第四节 离合器的设计与计算

    一、离合器基本参数的优化
    知识点1：离合器基本参数的优化模型
    后备系数β取决于离合器工作压力F和离合器的主要尺寸参数D和d。
    单位压力p₀也取决于F和D及d。
    离合器基本参数的优化设计变量选为
          

    离合器基本参数优化设计追求的目标是在保证离合器性能要求条件下，使其结构尺寸尽可能小，即目标函数为
           

    约束条件包括：
    1．摩擦片最大圆周速度V_D不超过65~70m/s；
    2．摩擦片的内外径比c应在0.53~0.70范围内；
    3．为了保证离合器可靠地传递发动机的转矩，并防止传动系过载，不同车型的 值应在一定范围内，最大范围β 为1.2~4.0；
    4．为了保证扭转减振器的安装，摩擦片内径必须大于减振器弹簧位置直径约50mm；
    5．为反映离合器传递转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩应小于其许用值；
    6．为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，单位压力p₀对于不同车型，根据所用的摩擦材料在一定范围内选取，最大范围p₀为0.10~1.50MP?a；
    7．为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨，防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤，离合器每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值；
    二、膜片弹簧的弹性特性
    知识点2：膜片弹簧的弹性特性
    通过支承环和压盘加在膜片弹簧上的载荷F₁(N)集中在支承点处，加载点间的相对轴向变形为 λ₁（mm），则膜片弹簧的弹性特性如下式表示
  

    式中，
    E为材料弹性模量，对于钢：E=2.1*10⁵ MPa；
    μ为材料泊松比，对于钢：?μ=0.3；
    H为膜片弹簧自由状态下碟簧部分的内截锥高度（mm）；
    h为膜片弹簧钢板厚度（mm）；
    R、r分别为自由状态下碟簧部分大、小端半径（mm）；
    R₁、r₁分别为压盘加载点和支承环加载点半径（mm）。
    当离合器分离时，膜片弹簧的加载点将发生变化。设分离轴承对分离指端所加载荷为F₂(N)，相应作用点变形为λ2（mm），另外，在分离与压紧状态下，只要膜片弹簧变形到相同的位置，其子午断面从自由状态也转过相同的转角，则有如下关系
； 

    式中，r_f为分离轴承与分离指的接触半径（mm）。
    可求得F₂与λ₂的关系式

    三、膜片弹簧的强度计算
    知识点3：膜片弹簧中切向应力的计算
    假设膜片弹簧在承载过程中，其子午断面刚性地绕此断面上的某中性点O转动。则子午断面在中性点O处沿圆周方向的切向应变为零，故该点的切向应力也为零，O点以外的点均存在切向应变和切向应力。
    建立坐标系xOy，则断面上任意点(x，y)的切向应力σt（MPa）为：

    式中，
    α为自由状态时碟簧部分的圆锥底角（rad）；
    

为从自由状态起，碟簧子午断面的转角（rad）；
    e为中性点半径（mm），e=(R-r)/ln(R/r)。
    当

?一定时，一定的切向应力σ_t在xOy坐标系中呈线性分布；
    当?σ_t=0时，有 　y=(α-

/2)x；
    对于一定的

?，等应力线都汇交于K点，其坐标为x= -e，y=-(α-

/2)e 。
    显然OK为零应力直线，其内侧为压应力区，外侧为拉应力区；
    等应力线越远离零应力线，其应力值越高。
    可见，碟簧部分内上缘点B的切向压应力最大。
    当K点的纵坐标(α-

/2)e>h/2时，A点的切向拉应力最大；
    当(α-

/2)e<h/2时，A'点的切向拉应力最大。
    B点的应力值最高，通常只计算B点的应力来校核碟簧的强度。
    

    令dσ_tB /d

=0，可求出σ_tB达到极大值时的转角

_p
                 

    当离合器彻底分离时，膜片弹簧子午断面的实际转角

_f≥ 

_p，计算σ_tB时， 

应取

_p ；如果

_f＜

_p ，则

 取

_f 。
    知识点4：膜片弹簧的强度计算
    在分离轴承推力F₂作用下，B点还受弯曲应力σrB，其值为
                   

    式中，n为分离指数目；b_r为一个分离指根部宽度（mm）。
    考虑到弯曲应力σ_rB是与切向压应力σ_tB相互垂直的拉应力，根据最大剪切应力强度理论，B点的当量应力为
                       

    试验表明，裂纹首先在碟簧压应力最大的B点产生，但此裂纹并不发展到损坏，且不明显影响碟簧的承载能力。
    继后，在A'点由于拉应力产生裂纹，这种裂纹是发展性的，一直发展到使碟簧破坏。
    在实际设计中，当膜片弹簧材料采用60Si2MnA时，通常应使σ_jB不大于1500~1700MPa。
    四、膜片弹簧基本参数的选择
    知识点5：比值H/h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h为2~4mm。
    知识点6：R/r比值和R、r的选择
    研究表明，R/r愈大，弹簧材料利用率愈低，弹簧愈硬，弹性特性曲线受直径误差影响愈大，且应力愈高。
    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R_c，拉式膜片弹簧的r值宜取为大于或等于Rc。而且，对于同样的摩擦片尺寸，拉式的R值比推式大。
    知识点7：锥形底角α 和分离指数n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，

 ，一般在9^。-15^。 范围内。
    分离指数目n常取为18，大尺寸膜片弹簧有取24，小尺寸膜片弹簧有取12。
    知识点8：膜片弹簧工作点位置的选择
    膜片弹簧的弹性特性曲线的拐点H对应着膜片弹簧的压平位置，而且 

。
    新离合器在接合状态时，膜片弹簧工作点B一般取在凸点M和拐点H之间，且靠近或在H点处，一般λ_1B=(0.8~1.0)λ_1H ，以保证摩擦片在最大磨损限度Δλ范围内压紧力从F_1B到F_1A变化不大。
    当分离时，膜片弹簧工作点从B变到C，为最大限度的减少踏板力，C 点应尽量靠近N点。

    五、膜片弹簧材料及制造工艺
    知识点9：膜片弹簧的材料和工艺
    膜片弹簧一般采用60Si2MnA或50CrVA等优质高精度钢板材料。
    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，使其过分离3~8次，以产生一定的塑性变形，从而使膜片弹簧的表面产生与使用状态反方向的残余应力而达到强化的目的。
    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，从而形成一定厚度的表面强化层，起到冷作硬化的结果，同样也可提高承载能力和疲劳强度。
    为了提高分离指的耐磨性，可对其端部进行高频淬火、喷镀铬合金和镀镉或四氟乙烯。
    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，可对该处进行挤压处理，以消除应力源。