汽车设计-离合器设计

1 第二章 离合器设计

第一节 概述

离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和实现对传动系的动力传递，以保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合，确保汽车平稳起步；在换档时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮之间的冲击；在工作中受到大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪声。

为了保证离合器具有良好的工作性能，对汽车离合器设计提出如下基本要求：

1. 在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备；

2. 接合时要平顺柔和，以保证汽车起步时没有抖动和冲击；

3. 分离时要迅速、彻底；

4. 离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换档和减小同步器的磨损；

5. 应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果，以保证工作温度不致过高，延长其使用寿命；

6. 应使传动系避免扭转共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力；

7. 操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳；

8. 作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦系数在使用过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能；

9. 应有足够的强度和良好的动平衡，以保证其工作可靠、寿命长；

10. 结构应简单、紧凑，质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便等。

摩擦离合器主要由主动部分（发动机飞轮、离合器盖和压盘等）、从动部分（从动盘）、压紧机构（压紧弹簧）和操纵机构（分离叉、分离轴承、离合器踏板及传动部件等）四部分组成。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。

随着汽车发动机转速和功率的不断提高，汽车电子技术的高速发展，人们对 2 离合器的要求越来越高。从提高离合器工作性能角度出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式结构发展，传统的操纵型式正向自动操纵的型式发展，因此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。

第二节 离合器的结构方案分析

汽车离合器大多是盘形摩擦离合器，按其从动盘的数目可分为单片、双片和多片三类；根据压紧弹簧布置型式不同，可分成圆周布置、中央布置和斜向布置等型式；根据使用的压紧弹簧不同，可分成圆柱螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧和膜片弹簧离合器；根据分离时所受作用力的方向不同，又可分成拉式和推式两种型式。

一、从动盘数的选择

对轿车和轻型、微型货车而言，发动机的最大转矩一般不大，在布置尺寸容许条件下，离合器通常只设有一片从动盘。单片离合器（见图2-1）结构简单，尺寸紧凑，散热良好，维修调整方便，从动部分转动惯量小，在使用时能保证分离彻底，接合平顺。

双片离合器（见图2-2）与单片离合器相比，由于摩擦面数增加一倍，因而传递转矩的能力较大。在传递相同转矩的情况下，径向尺寸较小，踏板力较小，另外接合较为平顺。但中间压盘通风散热不良，两片起步负载不均，因而容易烧坏摩擦片，分离也不够彻底。设计时在结构上必须采取相应的措施。此种结构一般用在传递转矩较大且径向尺寸受到限制的场合。

图2-1 单片离合器

图2-2 双片离合器 3 多片离合器多为湿式，它有分离不彻底，轴向尺寸和质量大等缺点，以往主要用于行星齿轮变速器换档机构中。但它具有接合平顺柔和，摩擦表面温度较低，磨损较小，使用寿命长等优点，主要应用于重型牵引车和自卸车上。

二、压紧弹簧和布置型式的选择

周置弹簧离合器的压紧弹簧均采用圆柱螺旋弹簧（见图2-1），它的特点是结构简单，制造容易，因此应用较广泛。此结构中弹簧压力直接作用于压盘上，为了保证摩擦片上压力均匀，压紧弹簧的数目不应太少，要随摩擦片直径的增大而增多，而且应当是分离杠杆的倍数。某些重型汽车上，由于发动机最大转矩较大，所需压紧弹簧数目较多，可将压紧弹簧布置在两个同心圆周上。压紧弹簧直接与压盘接触，易受热退火，且当发动机最大转速很高时，周置弹簧由于受离心力作用向外弯曲，使弹簧压紧力下降，离合器传递转矩的能力随之降低。另外弹簧靠到它的定位面上，造成接触部位严重磨损，甚至会出现弹簧断裂现象。

中央弹簧离合器采用一至两个圆柱螺旋弹簧或用一个圆锥弹簧作为压紧弹簧，并且布置在离合器的中心，此结构轴向尺寸较大。由于可选较大的杠杆比，因此可得到足够的压紧力，且有利于减小踏板力，使操纵轻便。此外，压紧弹簧不与压盘直接接触，不会使弹簧受热退火，通过调整垫片或螺纹容易实现对压紧力的调整。此种结构多用于重型汽车上。

斜置弹簧离合器的弹簧压力斜向作用在传力盘上，并通过压杆作用在压盘上，此种结构的显著优点是在摩擦片磨损或分离离合器时，压盘所受的压紧力几乎保持不变。与上述两种离合器相比具有工作性能稳定，踏板力较小的突出优点。此结构在重型汽车上已有采用。

膜片弹簧离合器（见图2-3）中的膜片弹簧是一种具有特殊结构的碟形弹簧，主要由碟簧部分和分离指组成，它与其它型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（见图2-12），弹簧压力在摩擦片允许

图2-3 膜片弹簧离合器 4 磨损范围内基本不变（从安装时工作点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，对于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，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，使结构简单紧凑，轴向尺寸小，零件数目少，质量小；

3． 高速旋转时，弹簧压紧力降低很少，性能较稳定，而圆柱螺旋弹簧压紧力则明显下降；

4． 由于膜片弹簧大断面环形与压盘接触，故其压力分布均匀，摩擦片磨损均匀，可提高使用寿命；

5． 易于实现良好的通风散热，使用寿命长；

6． 平衡性好；

7． 有利于大批量生产，降低制造成本。

但膜片弹簧的制造工艺较复杂，对材质和尺寸精度要求高，其非线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，膜片弹簧的制造已日趋成熟。因此膜片弹簧离合器不仅在轿车上被大量采用，而且在轻、中、重型货车以及客车上也被广泛采用。

拉式膜片弹簧离合器（见图2-4）中，其膜片弹簧的安装方向与推式相反，在接合时，膜片弹簧的大端支承在离合器盖上，而以中部压紧在压盘上。将分离轴承向外拉离飞轮，即可实现分离。与推式相比，拉式膜片弹簧离合器具有如下优点：

1． 由于取消了中间支承各零件，并只用一个或不用支承环，使其结构更简单、紧凑，零件数目更少，质量更小；

2． 由于拉式膜片弹簧是以中部与压盘相压，因此在同样压盘尺寸条件下可采用直径较大的膜片弹簧，从而提高了压紧力与传递转矩的能力，而并不增大踏板力；或在传递相同转矩时，可采用尺寸较小的结构；

3． 在接合或分离状态下，离合器盖的变形量小，刚度大，故分离效率更高；

4． 拉式的杠杆比大于推式杠杆比，且中间支承少，减少了摩擦损失，传动效率较高，使踏板操纵更轻便。拉式踏板力比推式一般约可减少25%~30%； 5 5． 拉式无论在接合状态或分离状态，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产生冲击和噪声；

6． 使用寿命更长。

但是，拉式膜片弹簧的分离指是与分离轴承套筒总成嵌装在一起的，需专门的分离轴承（见图2-19），结构较复杂，安装拆卸较困难，且分离行程略比推式大些。由于拉式膜片弹簧离合器综合性能优越，它已在一些汽车中得以应用。

三、膜片弹簧支承型式

推式膜片弹簧支承结构按支承环数目不同分为三种。图2-5为双支承环型式，其中图2-5a用台肩式铆钉将膜片弹簧、两个支承环与离合器盖定位铆合在一起，结构简单，是早已采用的传统型式。图2-5b在铆钉上装硬化衬套和刚性挡环，可提高耐磨性和使用寿命，但结构较复杂。图2-5c取消了铆钉，在离合器盖内边缘上伸出许多舌片，将膜片弹簧、两个支承环与离合器盖弯合在一起，使结构紧凑、简化，耐久性良好，应用日益广泛。

图2-6为单支承环型式。在冲压离合器盖上冲出一个环形凸台来代替后支承环（见图2-6a），使结构简化，或在铆钉前侧以弹性挡环代替前支承环（见图2-6b），以消除膜片弹簧与支承环之间的轴向间隙。

图 2-4 拉式膜片弹簧离合器

a) b) c)

图2-5 推式膜片弹簧双支承环型式 6 图2-7为无支承环型式。利用斜头铆钉的头部与冲压离合器盖上冲出的环形凸台将膜片弹簧铆合在一起而取消前后支承环（见图2-7a），或在铆钉前侧以弹性挡环代替前支承环，离合器盖上环形凸台代替后支承环（见图 2-7b），使结构更简化，或取消铆钉，离合器盖内边缘处伸出的许多舌片将膜片弹簧与弹性挡环和离合器盖上的环形凸台弯合在一起（见图2-7c），结构最为简单。

图 2-8为拉式膜片弹簧支承结构型式，其中图2-8a为无支承环型式，将膜片弹簧的大端直接支承在离合器盖冲出的环形凸台上。图2-8b为单支承环型式，将膜片弹簧大端支承在离合器盖中的支承环上。这两种支承型式常用于轿车和货车上。

四、压盘的驱动方式

压盘的驱动方式主要有凸块窗孔式、销钉式、键块式和传动片式多种。前三种的共同缺点是在联接件之间都有间隙，在驱动中将产生冲击和噪声，而且在零件相对滑动中有摩擦和磨损，降低了离合器传动效率。传动片式是近年来广泛

a) b)

图2-6 推式膜片弹簧单支承环型式

a) b) c)

图 2-7 推式膜片弹簧无支承环形式

a) b)

图2-8 拉式膜片弹簧支承型式 7 采用的结构，沿周向布置的三组或四组钢带传动片两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联结（见图2-2），传动片的弹性允许其作轴向移动。当发动机驱动时，钢带受拉，当拖动发动机时，钢带受压。此结构中压盘与飞轮对中性能好，使用平衡性好，使用可靠，寿命长。但反向承载能力差，汽车反拖时易折断传动片，对材料要求较高，一般使用高碳钢。

第三节 离合器主要参数的选择

摩擦离合器是靠摩擦表面间的摩擦力矩来传递发动机转矩的。离合器的静摩擦力矩根据摩擦定律可表示为：

ccfFZRT （2-1）

式中，Tc为静摩擦力矩；f为摩擦面间的静摩擦系数，计算时一般取0.25~0.30；F 为压盘施加在摩擦面上的工作压力；Rc为摩擦片的平均摩擦半径；Z为摩擦面数，是从动盘数的两倍。

假设摩擦片上工作压力均匀，则有：

4)(2200dDpApF （2-2）

式中，0p为摩擦面单位压力，A为一个摩擦面的面积; D为摩擦片外径；d为摩擦片内径。

摩擦片的平均摩擦半径Rc根据压力均匀的假设，可表示为：

)dD(3dDR2233c （2-3）

当6.0Dd时，Rc可相当准确地由下式计算：

4dDRc

将式（2-2）与式（2-3）代入式（2-1）得：