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1、膜片弹簧离合器的设计与研究中国人民解放军运输技术学校浦定真内容提要本文介绍了膜片弹簧离合器的优点。文中 讨论了在设计膜片弹 簧离合器过程 中着重考虑的几个l可题,如膜片弹簧的弹性特性应满足汽车离合器的要求;膜片各结构参数对弹性 特性和 应力的影响,给出了计算公式和参数的选定范 围,提高抗疲劳能力的措施;如何加强零件的刚度;膜片弓单簧安装的尺寸链等。膜片弹簧用作汽车离合器的压紧弹簧已有几十年的历 史了。起初只有少数汽车采 用,以后在很长一 段时间里发展 比较缓慢,只是在近几年才广泛应用于各类汽车的离合器中。在前一段时期 内,膜片弹簧离合器发展缓慢的主要原因,是膜片弹簧本身的设计、制 造较为复杂、
2、困难,生产 出的膜片弹簧的弹性特性不稳定,寿命短,因此,限制了它 的推广。然而,由于近 几年来计算、测试技术的进步,材料质量的提高 和加工工艺的改善,特别 是热处理工艺方面的发展,使膜片弹簧的设计、制造质量得到保证。所以,生产一 个性能稳定、寿命 长、制造成本令人满意的膜片弹簧已不是当今工程技术人 员所难以解决的 问题了。从此,膜片弹簧离合器在世界各国的车辆上又得到 了广泛的推广。目前,在欧洲 和日本几乎所有小客车、轻型载货汽车都采用 了膜片弹簧离合器,在中型载货汽车上采用的也愈来愈多。某些厂家已生产出能传递发动机扭矩2 000N。、从动 盘直径为40 0m m的大型膜 片弹簧离合 器。众所周
3、知,膜片弹簧离合器具有一条非线性弹性特性曲线,如图1所示。它能比较理想地满足 汽车的使用要求,并且结构非常简单。与 螺旋弹簧离合 器相比,膜片弹簧离合器有 以下优点:摩擦片磨损后,压盘的压紧力 儿乎不 变,使离合器工 作性 能 稳定(即夕。与P。相差很小,而P .与P。相比下降很大,分离离合器的操纵力大大减小(即图l中的P人大 小于 夕,pfN)厂/ - ,)了照纂/ /J 嘛. 且小于扒);膜片的分离指代替了分离杠杆,使离合器的零件数大大减少,简化了离合器的结构多离合器中的活动关节减少,从而提高了离合 器的使用寿命。为了进一步分析,我们将所设计的 一系列膜片弹簧离合 器的主要参数与相同类型螺
4、旋弹簧离合器的主要参数列表比较如下(见表1)。从表1中看出,当摩擦片磨损到极限位置时,其压紧力与新摩擦片时的压紧力 相比,螺旋弹簧离合器要下降7.5%1 7 %,而膜片 弹簧 离 合 器 仅下降2%3.2%;膜片弹 簧 离合器的分 离力 比 螺旋弹簧离合器减 小3 5 % 左右,离合器压盘一盖总成的零件数,膜片弹簧的只有 螺旋弹簧的1 /41 /3。以上数字表明,膜片弹簧离合器确实具有非常突出的优点。问/尹 、6_/片/牙习八眯凡压几氏入b入图1A一磨损至极限位置点B一新摩擦片工作点C一拐点D一彻底分离点M一最大压力点S一最小压力点19冬6,年第,期B B BJ22 2 21BJ130 0 0
5、EQ140 0 0螺螺簧簧膜簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧簧螺螺螺螺簧簧膜簧簧螺簧簧膜簧簧4 4 4619 9 94 629 9 94619 9 950 01 1 1102 2 25 13 3 384 4 4 44482 2 223 844 4 4403 3 39794 4 45 5 516 8 8 83 31 5 5 55168 8 83825 5 511562 2 26 6 6 6 62 2 22 2 26 6 616 6 61 1 1 120 0 06 6 6110 0 026 6 678 8 8下面 分别介绍 我们在设计膜片弹簧 离合器 过程中着重考虑的几个问题。一、膜片弹簧的弹性特
6、性应满足汽车离合器的要求膜片弹簧具有非线性弹性特性。那么,用于汽车离合 器 的膜片弹簧,其弹性特性应满足什么要求呢?1.工作位置B点的压紧力 应满 足后备 系数刀值的要求(见图1 )。我们 知道,离合器为保证传递发动机最大力矩Me。.二所需的最大摩擦力矩Mc二.二应满足下式:Me二。二=刀Me口.二而M.二=尸二拌R二. z尸二刀Me二。二拼R二2.式中尸:压盘总压力;R.摩擦力 作用半径,Z,摩擦片的工作 面数,拼摩擦系 数。膜 片弹簧工作位置B点 的压紧力P。应等于尸二,即尸二尸:=月Mem。二“Z二R。这就是说,尸。必须 满足上式才能保证可靠地传递 发动机的最大 力矩。在选择刀值 时,考
7、虑到 膜片弹簧离合 器在 摩擦片从新片 到极限磨损量的情况下,压紧力变化不大,所以,一般膜 片弹簧离合 器 的刀 值可比螺旋 弹簧 离合器 的刀 值减小0.1一。.2。2.当摩擦片达到极 限磨损量时(见图1),压 紧力尸。与尸。相比,基本不下降 或 下降不多。一般希望压紧力的下降不大于2一3%,最 多不超过5%,以保证离合器 工作性能的稳定。极限磨损量了久的选取,日本“铃木”推荐取1.4m m对单片离合器而言),我国有 关资料推荐取1一2mm,范围比较大。根据我们对部分BJ212和C A1 0B型汽车的使用调 查,发现当汽车行驶5一6万公里,进行三级或四级保养,更换摩擦衬片时,摩擦衬 片的单面
8、 磨 损量 为0.60.smm,因此,我们认为刀入值取1.62.Om m较为合 适。3.离合器彻底 分离位置D点应在最小压力点S的附近,最好在S点的右边,这 样可以使分离离合器时保持较小 的分高力,并且随着 摩擦 片的磨损分离力变化不大。一之宫一汽车技来从图l中可以看出,D点位置受压 盘行程刀f 大小的影响,而刀f 值将主要取决 于从动盘的制造精度。若制造精度高,Jf值可取小 值,反之 则大。刁f 值 可从下式得 出:Jf=占2.十刀S式 中6每 对 摩擦面分 离时 的间隙,因我国目前的 制造精度较低,一般可以取d二。.6mm井2.摩擦副 对数.JS从动盘中波形片的 变形量。4.弹性特 性曲线
9、上 的凸点(最大压力点)和凹点(最小压力点)之 间 的压力差(即尸。.二一尸)希望大些为好.以使操纵省力。该差值最好大于1 471N(15 0kgf),最小不 得低于9 8 0.7N(1 0 0kgf)。二、膜 片结构参数对弹性特性和应力的影响膜片弹簧设计中主 要考虑 两个问题。一是要求 获得理想 的弹 性特性,二是保证有足够的使 用寿命,也就是工作应力不 超过许用值,并要求有 一定的表面质量。上述两个 问题的正确解决,除由工艺和材料予以保 证外,还 必须正确 选择膜片弹簧的结构参数。膜片弹簧 的结构 参数,主要应从满 足众所周知 的下面 两个公式来考虑:(1)载荷一变形公式R 尸:二-劣缈澳
10、卜.一擎二一. !阳一*:尽二导、!H一粤(冬共、1十、2! ”、 工一 拼一少. L一e厂L、- L一“产“、一/JJ(2)当量应力公式、 ,声 ,几 一_3r一r,_尸,.E 。当一.一不je s了甲 一一下产一一万犷一 汀r尸么“一1一升尸一r:.2。止竺.(_H一1._凡、 左一rZL一e久1L一rh义:1 ,尸一. 一. Zr乙一J式中尸:膜片弹簧的载荷,当离合器接合时,尸:=尸,尸:作 用于膜片弹簧小端分离轴承处的分离力,二E人 久,In卫一尸:=r6(1一拼2)(L一口)(e一r一)(H一.l A誉玲a ) (一夸借三 专)月几分离指根部的宽度系数刀2“1占:”兀(r+r一)E材
11、料弹性模量,E=. 2拼波桑比,拼=0.3h膜 片厚度,0 6x10”kP。(2.1x10毛kgf/m mZ)H碟簧部分内截锥高度,久:大端 变形 量,R碟簧部分外半径,19 8 6年第6期一29一r碟簧部分内半径,L膜片外支承半径;e膜片内支承半径,r,分离轴承作用半径,占:分离指切糟宽度;n分离指数目;r.分离指前部最宽处的半径。以上参数可参考图2、图3。从上述两个公式中可见,影响膜片弹簧弹性特性和应力的主要结构参数是h、H、R、;、L、e等。下面利用计算机计算的结果,分析各参数的影响。:H/h比值对 弹性特性曲线 的影响膜片弹簧弹性特性曲线的变化规律主要受 之月/ h比值大小的影响。如图
12、4所 示,当H/h-2了百时,膜 片弹簧若工作在超过D点以后,再要恢复变形,就需要加一个反向的力(即一尸),这在汽 车离合器操纵时很难实现,只有当召百成八( mm )图5不 同人值时的且创宁弹性特性曲线图4不同H/h值时的弹性特性曲线2.膜片厚度h对弹性特性和应力的 影 响图5所示的两组曲线(H二4.6mm和 H=4.Zm m),说明了膜片厚度h变化时对弹性特性曲 线的影响。从图5中可以看出,当其他参数不变时,R=11 6r二9 2L=11在“9 4H=4。6H=4。21,h“2.31 .h二2.12.h二2.52产h二2.33.人二2.73沂h=2.54。h“2.94尹几二2.7厚 度h增加
13、,则弹性 特汽曲线左移;最大压力尸。.二增大,而且增大较多;尸二.二一尸二。差值减小,即曲线 变平;最大当量应力a当。.二增大。以上变化可从表2中看出。一30一汽车技术表2,一一一.-一.一 第1组(H=4. 6 m m)!第2组(二一4.2mm)I一一下一一厂一二一 下一万一丁一一下- 1“4l“4曰 . ”., . . 目 . 曰 . . . 一一一一一-. 一一一-. 一 一 - , 闷 卜月心一一 一 - ,一一-一 一- 。(m m ):.3:.52.7】:.。!:.112.32.52.7Po.:(N)407047865 6686 70 82 824341340 704 903刀P(
14、N)71 6188210405896 57:833刀P/Pn T。,(%)17.618.4_ 8.3112 119.22 0.5a当,。:(kP.)135 5414 6301王56881673 11 13621123 82!1335 61魂326才a(kP。)10761 05811043!1 02110 041940才口/a当m一,)7972“7。、”17留二二二二 二竺二一二一二:二二二二 二二二二二二石二石二二 乙二石二二二二 二二二二二二二 二二二=二=二二二二二二 二二二二二二二二二二 二二二二二二二二二二二二二匕二二二匕二二二二之二二二二二二二 二二二二二二二二二二二二二二 二二二二
15、二二二二二二二二二二二 二=二二二 二巴二二二二二二二二二二二二 二二二二二二二二二二二二二二二 二二二二支二二二二二二 二二二表2指出,h值每增 加0.Zm m,尸。:将增加近2 1 %,a当m二增加8%左右。这 说明厚度的改变对 压力 的影响比对应力 的影响大。上述数据提醒我们,在确定膜 片厚 度公差时,必须选取较小 的值,否则会使膜片压力波动大,造成离合 器后备 系数 变化大,工作性能不稳定。根据我们 收集到的部分资料,将现有膜片厚度的公差列 于表3。表3B,76 ,SH77:T,、。!T,: 。B,: 22NJ131h(口m )2.6+2.9+0“12.3+0 “51.8士 0.052
16、.3+ 。”51从表3看出,TJll o型汽车离合器膜片厚度的公差最大为0.lmm,且是 双向公差,根据上述计算出的数据,不难推出,按这个公差制造出的膜片,其最大压力波动即离合器后备系数口的波动可达1 0%,应力波动达3。5%。这些数值显然是太大了,加上有 的离合器可能出现下偏差,使刀 值小于名义值,这也是我们不希望的。SH7 71型汽车的膜片厚度公差为0.03m m,且为上偏差,按这个公差制造出的膜片,其压力波 动为3%左右,应 力波 动 不超 过1.5%,且刀 值均大于名义值。因此,我们认为这个膜片公差是比较合适的。3.碟簧部分内截锥 高H对 弹 性特性和 应力的影 响图6所示的两组曲线( h=2.3m m和h
