汽车离合器膜片弹簧的优化设计
发表时间：2018-03-14T14:47:21.667Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第30期作者：张文广
[导读] 在生产汽车的过程中，汽车的燃油经济性、舒适性和动力性是汽车生产者必须考虑的问题。
摘要：用来切断和传递汽车传动系统关键装置的汽车离合器，它作为汽车传动器中不可或缺的一部分，对汽车的整车性具有十分重要的影响。虽然膜片弹簧离合器也是一种普通的汽车离合器，但它与其它的汽车离合器相比，具有一些不可比拟的优点。
关键词：汽车离合器；膜片弹簧；优化设计
1 前言
在生产汽车的过程中，汽车的燃油经济性、舒适性和动力性是汽车生产者必须考虑的问题。而作为汽车重要组成部件的离合器，对汽车的生产者和汽车购买者必须考虑的汽车的三性能具有重大的影响。
2 膜片弹簧离合器的工作特点
设计产品需要很多种类的信息，不仅包括使用产品必需的几何实体信息，同时还包括使用工程的分析、生产制造、检测信息等多方面的信息。因而，产品模型的创建是将与关于产品的多种信息一同编辑到一个统一的模型中。这些被同时涵盖的信息包括产品的几何模型的信息、文件导入的信息、有限的网格划分、制造、检测以及加工信息；还包括产品的制造信息、检测流程的信息和计划信息等。这个统一的模型是一个覆盖了相当宽广的领域的产品，它具有其自身的自适应性，这种自适应性主要表现为将几个不同却有关联的组成部分进行有机的结合，用来满足不同时期、不同工程的应用。传统的汽车离合器使用的离合器是由周置旋转弹簧所构成的，由于它设计上被其推式结构的限制，使它对于现今汽车离合器扭转传递的要求已经不能满足。而为了让汽车的驾驶员在使用汽车的过程中更省力，以拉式结构创造的膜片弹簧离合器与之相比显然是一个十分正确的选择。因而这种拉式的膜片弹簧离合器被广泛应用于国内外的重型卡车中。它具有以下优点：
2.1膜片弹簧具有其它用来制造离合器的材料不可比拟的特点，即它的非线性特性，这种特性可以保证摩擦片有一个大致不变的磨损范围内的弹簧压力，同时，与圆柱螺旋弹簧在分离时压力升高相反，膜片弹簧在分离时弹簧压力会降低，这就相当于降低了离合器的踏板力。
2.2近年来，传动片式结构成为最广泛采用的压盘驱动方式，它具有许多对于汽车离合器的制造来说十分优良的特性，如：它在传动时没噪声、相当高的效率和定心精确度以及其良好的平衡性等。由于传动片使用时没有摩擦并且弹性好，使得它可以呈轴向运动。这相对于其他材料制造出来的离合器来说，也是一个很大的优势。
2.3膜片弹簧在其安装位置上也十分有优势。由于它与离合器轴的中心线呈对称的安装位置，使得它即使在离合器高度旋转式，它所受的压力也不会由于受到离心力的影响而降低离合器的压紧力。
2.4膜片弹簧是一个起着双重作用的工具，它对离合器起着同时分离和压紧杠杆的作用。这样的一种构造，简化了离合器的结构，减少了零件的数量以及零件质量，使得离合器在轴向尺寸上大大地缩短了。它还具有提高热容量的作用，这是由于它的相当小的膜片弹簧离合器的尺寸所造成的。此外，还可以利用其腾出的空间来改变汽车的散热条件。
2.5由于弹簧膜片接触的事压盘的整个圆面，因此它对于压盘的压力分布得十分均匀，与摩擦片的接触也相当良好。这样一来，它对摩擦片形成的磨损是较为均匀的，因此可以将摩擦片的使用期限延长。
2.6从其生产出发，膜片弹簧拥有结构十分简单的主要零件，这种零件方便大规模地生产，这不失为一个降低汽车生产成本的好办法。
3 膜片弹簧基本参数的选择
3.1 H/h比值和h的选择
比值H/h对膜片弹簧的弹性特性影响极大。为保证离合器压紧力变化不大和操纵轻便，汽车离合器用膜片弹簧的H/h一般为1.5~2.0,板厚2~4mm。本次设计H/h=1.75，h=2mm。
3.2 R/r比值和R、r的选择
研究表明，R/r越大，弹簧材料利用率越低，弹簧越硬，弹性特性曲线受直径误差的影响越大，且应力越高。根据结构布置和压紧力的要求，R/r一般为1.20~1.35。为使摩擦片上的压力分布较均匀，推式膜片弹簧的R值应取为大于或等于摩擦片的平均半径Rc，拉式膜片弹簧的r值应取为大于或等于Rc。而且，对于同样的摩擦片尺寸，拉式的R值比推式的大。这里R=90mm,r=70mm,R/r=1.286
3.3 α的选择
膜片弹簧自由状态下圆锥底角α与内截锥高度H关系密切，α=arctanH/(R-r),一般在9°~15°范围内。本次α=10°。
3.4分离指数目n的选取分离指数目n常取18，大尺寸膜片弹簧可取24，小尺寸膜片弹簧可取12。本次分离指数目n=18
3.5膜片弹簧小端内径r0及分离轴承作用半径rf的确定
r0由离合器的结构决定，其最小值应大于变速器第一轴花键的外径。rf应大于r0。本次设计r0=18mm，rf=20mm。
4 拉式膜片离合器关键零件的材料和制造工艺
国内膜片弹簧一般采用50CrVA，或是进口相应牌号的优质高精度钢板。为了保证其硬度、几何形状、金相组织、载荷特性和表面质量等要求，需进行一系列热处理。为了提高膜片弹簧的承载能力，要对膜片弹簧进行强压处理：即沿其分离状态的工作方向，超过彻底分离点后继续施加过量的位移，通过3～8次的过分离，便可使其高应力区发生塑性变形以产生残余反向应力。一般来说，经强压处理后，在同样的工作条件下，可提高膜片弹簧的疲劳寿命5％～30％。另外，还可以通过对膜片弹簧的凹面或双面进行喷丸处理，即以高速弹丸流喷射到膜片弹簧表面，使表层产生塑性变形，形成一定厚度的表面强化层，以增强弹簧疲劳强度。此外，为提高分离指的耐磨性，可对其端部进行高频感应加热淬火。为了防止膜片弹簧与压盘接触圆形处由于拉应力的作用产生裂纹，一般对该处进行挤压处理，以消除应力源。
膜片弹簧表面不得有毛刺、裂纹、划痕等缺陷，碟簧部分硬度为45～50HRC，分离指端硬度为55～62HRC，膜片弹簧的内、外半径公差一般为H11和h11，厚度公差偏差±0.025mm，上、下表面的表面粗糙度为1.6μm，底面的平面度一般要求小于0.1mm。膜片弹簧处于