一款燃气客车的离合器匹配设计

文/童永 赵理想



一款燃气客车的离合器匹配设计

文/童永 赵理想

离合器是把汽车或其他动力机械的引擎动力以开关的方式传递至车轴上的装置。离合器安装在发动机与变速器之间，是汽车传动系中直接与发动机相联系的总成件。

1. 技术背景

离合器种类繁多，目前客车匹配手动变速箱状态时，安装摩擦离合器较为广泛。摩擦离合器是应用得最广也是历史最久的一类离合器，它基本上是由主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。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动动力的基本结构，而离合器的操纵机构主要是使离合器分离的装置。在分离过程中，踩下离合器踏板，在自由行程内首先消除离合器的自由间隙，然后在工作行程内产生分离间隙，离合器分离。在接合过程中，逐渐松开离合器踏板，压盘在压紧弹簧的作用下向前移动，首先消除分离间隙，并在压盘、从动盘和飞轮工作表面上作用足够的压紧力；之后分离轴承在复位弹簧的作用下向后移动，产生自由间隙，离合器接合。

摩擦离合器按压紧弹簧的形式，分为螺旋弹簧离合器和膜片弹簧离合器。

1.1螺旋弹簧离合器（如图一所示）

优点：制造技术要求不高，质量稳定，性能可靠，生产企业较多，售价较低，维修方便。

缺点：高速性能差，高速运转时周置螺旋弹簧会在离心力的作用下易歪斜甚至严重弯曲鼓出而显著降低压紧力；使用寿命短，离合器的压紧力会随着摩擦片的磨损而下降；轴向尺寸较大，在轴向尺寸相同时，压盘的厚度较薄，压紧力受影响。

1.2膜片弹簧离合器（如图二所示）

优点：结构紧凑，尤其是轴向尺寸较小；散热通风性好，轴向尺寸相同时可以设计出更厚的压盘，且断面比较均匀易于布置散热筋等，降低离合器的温度；高速性能好，使用寿命长，在整个使用过程中，尽管摩擦片会产生磨损，离合器的压紧力几乎不会下降；操纵力更小，操作更加轻便。数据证明，相同压紧力的条件下，膜片弹簧离合器的操纵力比螺旋弹簧离合器降低25%-35%。

缺点：在摩擦片磨损后，虽然压紧力增加但同时分离力也同样增加，制造技术要求较高，市场售价也较贵。

图一 螺旋弹簧离合器

图二 膜片弹簧离合器

2. 离合器匹配设计基本原则

离合器的主要功用是切断和实现发动机对传动系统的动力传递。保证汽车发动机与传动系统平顺结合，确保汽车平稳起步；换挡时，减少变速器中换挡齿轮之间的冲击；工作中受到较大动载荷时，限制传动系统所受的最大转矩，以保护系统。

离合器具有良好的工作性能，应满足如下的条件：

表一 离合器应满足的使用性能条件

通常情况下离合器型号的确定主要考虑的因素有：汽车的用途、发动机的最大输出扭矩参数、离合器本身的质量参数及配件价格等。

3. 基本参数

3.1整车参数

现车型为HFF6115G50C（11米燃气公交客车），整车参数如表二所示：

表二 整车参数

3.2离合器参数

在考虑动力性和经济性的同时，初步选择型号为：Φ420单片、干式螺旋弹簧推力式离合器，其参数如表三所示：

表三 离合器参数

4. 离合器性能匹配计算

城市公交的离合器，使用频繁、工况恶劣的使用需求；燃气发动机相较于燃油发动机，传递出的扭矩较低，但是额定转速较高。综合上述，对该车型的离合器性能匹配计算需达到较高的要求。

4.1摩擦片外径圆周速度校核

摩擦片外径的选取应使最大圆周速度v0不超过65～70m/s，即

式中：v0为摩擦片的最大圆周速度（m/ s）；：nemax为发动机最高转速，此例中为2500r/min；D为摩擦片外径420mm。

代入数据计算，

计算结果未超出65～70m/s的范围，满足使用要求。

4.2储备系数的计算

根据汽车设计，储备系数反映了离合器传递发动机最大扭矩的可靠程度。

城市公交客车离合器储备系数β一般选择1.5～2.25之间，根据公式，代入数据计算出该车型储备系数，超过标准值。较高数值对于传递发动机扭矩，保证传动系接合平稳有很大的改善。

为可靠传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨时间过长，β不宜选的过小；为使离合器尺寸不致过大，保证操纵轻便，β不宜选的过大。当发动机后备功率较大、使用条件较好时，β可选的小些；使用条件恶劣，为提高起步能力，减少离合器滑磨，β宜选的大些。

4.3离合器的单位许用压力校核

单位压力决定了摩擦表面的耐磨性，对离合器工作性能和使用寿命有很大影响，选取时应考虑离合器的工作条件，发动机后备功率。不同材料从动盘的承压能力不同。为降低离合器滑磨时的热负荷，防止摩擦片损伤，选取单位压力P的最大范围为0.15～0.35Mpa。如果计算值大于或接近该数值，就应考虑适当加大离合器的规格。对于离合器使用频繁、工况恶劣的城市公交，其许用值应按上述数值的下限选取。

4.4离合器单位面积上车辆总质量校核

不同车辆的离合器单位面积上车辆总质量数值是不同的，对于应用于城市公交的螺旋弹簧离合器来说，m0应在6.0～10.0的范围内。

4.5离合器单位面积上滑磨功的计算校核

为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨，防止摩擦片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，对于公交车（参考湖北三环离合器厂家数据）不超过0.3，即

式中W为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功，可根据下式计算式中，

rr为轮胎滚动半径，ig为汽车起步时所用变速箱档位的传动比（一档起步为6.9），i0为后桥传动比，nc为离合器接合时发动机的转速，取1200r/min，正常一般为600-800 r/min，将数据代入上式得出W=29450J（一档起步）；从而得出=4×29450/（3.14×2×128000）=0.146 J/ mm²（一档起步）＜0.3J/mm²，计算结果符合规定的数值范围。

注意：带油门一档起步时发动机转速不能超过2145r/min，如若超过会导致离合器滑磨功过大、离合器温升高，从而降低离合器压紧力。

4.6离合器接合时的温升

式中，t为压盘温升，c为压盘比热容，取c=500kG*℃/J，λ为传到压盘的热量所占的比例，对于单片离合器压盘来说λ=2，m为压盘的质量，取m=23Kg。

代入数据得出t=1.28℃＜8℃，满足要求。

根据计算结果，离合器各项使用指标均满足使用标准。

5. 结论

由以上计算，车型HFF6115G50C匹配Φ420单片、干式螺旋弹簧推力式离合器的相关参数：摩擦片外径最大圆周速度、储备系数、单位面积许用压力、单位面积车辆总质量、单位面积滑磨功、温升均满足汽车设计中离合器设计的要求。其中储备系数计算结构较大，使得离合器具有高可靠性，提高了使用寿命，提升了公交车辆的整车可靠性。综合上述，理论匹配合理，后续需通过车辆运行进行验证。

（作者单位：安徽安凯汽车股份有限公司）