某469汽油機(jī)匹配膜片彈簧離合器校核計(jì)算方法研究

袁定軍，冉 耀，楊 樂，戈 翔

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

離合器是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞的重要部件，設(shè)計(jì)匹配選型的合理性將直接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和噪聲、振動(dòng)有很大影響，更重要的是影響到對(duì)整車的操控性能以及駕駛安全性。當(dāng)前，制造離合器廠家越來越多，型號(hào)也更加繁雜，為了減少在離合器匹配過程中節(jié)約開發(fā)周期，本文針對(duì)現(xiàn)有膜片彈簧離合器的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并進(jìn)行具體的分析計(jì)算，有效的為設(shè)計(jì)人員提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作參考。本文針對(duì)LJ469發(fā)動(dòng)機(jī)匹配某MPV車型的離合器匹配進(jìn)行計(jì)算校核。

1 推式膜片離合器的構(gòu)造及工作過程

1.1 主要結(jié)構(gòu)

膜片彈簧離合器主要由離合器蓋、離合器從動(dòng)盤和操縱機(jī)構(gòu)組成[1]。如圖1所示。

圖1 膜片彈簧離合器

1.2 離合器的工作過程

圖2 主要展示了膜片彈簧離合器從自由狀態(tài)至分離狀態(tài)的工作過程[2]。在自然狀態(tài)，離合器蓋和飛輪上未裝配時(shí)，膜片彈簧處于（a）圖狀態(tài)，當(dāng)使用規(guī)定力矩固定離合器蓋總成至飛輪上時(shí)，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，如圖（b），此時(shí)離合器從動(dòng)盤總成被壓緊，能有效向變速器傳遞扭矩。當(dāng)離合器分離時(shí)，如圖（c）。當(dāng)踩下離合器踏板，使分離軸承推動(dòng)膜片彈簧的分離指端，通過膜片彈簧受力產(chǎn)生反錐形，通過傳動(dòng)片拉動(dòng)壓盤與從動(dòng)盤被松開，從而從動(dòng)盤和壓盤分離。

圖2 離合器的工作過程

1.3 膜片離合器的特點(diǎn)

（1）膜片彈簧具有較好的非線性特性（見圖3），磨損前后壓緊力變化不大，且能減小離合器分離時(shí)的踏板力；

（2）膜片彈簧本身具有彈性特性及分離杠桿的作用，離合器整體重量減輕，制造工藝簡(jiǎn)單，有效降低成本；

（3）該結(jié)構(gòu)相對(duì)其摩擦式離合器的結(jié)構(gòu)有了明顯的優(yōu)化，并能有效地減小了匹配過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向尺寸。

（4）高速回轉(zhuǎn)時(shí)，壓緊力不降低，不平衡度小。

圖3 膜片彈簧非線性特性曲線

離合器從動(dòng)盤中會(huì)采用減震彈簧，能避免發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車傳動(dòng)系部件在相同共振頻率中產(chǎn)生共振；降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，提高零件壽命，目前常用的是二級(jí)及三級(jí)減震。某469發(fā)動(dòng)機(jī)離合器從動(dòng)盤壓盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 某469發(fā)動(dòng)機(jī)離合器從動(dòng)盤壓盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 某469機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)離合器的匹配計(jì)算

2.1 離合器后備系數(shù)的計(jì)算

離合器后備系數(shù)β作為離合器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它的合理性反映了整車離合器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性；對(duì)離合器可靠傳遞扭矩起到重要作用，故以下因素需要考慮：在離合器日常使用過程中，由于工作溫度的升高、從動(dòng)盤的磨損及壓緊力的降低等多種原因，難免造成離合器傳遞扭矩的能力的下降，為保證離合器能正常運(yùn)行其功能，降低單位面積滑磨功，后備系數(shù)不宜選擇過小。為了使離合器的操縱輕便，防止過載，考慮整車布置的結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，離合器結(jié)構(gòu)和尺寸不宜太大，故后備系數(shù)不宜選擇過大。對(duì)于貨車，較大的后備系數(shù)承載能力強(qiáng)，對(duì)于客車，盡可能選擇較小的后備系數(shù)。

某469機(jī)型離合器壓盤壓緊力為3 500 N，離合器從動(dòng)盤外徑為￠190，離合器從動(dòng)盤內(nèi)徑￠127.5，它所能傳遞的扭矩為Tc：

摩擦面平均有效半徑Re：

當(dāng)壓緊力取值最小時(shí)，離合器所能傳遞的最大扭矩，具體數(shù)據(jù)代入公式（1）可知：

參照文獻(xiàn)中后備系數(shù)計(jì)算公式：

故離合器的后備系數(shù)：

Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩。

以上計(jì)算數(shù)據(jù)滿足《汽車離合器》中微型、輕型貨車及轎車的后備系數(shù)范圍1.20~1.75之間的要求。

2.2 離合器滑磨功的評(píng)估

汽車在起步（尤其是半坡起步）及換擋過程中，離合器摩擦盤與壓盤之間產(chǎn)生相對(duì)滑磨，滑磨過程會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，影響離合器的壽命，為了確保設(shè)計(jì)合理性，對(duì)離合器滑磨功進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)。

參照文獻(xiàn)中后備系數(shù)計(jì)算公式[3]：

式（3）中：

n一般取1500 r/min（汽車的起步轉(zhuǎn)速）；

G為整車總重量（kg）；

R為輪胎滾動(dòng)半徑（mm）；

ig為汽車一檔的速比；

i0為汽車主減速比。

將以上數(shù)據(jù)代入式（3）中計(jì)算得出：

W1=5167（J）（ 一檔起步）

參照文獻(xiàn)，則單位面積產(chǎn)生的滑磨功為：

將數(shù)據(jù)代入式（4）中，

計(jì)算可知：ω1=16.57 J/cm2

根據(jù)參考文獻(xiàn)中：?jiǎn)挝幻娣e所產(chǎn)生的滑磨功規(guī)定

[ω]≤28（J/cm2），由此可知 ω1滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過對(duì)車輛進(jìn)行必要的假設(shè)和簡(jiǎn)化，離合器結(jié)合過程中的滑磨功，對(duì)于微型汽車要求單位面積的溫升速率小于5.

其中：α ＝ π2×ne2×Me×r×G×K

式中，

ne為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min；

G為車輛總質(zhì)量（kg）；

sin x為設(shè)定坡度（經(jīng)驗(yàn)值取0.125）；

K為系數(shù)（對(duì)比計(jì)算時(shí)，令K=1）。

帶入以上數(shù)值計(jì)算得：Wd=141 995 J

單位面積所產(chǎn)生的滑磨功為：

ω1=Wd/（Z×A）=4.55 J/mm2＜5（設(shè)計(jì)目標(biāo)值）

根據(jù)以上結(jié)果顯示，說明該離合器的滑磨功滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 離合器壓盤溫升的評(píng)估

汽車在起步瞬間，離合器的壓盤和從動(dòng)盤在結(jié)合過程會(huì)相對(duì)滑磨并產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量被壓盤吸收，故為了應(yīng)延長(zhǎng)離合器的使用壽命，我們需要對(duì)離合器結(jié)合瞬間壓盤產(chǎn)生的溫升Δt進(jìn)行校核，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的：?jiǎn)未谓雍线^程中，離合器壓盤的許用溫升[Δt]必須小于等于10℃，目前產(chǎn)品中設(shè)計(jì)壓盤的許用溫升小于8℃.

根據(jù)參考文獻(xiàn)中的規(guī)定，離合器壓盤的起步溫升為：

上式中：γ表示離合器壓盤的熱量比例，單片離合器γ一般取值 0.5；W1表示離合器結(jié)合產(chǎn)生的滑磨功；m表示離合器壓盤的質(zhì)量，本文中校核所用壓盤質(zhì)量為2.433 kg；c表示該壓盤材料對(duì)應(yīng)比熱，本文壓盤材料為HT250，取值為481（J/（kg·℃））[4]。

將計(jì)算數(shù)據(jù)代入上式中，可知：

Δt=2.2（一檔起步），小于目標(biāo)值8℃ .

故，該離合器壓盤在一檔起步時(shí)所產(chǎn)生溫升滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)汽車一檔起步，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)下，此時(shí)離合器產(chǎn)生滑磨，從而導(dǎo)致離合器的溫度必將上升，為了避免離合器溫升速率過高，離合器過早燒毀，對(duì)于微型汽車要求單位面積的溫升速率小于2.91.

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)總結(jié)溫升速率計(jì)算公式為：

單位面積溫升速率為：

根據(jù)以上數(shù)值校核，溫升速率為 2.53，滿足設(shè)計(jì)需求。

2.4 離合器單位壓力P及摩擦片最大圓周速度Vd

（1）離合器單位壓力P的計(jì)算

在離合器使用環(huán)境比較惡劣的情況，單位壓力P取值較小為好，因此它的大小也能反映了離合器的有效使用壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于微車和小轎車為：0.183＜P＜0.306.根據(jù)以下計(jì)算公式可知：Δt=F/A

代入數(shù)據(jù)可知：P=0.22 MPa

滿足文獻(xiàn)中面壓的設(shè)計(jì)要求。

（2）最大圓周速度Vd的計(jì)算

參照參考文獻(xiàn)以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，離合器摩擦片的最大圓周速度[V]應(yīng)小于65~70m/s.

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算可知：Vd=59 m/s<65~70 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求（其中nmax表示發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過以上兩種方法校核計(jì)算離合器的后備系數(shù)、滑功磨、溫升等數(shù)據(jù)可知，新匹配的離合器總成滿足設(shè)計(jì)要求；綜合選用兩種方法進(jìn)行離合器的設(shè)計(jì)，使得我們?cè)谌粘ｋx合器匹配達(dá)到最佳狀態(tài)，提高汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的效率以及整車的性能；同時(shí)也為離合器的維修及故障診斷提供了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1]李 青.離合器容量的匹配計(jì)算[J].機(jī)電技術(shù)，2012，（5）：104-108.

[2]徐安石，江發(fā)潮.汽車離合器[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[3]林世裕.膜片彈簧與碟形彈簧離合器的設(shè)計(jì)與制造[M].東南大學(xué)出版社，1995.

[4]康展權(quán).汽車工程手冊(cè)（設(shè)計(jì)篇）[M].北京：人民交通出版社，2005.