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附件1：
學(xué) 號(hào)：
設(shè) 計(jì) 報(bào) 告
題 目
帕杰羅速跑3.0手動(dòng)檔離合器設(shè)計(jì)
學(xué) 院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
指導(dǎo)教師
2018
年
1
月
11
日
目錄
1.離合器設(shè)計(jì) 1
1.1離合器的設(shè)計(jì)要求 1
1.2離合器設(shè)計(jì)流程 1
1.3離合器原始數(shù)據(jù) 2
2.從動(dòng)盤整體設(shè)計(jì) 2
2.1摩擦片設(shè)計(jì) 2
2.2扭轉(zhuǎn)減震器設(shè)計(jì) 5
2.3從動(dòng)盤轂 6
2.4從動(dòng)片的結(jié)構(gòu)形式 7
3.膜片彈簧選擇 8
3.1壓緊彈簧布置形式的選擇 8
3.2膜片彈簧參數(shù)選擇 8
3.3膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì) 10
3.4膜片彈簧的載荷與變形的關(guān)系 11
3.5膜片彈簧得應(yīng)力計(jì)算 13
3.6膜片彈簧材料及制造工藝 15
3.7壓盤的設(shè)計(jì) 16
4.操縱機(jī)構(gòu) 16
5.從動(dòng)軸得計(jì)算 19
5.1選材 19
5.2確定軸的得直徑 19
6.分離軸承得壽命計(jì)算 19
7.離合器蓋 20
8.離合器的散熱通風(fēng) 20
課程設(shè)計(jì)總結(jié) 21
參考文獻(xiàn) 22
文獻(xiàn)檢索摘要 22
1.離合器設(shè)計(jì)
1.1離合器的設(shè)計(jì)要求
根據(jù)離合器的公用它應(yīng)滿足下列主要要求：
1.2離合器設(shè)計(jì)流程
1.3離合器原始數(shù)據(jù)
汽車的驅(qū)動(dòng)形式
汽車整車質(zhì)量
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩
汽車總質(zhì)量
離合器形式
傳動(dòng)比
汽車最大時(shí)速
操作形式
4X2
1100kg
4500kg
225N.m
1465kg
機(jī)械、干式、單片、膜式彈簧
i0=5.83
ig1=5.57
225km/h
液壓式操作機(jī)構(gòu)
2.從動(dòng)盤整體設(shè)計(jì)
2.1摩擦片設(shè)計(jì)
摩擦片在性能上要滿足如下要求：
（1）
摩擦系數(shù)穩(wěn)定，工作溫度，滑磨速度，單位壓力的變化對(duì)其影響小
（2）
具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，熱穩(wěn)定性好，磨合性好，密度小
（3）
有利于接合平順，長(zhǎng)期停放離合器摩擦片不會(huì)出現(xiàn)粘著現(xiàn)象
（4）
摩擦片選用材料為鑄鐵非石棉材料，注重環(huán)保
采用單片摩擦離合器是利用摩擦來傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的，為保證可靠度，離
合器靜摩擦力矩Tc應(yīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩Temax。
摩擦片的靜壓力：
Tc=β?Temax（N?m）
式中：β離合器后備系數(shù)（β>1）
由原始數(shù)據(jù)有，Temax=225N?m
后備系數(shù)β是離合器的重要參數(shù)，反映離合器傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩的可靠程
度，選擇β時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：
（1）
摩擦片在使用中有一定磨損后，離合器還能確保傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩
（2）
防止離合器本身滑磨程度過大
（3）
要求能夠防止傳動(dòng)系過載。通常轎車和輕型貨車 β=1.2～1.75， 故選擇β=1.5
離合器后備系數(shù)的取值范圍
車型
后備系數(shù) β
轎車和輕型貨車
1.20～1.75
中型和重型貨車
1.50～2.25
帶掛車的重型汽車和牽引汽車
2.00～2.75
越野汽車和工作惡劣的工程車輛
2.50～3.50
所以Tc=β?Temax=1.5*225=337.5N?m
摩擦片的外徑可有式：D=KDTemax求得。
KD為直徑系數(shù)，取值見表如下，取KD=14.6，得D=219mm。
直徑系數(shù)的取值范圍
車型
直徑系數(shù)KD
轎車
14.6
貨車
15.8～18.3(單片離合器)
13.5～14.9(雙片離合器)
重型貨車
22.4～23.6
摩擦片的尺寸已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)如下表(部分)：
在單位壓力不超過許用范圍條件下， d 可取大一些，能加大平均摩擦半徑，增大傳遞轉(zhuǎn)矩能力，也便于布置扭轉(zhuǎn)減振器。故取D=250mm，d=150mm。
摩擦片的摩擦因數(shù)f取決于摩擦片所用的材料及基工作溫度、單位壓力和滑
磨速度等因素。可由表查得：
取f=0.3
摩擦面數(shù) Z 為離合器從動(dòng)盤數(shù)的兩倍，決定于離合器所需傳遞轉(zhuǎn)矩的大小及其結(jié)構(gòu)尺寸。本題目設(shè)計(jì)單片離合器，因此 Z=2。離合器間隙 Δt 是指離合器處于正常接合狀態(tài)、分離套筒被回位彈簧拉到后極限位置時(shí)，為保證摩擦片正常磨損過程中離合器仍能完全接合，在分離軸承和分離杠桿內(nèi)端之間留有的間隙。該間隙 Δt一般為3～4mm。取Δt=3mm。
滑動(dòng)摩擦系數(shù)，表面許可溫度，許用單位壓力參考范圍
摩擦副材料
fu
表面許可工作溫度（ C°）
[P0]
鑄鐵對(duì)非石棉類摩擦材料
0.25～0.3
250
0.25～0.35
離合器的靜摩擦力矩為：Tc=fFZRc
聯(lián)立得：
p0=12β·TemaxπfzD3（1-C3）
代入數(shù)據(jù)得：p0=0.181MPa
2R0+50mm
（5）為降低離合器滑磨時(shí)的熱負(fù)荷，防止摩擦片損傷，單位壓力p0的最大范圍為0.10～1.50MPa，此處重新計(jì)算單位壓力,即
p0=12β·TemaxπfzD3（1-C3）
0.10MPa≤p0=0.181Mpa≤1.50MPa
滿足要求。
2.2扭轉(zhuǎn)減震器設(shè)計(jì)
減震器極轉(zhuǎn)矩Tj=1.6Temax=360N?m
摩擦轉(zhuǎn)矩Tu=0.18Temax=18N?m
預(yù)緊扭矩Tn=0.064Temax= 14.4N.m
極限轉(zhuǎn)角φj=3~12°
扭轉(zhuǎn)角剛度k?≤13Tj=13*360=4680 N.m/rad
減振彈簧的安裝位置
R0=0.60~0.75d/2,
結(jié)合
d>2R0+50mm
取系數(shù)為0.7，則R0=0.7*1552=54.25mm
減振彈簧個(gè)數(shù)的選取
根據(jù)摩擦片外徑查表知可取減振彈簧個(gè)數(shù)Z=6。
摩擦片的外徑D/mm
＜225～250
250～325
325～350
〉 350
Z
4～6
6～8
8～10
〉 10
減振彈簧尺寸
（1）選擇材料，計(jì)算許用應(yīng)力
根據(jù)《機(jī)械原理與設(shè)計(jì)》(機(jī)械工業(yè)出版社)采用65Mn彈簧鋼絲，設(shè)彈簧絲直徑d=4mm，σb=1620MPa,[τ]=0.5σb=810MPa。
（2）選擇旋繞比，計(jì)算曲度系數(shù)
由于直徑d在2.5~6mm范圍內(nèi)，查表得可選旋繞比C=4~9，這里取C=4，則曲度系數(shù)K=(4C?1)/(4C?4)+0.615/C=1.40。
（3）極限轉(zhuǎn)角φj=2arcsinΔl2R0=3~12°，取φj=3.5°，則Δl=3.3mm。取總?cè)?shù)n=8。
2.3從動(dòng)盤轂
從動(dòng)盤轂是離合器中承受載荷最大的零件，它幾乎承受由發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的全部轉(zhuǎn)矩。它一般采用齒側(cè)對(duì)中的矩形花鍵安裝在變速器的第一軸上，花鍵的尺寸可根據(jù)摩擦片的外徑D與發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Temax選?。?
一般取1.0～1.4倍的花鍵軸直徑。從動(dòng)盤轂一般采用碳鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，表面和心部硬度一般為26～32HRC。為提高花鍵內(nèi)孔表面硬度和耐磨性，可采用鍍鉻工藝；對(duì)減振彈簧窗口及與從動(dòng)片配合處，應(yīng)進(jìn)行高頻處理。取n=10，D,=35mm,d=32mm,t=4mm,l=35mm,σc=12.5MPa。
花鍵的齒側(cè)面壓力計(jì)算如下：
P=4TemaxD'+d'Z
動(dòng)盤轂軸向長(zhǎng)度不宜過小，以免在花鍵軸上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生偏斜而使分離不徹
底。其中Z為從動(dòng)盤轂的數(shù)目，取Z=1。D'、d'分別為花鍵的外徑和內(nèi)徑。h為花鍵工作高度。
h=D'+d'/2
則擠壓應(yīng)力為
σj=Pnhl=4.02MPa<11.1MPa，合格
2.4從動(dòng)片的結(jié)構(gòu)形式
在設(shè)計(jì)從動(dòng)片時(shí)要盡量減輕其質(zhì)量，并應(yīng)使其質(zhì)量的分布盡可能地靠近旋轉(zhuǎn)中心，以獲得最小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了使得離合器結(jié)合平順，保證汽車平穩(wěn)起步，單片離合器的從動(dòng)片一般都做成具有軸向彈性的結(jié)構(gòu)。具有軸向彈性的從動(dòng)片有以下3種結(jié)構(gòu)型式：整體式彈性從動(dòng)片、分開式彈性從動(dòng)片以及組合式彈性從動(dòng)片。前面兩種結(jié)構(gòu)在小轎車上采用較多，在載貨汽車上則常用第三種即組合式從動(dòng)片。故選整體式從動(dòng)片。
3.膜片彈簧選擇
3.1壓緊彈簧布置形式的選擇
離合器壓緊裝置可分為周布彈簧式、中央彈簧式、斜置彈簧式、膜片彈簧式等。其中膜片彈簧的主要特點(diǎn)是用一個(gè)膜片彈簧代替螺旋彈簧和分離杠桿。膜片彈簧與其他幾類相比又有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）膜片彈簧具有理想的非線性特性，彈簧壓力在摩擦片磨損范圍內(nèi)大致不變，甚至還有可能升高；分離離合器時(shí)的分離力，不像圓柱彈簧離合器那樣呈上升趨勢(shì)，而是降低，從而降低了離合器踏板操縱力。
（2）高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓緊力降低很少，性能穩(wěn)定。
（3）由于膜片彈簧兼起壓緊和分離杠桿的雙重作用，使結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，零件數(shù)減少，質(zhì)量減小，離合器的軸向尺寸縮短。
（4）容易實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)散熱。
（5）壓力分布均勻，平衡性好。
但膜片彈簧的制造工藝較復(fù)雜，對(duì)材料質(zhì)量和尺寸精度要求高，其非線性特性在生產(chǎn)中不易控制，開口處容易產(chǎn)生裂紋，端部容易磨損。近年來，由于材料性能的提高，制造工藝和設(shè)計(jì)方法的逐步完善，膜片彈簧的制造已日趨成熟。因此，我選用膜片彈簧式離合器。
3.2膜片彈簧參數(shù)選擇
（1）高厚比H/h的選擇
此值對(duì)膜片彈簧的負(fù)載特性與應(yīng)力特性影響較大，分析壓緊力F1與變形λ1的關(guān)系可知，當(dāng)H/h取不同值時(shí)，F(xiàn)1有不同的變化趨勢(shì)。
為保證離合器壓緊力變化不大和操作輕便，汽車離合器用膜片彈簧的H/h推薦在1.5～2范圍內(nèi)，常用的膜片彈簧板厚為2～4mm ，本設(shè)計(jì)H/h=1.8，h=3mm，H=5.4mm。
（2）R/r選擇
比值R/r影響膜片彈簧的剛度和應(yīng)力。當(dāng)R/r增大，可使彈簧的剛度減小，也使各角點(diǎn)的應(yīng)力σ減小。分析表明，R/r越小，應(yīng)力越高，彈性彈性曲線受直徑誤差的影響越大。離合器膜片彈簧的R/r，應(yīng)考慮膜片彈簧的結(jié)構(gòu)布置和壓緊力的要求，R/r常在1.2～1.3的范圍內(nèi)取值。本設(shè)計(jì)中取R/r=1.25，摩擦片的平均半徑RC=D+d4=101.25mm，r>RC取r=105mm，則R=131.25mm,取整數(shù)R=135mm。R/r=1.286符合要求。
（3）圓錐底角
汽車膜片彈簧在自由狀態(tài)時(shí)，圓錐底角α一般在9～15°范圍內(nèi)，本設(shè)計(jì)中α=arctanHR-r得α=10.2°在9～15°之間，合格。分離指數(shù)常取為 18，本設(shè)計(jì)所取分離指數(shù)為 18。
（4）切槽寬度
槽切寬度δ1、δ2及半徑re的選取。δ1=3.2~3.5mm，δ2=9~10mm，取δ1=3.5mm, δ2=10mm,又有：
r-re>δ2
故取re=95mm
(5)壓盤加載點(diǎn)半徑R1和支撐環(huán)加載點(diǎn)半徑r1的確定
R1應(yīng)略小于R且盡量接近R，r1應(yīng)略大于且盡量接近r。
1≤R-R1=6≤6
0≤r1-r=4≤6
故選擇R1=130mm，r1=110mm
3.3膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)
（1）為了滿足離合器使用性能的要求，彈簧的H/h與初始錐角α=arctan[H/（R?r）]≈H/（R?r）應(yīng)在一定范圍內(nèi)，即
1.6≤H/h≤2.2
9°≤α≈arctanHR-r=10.2°<15°
（2）彈簧各部分有關(guān)尺寸的比值應(yīng)符合一定的范圍，即
1.20≤R/r≤1.35
70≤2R/h≤100
（3）為了使摩擦片上的壓緊力分布比較均勻，推式膜片彈簧的壓盤加載點(diǎn)半徑R1（或拉式膜片彈簧的壓盤加載點(diǎn)半徑r1）應(yīng)位于摩擦片的平均半徑與外半徑之間，即
拉式：（D+d）/4≤r1≤D/2
（4）根據(jù)彈簧結(jié)構(gòu)布置要求，R1與r，rf與r0之差應(yīng)在一定范圍內(nèi)選取。即
0≤rf?r0≤4
式中：rf—分離軸承作用半徑；
r0—膜片彈簧小端內(nèi)徑。
（5）膜片彈簧的分離指起分離杠桿的作用，杠桿比應(yīng)在一定范圍選取。即
拉式：3.5≤R1-rfR1-r1≤9.0
故取rf=42mm，r0=40mm。
3.4膜片彈簧的載荷與變形的關(guān)系
膜片彈簧實(shí)際上是碟形彈簧和分離指的集成，即錐頂部分的分離指起分離杠桿的作用，錐底的裙邊部分即為碟形彈簧，故其壓緊力彈性特性與相同碟簧尺寸的碟形彈簧的彈性特性完全相同。因此，碟形彈簧有關(guān)設(shè)計(jì)公式對(duì)膜片彈簧也適用。通過支承環(huán)和壓盤加在膜片彈簧上的沿圓周分布的載荷，假象集中在支承點(diǎn)處，用F1表示，加載點(diǎn)間的相對(duì)變形（軸向）為λ1，則壓緊力F1與變形λ1之間的關(guān)系式為:
F1=πEhλ161-μ2lnR/rR1-r12H-λ1R-rR1-r1·H-λ12R-rR1-r1+h2
式中：E—彈性模量，對(duì)于鋼，E=2.1×105MPa；
μ—泊松比，對(duì)于鋼，μ=0.3；
H—膜片彈簧在自由狀態(tài)時(shí)，其碟簧部分的內(nèi)錐高度；
h—彈簧鋼板厚度；
R—彈簧自由狀態(tài)時(shí)碟簧部分的大端半徑；
r—彈簧自由狀態(tài)時(shí)碟簧部分的小端半徑；
R1—壓盤加載點(diǎn)半徑；
r1—支承環(huán)加載點(diǎn)半徑。
膜片彈簧彈性所用到的系數(shù)
R
r
R1
r1
H
h
135
105
130
110
5.4
3
帶入數(shù)據(jù)得：
F1=fλ1=256λ13-2765.7λ12+8686.3λ1
對(duì)式求一次導(dǎo)數(shù)，可解出函數(shù)的凹凸點(diǎn)，求二次導(dǎo)數(shù)可求出拐點(diǎn)。
凹點(diǎn)：λ1=2.31mm時(shí)，F(xiàn)1=8462.86N
凸點(diǎn)：λ1=4.89mm時(shí)，F(xiàn)1=6276.44N
拐點(diǎn)：λ1=3.6mm時(shí)，F(xiàn)1=7380.2N
當(dāng)離合器分離時(shí)，膜片彈簧加載點(diǎn)發(fā)生變化。設(shè)分離軸承對(duì)膜片彈簧指所加的載荷為F2，對(duì)應(yīng)此載荷作用點(diǎn)的變形為λ2。由
F2=R1-r1r1-rf·F1=0.294F1
λ2=r1-rfR1-r1=3.4λ1
列出表：
膜片彈簧工作點(diǎn)得數(shù)據(jù)
λ1
2.31
4.89
3.6
λ2
7.854
16.626
12.24
F1
8462.86
6276.44
7380.2
F2
2488.08
1846.01
2170.65
膜片彈簧工作點(diǎn)位置的選擇。膜片彈簧載荷特性曲線如下圖所示。分析可知，曲線上的H點(diǎn)對(duì)應(yīng)膜片彈簧的壓平位置，也稱拐點(diǎn)，而λ1H恰為曲線凸點(diǎn)M和凹點(diǎn)N的橫坐標(biāo)的平均值。
B點(diǎn)即為離合器在結(jié)合狀態(tài)時(shí)膜片彈簧的工作點(diǎn)，B點(diǎn)的橫坐標(biāo)λ1B一般按λ1B/λ1H=0.9～1.05取，以保證摩擦片在最大磨損限度Δλ內(nèi)壓緊力變化不大。當(dāng)分離時(shí)，膜片彈簧工作點(diǎn)從B變到C，為最大限度地減小踏板力，C點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近N點(diǎn)。為了保證摩擦片磨損后仍能可靠地傳遞扭矩，并考慮摩擦因數(shù)的下降，摩擦片磨損后彈簧工作壓緊力F1A應(yīng)大于或等于新摩擦片時(shí)的壓緊力F1B。
3.5膜片彈簧得應(yīng)力計(jì)算
假定膜片彈簧在承載過程中，其子午斷面剛性地繞此斷面上的某中性點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可知，斷面在O點(diǎn)沿圓周方向的切向應(yīng)變?yōu)榱悖蚨鳲點(diǎn)的切向應(yīng)力為零；O點(diǎn)以外的點(diǎn)一般均發(fā)生切向應(yīng)變，故產(chǎn)生切向應(yīng)力。若選取一坐標(biāo)固連于子午斷面，使坐標(biāo)原點(diǎn)位于中性點(diǎn)O。令X軸平行于子午斷面的上下邊，其方向如下圖所示。
則斷面上任意點(diǎn)的切向應(yīng)力為：
σt=E1-μ2·xφ·α-φ/2-yφe+x
式中：φ—碟簧部分子午斷面的轉(zhuǎn)角（從自由狀態(tài)算起）；
α—碟簧部分子有狀態(tài)時(shí)的圓錐底角；
e—碟簧部分子午斷面內(nèi)中性點(diǎn)的半徑，e=(R?r)/ln(R/r)。
膜片彈簧工作點(diǎn)位置
由上式可知，當(dāng)膜片彈簧變形位置φ一定時(shí)，一定的切向應(yīng)力σt在xOy坐標(biāo)系上呈線性分布。
當(dāng)σt=0時(shí)，有y=(α?φ/2)x，因(α?φ/2)很小，故(α?φ/2)x≈tan(α?φ/2)，上式可寫成y=tan(α?φ/2)x，此式表明對(duì)于一定的φ，零應(yīng)力分布在過O點(diǎn)而與x軸成(α?φ/2)角的直線上。實(shí)際上，當(dāng)x=?e時(shí)，無論σt為何值，均存在y=?(α?φ/2)e，即對(duì)于一定的φ，等應(yīng)力線都交匯于K點(diǎn)，其坐標(biāo)為x=?e，y=?(α?φ/2)e。顯然，OK為零應(yīng)力直線，其內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力區(qū)，外側(cè)為拉應(yīng)力區(qū)。等應(yīng)力線離零應(yīng)力線越遠(yuǎn)，其應(yīng)力值越大。由此可見，碟簧部分內(nèi)上緣點(diǎn)B處切向壓應(yīng)力最大。當(dāng)K點(diǎn)的縱坐標(biāo)(α?φ/2)e>h/2時(shí)，A點(diǎn)的切向拉應(yīng)力最大；當(dāng)(α?φ/2)e
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