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1.2离合器的功用及原理
1.离合器的功用
(1)保证汽车平稳起步
这是离合器的首要功能。
在汽车起步前,自然要先起动发动机。
而汽车起步时,汽车是从完全静止的状态逐步加速的。
如果传动系(它联系着整个汽车)与发动机刚性地联系,则变速器一挂上档,汽车将突然向前冲一下,但并不能起步。
这是因为汽车从静止到前冲时,具有很大的惯性,对发动机造成很大的阻力矩。
在这惯性阻力矩的作用下,发动机在瞬时间转速急剧下降到最低稳定转速(一般300-500RPM)以下,发动机即熄火而不能工作,当然汽车也不能起步。
因此,我们就需要离合器的帮助了。
在发动机起动后,汽车起步之前,驾驶员先踩下离合器踏板,将离合器分离,使发动机和传动系脱开,再将变速器挂上档,然后逐渐松开离合器踏板,使离合器逐渐接合。
在接合过程中,发动机所受阻力矩逐渐增大,故应同时逐渐踩下加速踏板,即逐步增加对发动机的燃料供给量,使发动机的转速始终保持在最低稳定转速上,而不致熄火。
同时,由于离合器的接合紧密程度逐渐增大,发动机经传动系传给驱动车轮的转矩便逐渐增加,到牵引力足以克服起步阻力时,汽车即从静止开始运动并逐步加速。
(2)便于换档
汽车行驶过程中,经常换用不同的变速箱档位,以适应不断变化的行驶条件。
如果没有离合器将发动机与变速箱暂时分离,那么变速箱中啮合的传力齿轮会因载荷没有卸除,其啮合齿面间的压力很大而难于分开。
另一对待啮合齿轮会因二者圆周速度不等而难于啮合。
即使强行进入啮合也会产生很大的齿端冲击,容易损坏机件。
利用离合器使发动机和变速箱暂时分离后进行换档,则原来啮合的一对齿轮因载荷卸除,啮合面间的压力大大减小,就容易分开。
而待啮合的另一对齿轮,由于主动齿轮与发动机分开后转动惯量很小,采用合适的换档动作就能使待啮合的齿轮圆周速度相等或接近相等,从而避免或减轻齿轮间的冲击。
(3)防止传动系过载
汽车紧急制动时,车轮突然急剧降速,而与发动机相连的传动系由于旋转的惯性,仍保持原有转速,这往往会在传动系统中产生远大于发动机转矩的惯性矩,使传动系的零件容易损坏。
由于离合器是靠磨擦力来传递转矩的,所以当传动系内载荷超过磨擦力所能传递的转矩时,离合器的主、从动部分就会自动打滑,因而起到了防止传动系过载的作用。
2.离合器的原理
离合器处于接合状态时,踏板处于最高位置,分离杠杆与分离轴承之间存在间隔,压盘在压紧弹簧的作用下压紧从动盘,发动机的转矩经飞轮及压盘传给从动盘,再由从动盘传给变速器第一轴。
离合器所传递的最大转矩取决于从动盘摩擦表面的最大静摩擦力。
它与摩擦表面间的压紧力大小、摩擦面积的大小以及摩擦材料的性质有关。
对一定结构的离合器而言,其最大静摩擦力是一个定值,若传动系传递的转矩超过这一定值,离合器就会打滑,从而起到了过载保护的作用。
离合器分离时,需踩下离合器踏板,通过拉杆、分离拨叉、分离套筒消除间隙面后,使分离杠杆外端拉动压盘克服压紧弹簧的压力向后移动,压盘与从动盘之间产生间隙,摩擦力矩消失,离合器主、从动部分分离,中断动力传递。
图1-1膜片弹簧离合器的工作原理
1-飞轮;
2-离合器盖;
3-压盘;
4-膜片弹簧;
5-后支承环;
6-分离钩;
7-前支承环;
8-分离轴承
当需要动力传递时,缓慢抬起离合器踏板,在压紧弹簧的作用下,压盘向前移动并逐渐压紧从动盘,摩擦力矩也渐渐增大。
压盘与从动盘刚接触时,其摩擦力矩比较小,离合器主、从动部分可以不同步旋转,即离合器处于打滑状态。
随着压紧力的逐步加大,离合器主、从动部分的转速也渐趋相等,直至完全接合而停止打滑。
1.3离合器的发展趋势
多年的实践经验使人们逐渐趋向于采用单片干式摩擦离合器。
它具有从动部分转动惯量小,散热性好,结构简单,调整方便,尺寸紧凑,分离彻底等优点。
而且只要在结构上采取一定措施,也能使其接合平顺。
因此,它得到了极为广泛的应用。
如今,单片干式摩擦离合器在结构设计方面也相当完善:
采用具有轴向弹性的从动盘,提高了离合器的接合平顺性;
离合器中装有扭转减振器,防止了传动系统的共振,减少了噪音;
以及采用了摩擦较小的分离杆机构等。
另外,采用了膜片弹簧作为压簧,可同时兼起到分离杠杆的作用,使离合器结构大为简化,并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。
膜片弹簧和压盘的环行接触,可保证压盘上的压力均匀。
由于膜片弹簧本身的特性,当摩擦片磨损时,弹簧的压力几乎没有改变,且可减轻分离离合器时所需要的踏板力。
为了提高离合器的传扭能力,在重型汽车上多采用多片干式离合器。
次外,近年来由于多片湿式离合器在技术上的不段改善,在国外的某些重型牵引汽车和自卸车上又开始采用多片湿式离合器,并有不断增加的倾向。
与干式离合器相比,由于用油泵进行强制制冷的结果,摩擦表面的温度较低(不超过93℃)。
因此,允许起步时长时间地打滑或用高档起步而不致烧损摩擦片,具有良好的起步能力。
据说这种离合器的使用寿命可达干式离合器的五、六倍。
为了实现离合器的自动操纵,有自动离合器。
采用自动离合器时可以省去离合器踏板,实现汽车的“双踏板”操纵。
与其他自动传动系统(如液力传动)相比,它具有结构简单,成本低廉及传动效率高的优点。
因此,在欧洲小排量汽车上曾得到广泛的应用。
但是在现有自动离合器的各种结构中,离合器的摩擦力矩的力矩调节特性还不够理想,使用性能不尽完善。
例如,汽车以高档低速上坡时,离合器往往容易打滑。
因此必须提前换如低档以防止摩擦片的早期磨损以至烧坏。
这些都需要进一步改善。
随着汽车运输的发展,离合器还要在原有的基础上不断改进和提高,以适应新的使用条件。
从国外的发展动向来看,近年来汽车的性能在向高速发展,发动机的功率和转速不断提高,载重汽车趋向大型化,国内也有类似的情况。
此外,对离合器的使用要求也越来越高。
所以,增加离合器的传扭能力,提高其使用寿命,简化操作,已经成为目前离合器的发展趋势。
第二章桑塔纳2000型离合器的结构和特点
2.1桑塔纳2000型离合器的结构
桑塔纳2000型轿车离合器结构如图2-1所示,采用膜片弹簧离合器。
这种膜片弹簧离合器零件少;
易于平衡;
压紧力不会随摩擦片的磨损变薄而减小,可有效地提高离合器传递扭矩的能力;
在相同踏板行程的情况下,所需的踏板力较小。
它是由从动盘、压盘、膜片弹簧、离合器盖、分离轴、机械拉索等组成。
图2-1桑塔纳2000型轿车离合器结构
1.离合器盖
离合器盖一般为120°
或90°
旋转对称的板壳冲压结构,通过螺栓与飞轮联结在一起。
离合器盖是离合器中结构形状比较复杂的承载构件,压紧弹簧的压紧力最终都要由它来承受。
2.膜片弹簧
膜片弹簧是离合器中重要的压紧元件,在其内孔圆周表面上开有许多均布的长径向槽,在槽的根部制成较大的长圆形或矩形窗孔,可以穿过支承铆钉,这部分称之为分离指;
从窗孔底部至弹簧外圆周的部分形状像一个无底宽边碟子,其截面为截圆锥形,称之为碟簧部分。
3.压盘
压盘的结构一般是环形盘状铸件,离合器通过压盘与发动机紧密相连。
压盘靠近外圆周处有断续的环状支承凸台,最外缘均布有三个或四个传力凸耳。
4.传动片
离合器接合时,飞轮驱动离合器盖带动压盘一起转动,并通过压盘与从动盘摩擦片之间的摩擦力使从动盘转动;
在离合器分离时,压盘相对于离合器盖作自由轴向移动,使从动盘松开。
这些动作均由传动片完成。
传动片的两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓联接,一般采用周向布置。
在离合器接合时,离合器盖通过它来驱动压盘共同旋转;
在离合器分离时,可利用它的弹性恢复力来牵动压盘轴向分离并使操纵力减小。
5.分离轴承总成
分离轴承总成由分离轴承、分离套筒等组成。
分离轴承在工作时主要承受轴向分离力,同时还承受在高速旋转时离心力作用下的径向力。
目前国产的汽车中多使用角接触推力球轴承,采用全密封结构和高温铿基润滑脂,其端面形状与分离指舌尖部形状相配合,舌尖部为平面时采用球形端面,舌尖部为弧形面时采用平端面或凹弧形端面。
膜片弹簧离合器是用膜片弹簧代替了一般螺旋弹簧及分离杆机构而做成的离合器,因为它布置在中央,所以也可算中央弹簧离合器。
这种离合器有很多优点。
(1)膜片弹簧离合器本身兼压紧弹簧和分离杠杆的作用,使离合器结构大大简化并显著地缩短了离合器的轴间尺寸;
再者,膜片弹簧具有良好的非线性特性,设计合适可使摩擦片磨损到极限,压紧力仍能维持很少改变,且减轻分离离合器时的踏板力,使操纵轻便。
(2)由于膜片弹簧与压盘的整个圆周接触,使压力分布均匀,摩擦片接触良好,磨损均匀;
(3)膜片弹簧是一种旋转对称零件,平衡性好,在高速下,其压紧力降低很小,而周置的螺旋弹簧在高速下因受离心力作用会产生横向挠曲,弹簧严重鼓出,从而降低对压盘的压紧力;
(4)易于实现良好的通风散热。
膜片弹簧离合器的缺点如下图:
图2-2膜片弹簧离合器缺点
膜片弹簧离合器的缺点是在一般的压式膜片弹簧离合器中,在支承环磨损时,在膜片弹簧与支承环之间形成的间隙导致离合器踏板自由行程增大,但在拉式膜片弹簧离合器中能消除上述缺点。
2.2桑塔纳2000型离合器的组成
离合器由主动部分,从动部分、压紧装置、分离机构和操纵机构五大部分组成。
主动部分包括图2-3,由飞轮、离合器盖、压盘等机件组成。
图2-3离合器盖及压盘总成构造图
1,3-平头铆钉;
2-传动片;
4-支承环;
5-膜片弹簧;
6-支承铆钉;
7-离合器压盘;
8-离合器盖
这部分与发动机曲轴连在一起。
离合器盖与飞轮靠螺栓连接,压盘与离合器盖之间是靠3到4个传动片传递转矩的。
从动部分是由单片、双片或多片从动盘所组成,它将主动部分通过摩擦传来的动力传给变速器的输入轴。
为了避免转动方向的共振,缓和传动系受到的冲击载荷,大多数汽车都在离合器的从动盘上附装有扭转减震器。
压紧装置与分离机构:
压紧装置由压盘、离合器盖、膜片弹簧、支承环、支承环定位铆钉、分离钩和传动钢片组成,如图2-4所示。
图2-4桑塔纳2000型轿车离合器膜片弹簧
1-分离钩;
2-分离轴承;
3-支撑环;
4-压盘;
5、8-膜片弹簧;
6-从动盘;
7-支撑定位铆钉
通常情况下,上述各零件组成一个整体。
传动钢片共三组,每组两片,各组均布与压盘周边,其两端分别与离合器盖和压盘连接。
支承环在膜片弹簧的中部,左右各一根,作为膜片弹簧变形的支点。
在压盘的周边对称地固定有多个分离钩,把膜片弹簧的外边缘和压盘钩在一起,膜片弹簧的外缘就压在压盘的环形台上。
膜片弹簧如图所示,形状为碟形,凹面进行喷丸处理,其上开有若干个径向切槽,切槽内端开通,外端为圆孔,形成多个弹性杠杆,它既是压紧杠杆,又是分离杠杆。
操纵机构:
桑塔纳2000型离合器是用机械拉索式传动操纵机构。
主要由分离轴承、分离轴、分离轴传动杆、拉索踏板等零部件组成,如图2-5所示。
踩下离合器踏板时,踏板上端拉动离合器拉索,使分离轴承传动杆顺时针转动,同时带动分离轴顺时针转动,使分离拨叉推动分离轴承,压迫膜片弹簧,离合器分离。
图2-5绳索式传动操纵机构
1-离合器分离踏板;
2-偏心弹簧;
3-支承A;
4-离合器拉线自动调整机构;
5-传动器壳体上的支承B;
6-离合器操纵臂;
7-离合器分离臂;
8-离合器分离轴承;
9-离合器分离推杆
绳索传动装置结构较简单,制造成本低,故障少,但是机械效率低,而且拉伸变形会导致踏板行程损失过大。
2.3桑塔纳2000型离合器的工作特性
图2-6膜片弹簧离合器工作原理图
由上图可知,在摩擦片磨损达容许的极限位置Δλ’时,弹簧压缩变形量减小到,此时螺旋弹簧压紧力下降较大,将使离合器压紧力不足而产生滑磨;
膜片弹簧压紧力相差不多,离合器仍能继续工作。
当离合器分离量Δλ’‘,膜片弹簧离合器所需作用力比螺旋弹簧离合器的作用力小的多,膜片弹簧离合器操作轻便。
离合器在接合状态,离合器的主、从动件作为整体一起旋转,直接传递发动机转矩。
此状态下,离合器的主、从动件没有相对运动,摩擦副表面就没有磨损,也不发热,也没有能量损耗。
但是,在汽车起步过程中需要利用离合器主、从动件间的相对滑动,也就是说,离合器在接合过程中让其从动件的转速增长有一过程,使汽车平稳起步。
因此,离合器接合过程的滑磨是其重要特性。
离合器滑磨结果,一方面使摩擦片磨损,另一方面会引起压盘、飞轮等零件的温度升高,而摩擦表面温度的过分升高,将加剧摩擦片的磨损,并将严重影响离合器的正常工作和使用寿命。
为此,必须充分了解离合器在接合过程中滑磨的特性及评价和分析计算方法、压盘等零件的热负荷状况,以正确设计和使用离合器。
2.4桑塔纳2000型离合器的参数特性
摩擦片外径是离合器基本尺寸,它关系到离合器的结构重量和寿命,它和离合器所需传递转矩大小有一定关系。
D=
式中,
为发动机最大转矩,取
;
A为不同结构和使用条件对D的影响系数,对于小轿车取A=47。
表2-1离合器摩擦片尺寸系列和参数
外径D/mm
160
180
200
225
250
280
300
325
350
380
405
430
内径d/mm
110
125
140
150
155
165
175
190
195
205
220
230
厚度b/mm
3.2
3.5
4
c=d/D
0.687
0.694
0.700
0.667
0.620
0.589
0.583
0.585
0.557
0.540
0.543
0.535
1-c3
0.676
0.657
0.703
0.762
0.796
0.802
0.800
0.827
0.843
0.840
0.847
单位面积
106
132
221
302
402
466
546
678
729
908
1037
摩擦片标准系列尺寸,取D=200mm,d=140mm,b=3.5mm,c=0.700。
2.4.1后备系数β
后备系数保证了离合器能可靠地传递发动机扭矩,同时它有助于减少汽车起步时的滑磨,提高了离合器的使用寿命。
但为了离合器的尺寸不致过大,减少传递系的过载,使操纵轻便等,后备系数又不宜过大。
由于所设计的离合器为膜片弹簧离合器,在使用过程中其摩擦片的磨损工作压力几乎不会变小(开始时还有些增加),再加上小轿车的后备功率比较大,使用条件较好,宜取较小值,故初取β=1.3。
离合器传递的最大静摩擦力矩TC
Tc=
140.4N.m
2.4.2单位压力P0
摩擦面上的单位压力P的值和离合器本身的工作条件,摩擦片的直径大小,后备系数,摩擦片材料及质量等有关。
离合器使用频繁,工作条件比较恶劣单位压力P较小为好。
当摩擦片的外径较大时也要适当降低摩擦片摩擦面上的单位压力P。
因为在其它条件不变的情况下,由于摩擦片外径的增加,摩擦片外缘的线速度大,滑磨时发热厉害,再加上因整个零件较大,零件的温度梯度也大,零件受热不均匀,为了避免这些不利因素,单位压力P应随摩擦片外径的增加而降低。
选取时应考虑离合器的工作条件、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。
为摩擦因数取0.3;
为单位压力
为摩擦面数取2;
为摩擦片外径取200mm;
为摩擦片内径取140mm;
摩擦片材料选择石棉基材料,
为单位压力0.25
,
为摩擦因数取0.3。
摩擦片的工作条件比较恶劣,为了保证它能长期稳定的工作,根据汽车的的使用条件,摩擦片的性能应满足以下几个方面的要求:
(1)应具有较稳定的摩擦系数,温度
(2)要有足够的耐磨性,尤其在高温时应耐磨
(3)要有足够的机械强度,尤其在高温时的机械强度应较好
(4)热稳定性要好,要求在高温时分离出的粘合剂较少,无味,不易烧焦
(5)磨合性能要好,不致刮伤飞轮及压盘等零件的表面
(6)油水对摩擦性能的影响应最小
(7)结合时应平顺而无“咬住”和“抖动”现象
由以上的要求,目前车用离合器上广泛采用石棉塑料摩擦片,是由耐热和化学稳定性能比较好的石棉和粘合剂及其它辅助材料混合热压而成,其摩擦系数大约在0.3左右,在该设计中选取的是石棉合成物制成的摩擦片。
2.4.3膜片弹簧的弹性特性曲线
假设膜片弹簧在承载过程中,其子午线刚性地绕上地某中性点转动。
设通过支承环和压盘加载膜片弹簧上地载荷P1(N)集中在支承点处,加载点间的相对轴向变形为x1(mm),则膜片弹簧的弹性特性如下式表示:
式中,E――弹性模量,钢材料取E=2.06×
Mpa;
b――泊松比,钢材料取b=0.3;
R――自由状态下碟簧部分大端半径,mm;
r――自由状态下碟簧部分小端半径,mm;
R1――压盘加载点半径,mm;
r1――支承环加载点半径,mm;
H――自由状态下碟簧部分内截锥高度,mm;
h――膜片弹簧钢板厚度,mm。
弹性特性曲线图形如下图:
下图可以看出膜片弹簧的弹性特性随着工作压力的增加,变形量也随着增加,但是当工作压力达到2000到2500之间时,可以看出工作压力和变形量处于一个相对平和的状态。
图2-8弹性特性曲线
2.4.4单位摩擦面积滑磨功
为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨,防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤,离合器每一次结合的单位摩擦面积滑磨功w应小于其许用值[w]。
汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)为:
W=
(
)=
)=11898(J)
式中,W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功(J)
m
为汽车总质量取1386kg;
rr为轮胎滚动半径0.3m;
i
为汽车起步时所用变速器档位的传动比4.388;
为主减速器传动比3.454;
n
为发动机转速(r/min),乘用车n
取2000r/min;
w=
=
=0.37
式中,W为汽车起步时离合器结合一次所产生的总滑磨功取11898J
满足w<
[w]=0.40J/mm
要求。
表2-2摩擦片相关参数
摩擦片外径D
摩擦片内径d
后备系数β
厚度b
单位压力Po
200mm
140mm
1.3
0.25MPa
第三章桑塔纳2000型离合器的故障诊断与检修
3.1离合器的故障诊断
3.1.1离合器打滑
1.故障现象
离合器接合后,发动机动力不能完全传给驱动轮,出现汽车起步困难,油耗上升,发动机过热,加速不良等现象。
2.故障主要原因及处理方法
离合器打滑的根本原因是压盘不能牢固地压在从动盘摩擦片上,或摩擦片的摩擦系数过小。
具体原因主要有:
(1)摩擦片烧损、硬化、有油污或磨损严重,视情况予以修理或更换。
(2)膜片弹簧疲劳、开裂或失效,应予更换。
(3)分离轴承运动发卡不能回位,应予润滑或更换。
(4)压盘或飞轮变形、磨损,应予磨平或更换。
(5)离合器操纵机构调整不当,导致踏板自由行程过小,应予调整。
(6)拉索发卡需润滑等。
3.故障诊断方法
检查离合器踏板有无自由行程。
若无或数值不正确,则应检查操纵系统是否调整不当或卡滞,踏板回位弹簧是否失效,分离轴承是否不能回位,膜片弹簧(或分离杠杆)内端是否调整过高。
若自由行程正常,则应拆下离合器壳,检查摩擦片是否烧损、有油污或磨损过大,膜片弹簧是否失效,飞轮或压盘有没有变形等。
详见图3-1所示离合器打滑常见故障原因的诊断流程。
图3-1离合器打滑常见故障原因的诊断流程
3.1.2离合器分离不彻底
发动机怠速时,完全踩下离合器踏板,却挂挡困难,常伴有齿轮撞击声;
或在强行挂挡后,不松开离合器踏板,汽车就猛向前窜或发动机熄火。
发生此类故障的诊断办法是:
将车开至平坦的路面上,变速杆放在空档位置,踩下离合器踏板,如果只有驾驶员一人,可以用一根木棍将离合器踏板压下去,并顶住(拉起制动手柄,使手制动发生作用)。
在飞轮壳下面孔内,用螺丝刀推动离合器片,如果能轻轻地推动,说明离合器还能切断,如果推不动,说明离合器分离不开。
离合器分离不好的主要原因是离合器踏板的自由行程太大。
再就是更换离合器从动盘后,由于忽视了对变速器第一轴的清洗,有杂质,造成从动盘毂和第一轴的间隙过小,移动阻力大,离合器分离不好。
用户在购买离合器从动盘总成时,应检查有无翘曲,其厚度应符合标准,如果翘曲或太厚,应予以更换。
离合器分离不彻底的根本原因是离合器踏板踩到底时,压盘离开从动盘的移动量过小,或部件的变形导致压盘与从动盘摩擦片有所接触而不能彻底分离。
(1)离合器踏板自由行程过大,应予调整。
(2)从动盘翘曲,应予更换。
(3)压盘变形,应予磨平或更换。
(4)摩擦片变形或铆钉松动,应予修理或更换。
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