膜片弹簧离合器概述及设计

膜片弹簧离合器概述
膜片弹簧离合器是用膜片弹簧代替了一般螺旋弹簧以及分离杆机构而做成的离合器，因为它布置在中央，所以也可算中央弹簧离合器。

根据对膜片弹簧与螺旋弹簧特性曲线的对比，膜片弹簧分离时的压力小于接合时的压力。

当摩擦片变薄，螺旋弹簧弹性下降，而膜片弹簧弹力几乎不变，膜片弹簧具有自动调节压紧力的特点膜片弹簧的弹性压力几乎与转速无关，具有高速时压紧力稳定的特点。

膜片弹簧的轴向尺寸较小而径向尺寸很大，这有利于在提高离合器传递转矩能力的情况下减小离合器的轴向尺寸。

膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，故不需要专门的分离杠杆，使离合器的结构大大简化，零件数目减少，质量轻。

由于膜片弹簧轴向尺寸小，所以可以适当增加压盘的厚度，提高热容量；而且还可以在压盘上增设散热筋及在离合器盖上开设较大的通风孔来改善热条件。

膜片弹簧离合器的主要部件形状简单，可以采用冲压加工，大批量生产时可以降低成本。

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。

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。

离合器膜片弹簧设计
膜片弹簧的结构特点
由前面可以知道，本设计中的压紧弹簧是膜片弹簧。

而膜片弹簧离合器分推式和拉式，在本设计中采用拉式结构。

膜片弹簧在结构形状上分为两部分。

在膜片弹簧的大端处为一完整的截锥体，它的形状像一个无底的碟子和一般机械上用的碟形弹簧完全一样，故称作碟簧部分。

膜片弹簧起弹性作用的正是其碟簧部分。

碟形弹簧的弹性作用是这样：沿其轴线方向加载，碟簧受压变平，卸载后又恢复原形所。

可以说膜片弹簧是碟形弹簧的一种特殊结构形式。

所不同的是，在膜
片弹簧上还包括有径向开槽部分。

膜片弹簧上的径向开槽部分像一圈瓣片，它的作用是，当离合器分离时作为分离杠杆。

故它又称分离爪。

分离爪与碟簧部分交接处的径向槽较宽呈长方圆形孔。

这样做，一方面可以减少分离爪根部应力集中，一方面又可用来安置销钉固定膜片弹簧，分离爪根部的过渡圆角R ＞4.5。

● 膜片弹簧的变形特性和加载方式
由于膜片弹簧采用推式结构，故其正装。

离合器在分离和接合时，膜片弹簧的加载情况不一样，相应的有两种加载方式和变形情况：
（1）接合时：离合器接合时，膜片弹簧起压紧弹簧之用，在压盘——离合器盖总成未与飞轮装合以前，膜片弹簧近似处于自由状态，膜片弹簧对压盘无压紧作用。

当压盘——离合器盖总成与飞轮装合时，离合器盖前端面向飞轮前端面靠拢。

因此，离合器盖通过支承环4对膜片弹簧施加载荷1P ，膜片弹簧几乎变平。

同时在压盘处也作用有载荷1P 。

我们把1P 称作压紧力。

支承环4和膜片弹簧压盘接触处之间的高度变化称作大端变形1λ，膜片弹簧分离轴承相对于压盘高度的变化称之为小端变形2λ。

（2）分离时：当分离轴承以P 2力作用在膜片弹簧的小端时，支承环4逐渐不起作用，而支承环5开始起作用。

当P 2力达到一定值时，膜片弹簧被压翻。

分离时在膜片弹簧的大端处及小端处将进一步产生附加变形f 1λ和f 2λ。

此时膜片弹簧大端处的变形1λ=f 1λ+b 1λ。

● 膜片弹簧的弹性变形特性
前面说过膜片弹簧起弹性作用的部分是其碟簧部分，碟簧部分的弹性变形特性和螺旋弹簧是不一样的，它是一中非线性的弹簧，其特性和碟簧部分的原始内截锥高H 及弹簧片厚h 的比值H/h 有关。

不同的H/h 值可以得到不同的特性变形特性。

一般可以分成下列四中情况：
⑴H/h ＜2
如下图7.1中H/h=0.5的曲线,其曲线形状表现为:载荷P 的增加,变形
总是不断增加.
这种弹簧的刚度很大,可以承受很大的载荷,适合与作为缓冲装置中的行程限制器。

⑵H/h =2
如图7.1中H/h=1.5≈2的曲线,弹性特性曲线在中间有一段很平直,变形的增加,载荷P 几乎不变.这种弹簧叫做零刚度弹簧.
⑶2＜H/h ＜22
如图7.1中H/h=2.75者,弹簧的特性曲线中有一段负刚度区域,即当变形增加时,载荷反而减少具有这种特性的膜片弹簧很适合用于作为离合器的压紧弹簧,因为可利用其负刚度区,达到分离离合器时载荷下降,操纵省力的目的,当然负刚度过大也不适宜,以免弹簧工作位置略微变动造成弹簧压紧力过大. ⑷H/h ＞2
如下图7.2,这种弹簧的的特性曲线中具有更大的负刚度不稳定工作区,而且有载荷为负值的区域.这种弹簧适合于汽车液力传动中的锁止机构。

膜片弹簧的参数尺寸确定
在设计膜片弹簧时，一般初步选定其全部尺寸然后进行一系列的验算，最后优选最合适的尺寸。

其结构示意图见图
●H/h比值的选取
设计膜片弹簧时，要利用其非线性的弹性变形规律，因此要正确选择其特性曲线的形状，以获得最佳性能。

一般汽车汽车膜片弹簧的H/h值的范围在1.5～2.5之间。

我设计的膜片
弹簧，H=6.0mm；h=3.0mm所以，H/h=2
●R及R/r确定
比值R/r对弹簧的载荷及应力特性都有影响，从材料利用率的角度，比值在1.8～2.0时，碟形弹簧储存弹性的能力为最大，就是说弹簧的质量利用率和好。

因此设计用来缓和冲击，吸收振动等需要储存大量弹性能时的碟簧时选用。

对于汽车离合器的膜片弹簧，设计上
并不需要储存大量的弹性能，而是根据结构布置与分离的需要来决定，一般R/r取值为1.2～1.3.对于R,膜片弹簧大端外径R应满足结构上的要求和摩擦片的外径相适应，大于摩擦片
内径，近于摩擦片外径。

此外，当H，h及R/r等不变时，增加R有利于膜片弹簧应力的下降。

参考下表可7-1
表 7-1 一些车型膜片弹簧的R和R/r的值
车型外径（㎜）内径（㎜）半径2R（㎜）R/r
丰田225160206103/81=1.27北京BJ751228150210105/8.5=1.25上海SH771280165252126/103.5=1.2
1
初步确定R=100mm；r=80mm
所以，R/r=1.25
● 膜片弹簧起始圆锥底角
汽车膜片弹簧一般起始圆锥底角在10°～14°之间，≈H/(R-r)代入数值计算可得：=12°27′
● 膜片弹簧小端半径f r 及分离轴承的作用半径p r
f r 的值主要由结构决定，最小值应大于变速器第一轴花键外径，分离轴承作用半径p r 大于f r 。

因为花键外径D=26㎜，要使2f r ＞D ，所以取f r =20㎜，p r =22㎜
● 分离指数目n 、切槽宽1δ、窗孔槽宽2δ、及半径e r
汽车离合器膜片弹簧的分离指数目n ＞12，一般在18左右，采用偶数，便于制造时模具分度切槽宽1δ≈3.2㎜，2δ≈10㎜，窗孔半径r 一般情况下由（r －e r ）≈(0.8～1.4) ,
所以取r －e r =12δ=10㎜参考下表7-2
表7-2 一些车型膜片弹簧的分离爪数n 、切槽宽
、及半径
车型 n 1δ（㎜） 2δ（㎜） r －e r （㎜） 丰田 18 3.2 9 11 北京BJ751 18 3.2 11 13 上海SH771 18 3.2 11 12.5 雪佛兰
18
3.2
10
10
参考上表7-2 可取得n=18, 1δ≈3.2㎜，2δ≈10㎜, e r =60。