力斜向作用在传力套上，并通过压杆作用在压盘上。

作用在压杆内端的轴向压力F等于弹簧压力Q的轴向分力cosQα。

当摩擦片磨损时，压杆内端左移，弹簧伸长，弹簧力Q降低；与此同时，夹角α减小，cosα增大。

这样在摩擦片图2.3 中央弹簧离合器1—中间压盘分离弹簧2—压盘3—后从动盘4—中间压盘5—前从动盘6—轴承7—压盘传动销8—挡圈9—密封垫10—通气孔盖11—离合器壳12—调整垫片13—压板14—分离轴承15—调整螺钉16—分离叉17—锥形弹簧座18—轴向卡环19—座圈20—左右回位弹簧21—钢球22—锥形压紧弹簧23—弹性压杆24—支承凸缘25—离合器盖26—弹簧座27—销28—分离弹簧导杆29—压盘分离弹簧30—弹簧31、32—调整螺钉33—检视口盖密封垫34—检视口盖磨损范围内，乘积cosQα(即压盘压紧力)几乎保持不变。

同样，当分离时右拉传力套，Qα也大致不变。

因此这种离合器与周置弹簧和中央弹簧离合器相比，突出优点是工作cos性能十分稳定，踏板力较小(约减小35%)。

此结构在最大质量大于14t的商用车上已有采用。

4. 膜片弹簧离合器膜片弹簧是一种由弹簧钢制成的具有特殊结构的碟形弹簧，主要由碟簧部分和分离指部分组成。

膜片弹簧的形状如图2.5所示。

图2.4 斜置弹簧离合器1—压盘2—减振弹簧3—摩擦片4—分离轴承5—斜置压紧弹簧图2.5 膜片弹簧膜片弹簧离合器与其他形式的离合器相比具有如下一系列优点：(1) 膜片弹簧具有较理想的非线性特性，如图2.6所示。

弹簧压力在摩擦片的允许磨损范围内基本保持不变(从安装时的工作点B变化到A点)，因而离合器工作中能保持传递的转矩大致不变；相对圆柱螺旋弹簧，其压力大大下降(从B点变化到A'点)，离合器分离时，弹簧压力有所下降(从B点变化到C点)，从而降低了踏板力。

对于圆柱螺旋弹簧，其压力则大大增加(从B点变化到C'点)。

(2) 膜片弹簧兼起压紧弹簧和分离杠杆的作用，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，弹簧压紧力降低的程度较周置圆柱弹簧离合器明显减小，所以摩擦力矩降低很少，性能稳定。

(4) 膜片弹簧以整个圆周与压盘接触，使压力分布均匀，摩擦片接触良好，磨损均匀。

(5) 易于实现良好的通风散热，使用寿命长。

(6) 膜片弹簧中心线与离合器中心线重合，平衡性好。

但膜片弹簧的制造工艺较复杂，制造成本较高，对材质和尺寸精度要求高，其非线性弹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，膜片弹簧的制造技术已日趋成熟。

膜片弹簧离合器不仅在乘用车上被广泛采用，而且在各种形式的商用车上也被大量采用。

图2.6 膜片弹簧工作点位置图拉式膜片弹簧离合器中的膜片弹簧安装方向与传统的推式结构相反，并将支撑点移到了膜片弹簧的大端附近，如图2.7所示。