轿车膜片弹簧离合器的设计

韩 娟

（银川能源学院，宁夏 银川 750100）

引言

为了能很好的传递和切断动力，传统的螺旋离合器已经淡出了大家的视野，取代的是膜片弹簧离合器。膜片弹簧分为拉式和推式，发现拉式膜片弹簧离合器优于推式膜片弹簧离合器，因此本文介绍研究拉式膜片弹簧离合器。汽车离合器的发展是在上世纪80 年代从国外引进了膜片弹簧设计与制造技术，目前离合器技术趋于成熟，与国外离合器技术相比仍有差距[1]。

1 膜片弹簧离合器概述

离合器就是控制汽车的动力传输，它的作用就是切断或连接动力，让驾驶员没有顿挫感，平稳，它是一个独立的机构，决定了能否正常行驶。所以离合器的尺寸和参数也决定了离合器的性能。

膜片弹簧离合器通过不断的发展，技术很先进，经济性很合理，同时性能性能也良好，使用起来很稳定、寿命也很长。汽车离合器之所以选择膜片弹簧，就是因为它作为压缩弹簧，既起到压紧机构的作用，又起到了分离杠杆的作用，使得离合器的结构更加精简，质量也会减少，在设计尺寸方面起到了节约空间的作用。由于膜片零件具有对称性，所以平衡性能不错，在汽车高速行驶时，它可以将汽车压紧力降到很低，因此可以看出，膜片弹簧离合器的研究价值以及性能的优越性[2]。

离合器传送的最大扭矩肯定是要限制的，在汽车紧急情况制动的时候，会使传动系受到很大的惯性力量，在这个时候离合器会主动出现打滑现象，就可以避免传动系零件受力太大造成损坏，有效的保护了离合器[3]。

2 离合器的主要结构

离合器主要有主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构组成。

主动部分有离合器盖、压盘、传动片和飞轮组成。从动部分是由从动盘和从动轴组成。

事实上，由螺旋弹簧或者膜片弹簧组成的压紧机构，通过压盘使得让从动盘和飞轮压紧或者分离。

操纵机构，顾名思义，它其实就是为了驾驶员能够更好的操作而设立的一个结构，主要有离合器分离杆（膜片弹簧起分离杆作用）、分离套、分离叉、分离轴承、回位弹簧等部件组成。

图1 离合器结构图

3 离合器的工作原理

对于手动挡的车型而言，离合器就是汽车非常重要的一个机构，它是负责发动机和变速器之间的动力传递，在汽车行驶在不规则路面上时，驾驶员需要不断的切换档位，更好的运用离合器，换句话说离合器的使用的好坏就可以影响到驾驶感受，想要更好的掌握离合器，首先就要了解它的工作原理。

所谓离合器，就是为了控制发动机和轮毂的动力传递。它负责在发动机和变速器之间传递力矩，使汽车的动力得到保障。

离合器工作状态基本分为三种，第一种踩下离合器踏板通过拉式膜片弹簧离合器的特点拉动离合器使发动机和变速器分离，达到中断动力的作用，其次第二种不踩下离合器踏板时发动机与离合器相结合，变速箱和发动机之间传递力矩，汽车正常行驶，最后传递适量的力使汽车速度稳定，不会使得汽车传动系统过载。

4 离合器结构方案选取

4.1 离合器基本参数的选定

本文基本参数如下：

整车质量：1595kg 最高车速：170 km/h

主减速器速比：4.418 1 档传动比：3.3

最大功率：135/6000kw 最大扭矩：235/4100N.m

4.2 离合器结构形式的选取

膜片弹簧离合器结构就是分为拉式和推式两种。拉式结构和推式结构相对比的话，分离轴承受到了拉力不断向外运动，膜片弹簧安装的方向也正好相反。拉式和推式对比少了支撑轴，使得结构精简，推式膜片弹簧离合器它的结构繁琐复杂，需要支撑轴；不管离合器的状态如何膜片弹簧和支撑环始终连接，就算支撑环出现磨损的情况，离合器也可以补偿，这是拉式结构非常明显的优点。由于中间支撑部分的取消，使拉结构更加轻巧，流线型，零件少，质量也降低了很多，寿命也可以更长。由此可知拉式膜片弹簧优势很明显，在现代的轿车上得到广泛应用。

4.3 摩擦片的选择

现代汽车有单片、双片、多片离合器3 种，单片离合器结构简单，体积偏小，散热性好，能够可靠保证发动机动力中断和平稳传递，因此在汽车和中小型货车上得到了普遍的应用，所以选择单片离合器[4]。

4.4 压紧弹簧布置形式的选择

离合器的压紧机构中根据弹簧的选取不同可分为周围分布螺旋弹簧式、集中螺旋弹簧式、斜置弹簧式、膜片弹簧式等。膜片弹簧具有以下几个优点：

（1）在离合器分开时，弹簧压力降低，踏板力也随着降低；

（2）转速高时，压缩力降低，性能稳定；

（3）具有良好的通风散热功能，增长使用寿命；

（4）平衡性好；

（5）制造成本低，利于批量生产。

4.5 压盘的驱动方式

在膜片弹簧离合器中，发动机动力从离合器盖传递到压盘的方法有凸台一窗孔式、径向传动驱动式、径向传动板的驱动方式。在径向传动板中，弹簧板通过弹簧钢传动板与离合器盖连接，驱动板的排列方向沿压盘方向布置，机构简单，驱动平稳。综合上面所述，选取径向传动驱动方式。

5 离合器膜片弹簧设计

5.1 膜片弹簧的结构特点

膜片弹簧的结构如下图所示，它是由优质弹簧钢板制成。

图2 膜片弹簧结构图

由图可以看出，膜片弹簧是通过两部分构成的，第一部分位于膜片弹簧的大端处，它就是一个截锥体，如图（b）所示，它的形状像一个无底的盘子，它是膜片弹簧起到关键作用的部分，称为膜片弹簧的碟簧部分。碟形弹簧的工作原理是：沿着碟簧的轴向方向，碟簧收到轴向载荷后慢慢趋平，卸除后便恢复。这就是碟形弹簧的弹性作用。

膜片弹簧的另外一部分是其径向开槽的部分，它起到了分离杠杆的作用，离合器的分离便是通过这些开槽部分作为杠杆，让它的碟簧部分与压盘逐渐分开，称为分离指。综上所述，膜片弹簧是一种由碟簧和分离指组合成一体的碟形弹簧。

5.2 膜片弹簧的加载方式与变形

膜片弹簧离合器分为拉式和推式两种，但膜片弹簧的构造是一样的，只是安装方式不同，相对而言，若推式为正装，则拉式为反装。两种膜片弹簧的变形分为三个状态；自由状态、接合状态、分离状态。

分离状态中当膜片弹簧上分离轴承力的小端点时，膜片弹簧逐渐完全分离。对于拉式来说，支点的位置没有变化，但对于推式来说，支点变为由外部的支撑环支撑，变形也将增大。

5.3 膜片弹簧的变形特性

膜片弹簧真正作用的部位是它的碟簧部，碟簧部分的变化特质和螺旋弹簧不一样，它也具备了非线性的特质，它的特质和碟簧的原始内高H 以及膜片的厚度h 之比H/h 有关联[5]。

图3 不同H/h 值时无因次特性曲线

在现代社会，一般轿车H/h=1.5-2.0，而本次设计中H/h= 1.6。

5.4 膜片弹簧基本参数的选择

膜片弹簧外形几何尺寸参数，如下图所示。

（1）H=4.8，h=3，H/h=1.6。

（2）R 及R/r 的确定：一般R/r=1.2-1.3。

本次设计中，R=115mm，r=91mm，R/r=1.25。

图4 膜片弹簧尺寸符号示意图

（3）膜片弹簧起始圆锥底角α：汽车膜片弹簧起始圆锥底角一般在10°~14°之间，。

（4）膜片弹簧小端半径rf以及分离轴承作用到半径rp：rf主要由结构来决定的，它的尺寸要和分离轴承上分离套筒与膜片弹簧相配合处的外径相匹配来方便安装。分离轴承作用半径rp大于rf。本次设计中，rf=20mm，rp=22mm。

（5）分离指数目n、切槽宽δ1、窗孔槽宽δ2及半径rc：汽车离合器膜片弹簧的分离指数目n>12，基本在18 左右，使用偶数，方便生产时模具的分度。

切槽宽δ1=3.2~3.5mm；窗孔槽宽δ2=（2.5~4.5）δ1；

窗孔内半径rc一般情况下由式（r-rc）=（0.8~1.4）δ2决定。本次设计中，n=18，δ1=3.2mm，δ2=13mm，rc=79mm。

支撑环的作用半径L 和膜片弹簧与压盘接触半径l：这对于拉式结构来说，L 更接近R 却略小于R，l 接近r 却略大于r。本次设计中，L=113mm，l=93mm。

6 结论

设计主要完成了对膜片弹簧离合器的认识、对离合器结构方案的选取，最后完成对离合器的膜片弹簧的设计，通过对工作原理细致概述、结构方案的选取，基本确定了离合器的主要结构与主要尺寸，为离合器构造学习及改进提供指导。