汽車離合器結構優化的研究

王新??

摘要：本文針對某離合器失效返回件，進行了詳細的分析，通過研究發現傳動帶的彎曲變形引起離合器升程的衰退，是導致離合器失效的主要原因。在此種因素作用下，摩擦片的磨損程度不斷加大，最終使得離合器難以傳遞動力。為解決此問題，本文采用優化離合器結構的方法，將單片傳動帶設計成雙片傳動帶，在此基礎上，利用Marc有限元軟件進行分析，從而得出兩種結構的傳動帶最大應力數值分別為1045 MPa與830.3 MPa，低于材料的屈服強度1300 MPa，雙片傳動帶的應力相比于單片傳動帶降低了20.5%，這樣有效提高了離合器上傳動帶的承壓能力。通過驗證，雙片傳動帶的離合器結構得到良好的優化，達到預期效果。

關鍵詞：汽車離合器；離合器實效；結構優化

在某離合器的常規耐久試驗執行高速排放規范中，5 擋時車速只能提升到 80 km/h 左右（轉速已經達到 4000 r/min），6 擋時車速只能提升到 100km/h 左右（轉速已經達到 4000 r/min），并且伴有濃厚的離合器燒焦味道。針對上述的現象，文中對離合器返回件進行分析，找出離合器失效的根本原因，從而對離合器的結構進行優化，進而更好地指導企業的實際生產。

一、汽車離合器的發展

鋼輪汽車離合器于1889年被發明家戴姆勒發明出來，期主要是通過腳踏板來進行作業。其工作原理是離合器腳踏板踩下之后，撥叉分離后，錐形座圈被拉回，彈簧被釋放出，離合器便分離開了。經過很長時間發展后，隨后出現了摩擦片，錐形盤摩擦面的材料起初是應用駝毛，但是，進過時間的推移，很快皮革就取代了它。錐形盤離合器應用了幾年后，有很快被單盤離合器取代。離合器的未來發展方向是單盤離合器，DeDion和Bouton是第一個認識這一點的人。離合器技術在eFordo發明了石棉摩擦片后，取得了很大的進步。從1920年到當代，石棉摩擦片一直被人們應用著，隨著非石棉摩擦片的出現，才被取代。隨著發動機轉速的不斷增加，離合器變得越來越重。為解決此問題，人們便開發出了膜片彈簧離合器。1960年代末至今，幾乎所有的汽車制造商都采用膜片彈簧離合器。

二、汽車離合器的作用及結構

（一）汽車離合器的作用

（1）離合器的首要功能就是保證汽車的平穩起步。發動機啟動后，首先需要駕駛員將離合器踏板踩下，將離合器分離，促使發動機與傳動系脫開，然后再由駕駛員將變速器掛上檔，緊接著將離合器踏板慢慢松開，逐漸的接合離合器。在逐漸接合離合器的過程中，極易發生發動機熄火的狀況，這是由于發動機在此期間，所受到的阻力越來也大，這種情況下，應踩油門加大燃料的供應量。

（2）離合器的第二功能是實現平順的換檔。齒輪式變速器換擋的實現，主要采取的措施是，換擋前先將離合器踏板踩下，促使動力傳動停止轉動，采取這一措施的主要目的就是為了便于使原檔位的嚙合副脫開，實現新檔位嚙合副與嚙合部位的速度逐步趨向同步，減小進入嚙合時的沖擊力，再進行撥動掛擋機構，將原有檔位的齒輪副推出傳動，停止工作，將新的檔位齒輪副推入，進入工作狀態，通過兩個步驟，來實現平順的換檔。

（3）離合器的第三個功能是防止傳動系過載。如果沒有離合器的存在，當汽車發生緊急制動時，發動機與傳動系剛性連接，促使轉速得以迅速降低，由此一下，所有運動件會產生巨大的慣性力矩，所產生的載荷，遠遠的超出了傳動系承載能力，從而造成機件的損壞。因此，人們需要離合器來限制傳動系所承受的最大扭距，以保證安全。

（二）汽車離合器的結構

汽車離合器主要分為主動、從動、分離機構、壓緊機構、操縱機構五個部分構成。在汽車離合器的結構中，其中，壓緊機構、主動以及從動部分，起到了保證離合器處于接觸狀態并傳遞動力的作用。對于操縱與分離機構而言，他們是一種使離合器分離的裝置。有壓盤、離合器蓋、飛輪三部分組成了主動部分，由從動軸與從動盤扭轉減振器兩個部分組成了從動部分，由離合器踏板到分離桿（或離合器分泵）之間的一系列零件共同的組成了操縱機構。

三、離合器失效的分析

將離合器從汽車上進行拆卸，發現離合器蓋總成中壓盤表面有高溫經歷的痕跡（如下圖所示），并且傳動帶有明顯的彎曲現象。此外，從動盤總成中的摩擦片表而磨損比較嚴重。在離合器從總成的工況機上測得摩擦片的壓緊厚度為5.95mm，而原始設計值為7.9±0.3mm，由此得出摩擦片的平均磨損厚度為1.95mm。由于摩擦片的磨損是不均勻的，利用卡尺測出摩擦片自由狀態厚度的最小值為5.7 mm，減去波形片的彈性024 mm，摩擦片的最大磨損量達到了2.44mm，該數值已經超出了設汁壽命，然而在3萬km，摩擦片就磨損到了極限，因此，分析離合器在耐久試驗中出現了異常磨損。

蓋總成圖

對離合器蓋總成的性能進行測試，壓緊力與分離力幾乎沒有衰減，然而壓盤的升程只有0.05 mm（圖樣的設計要求為7.5 mm分離行程處大于1.1 mm），升程的衰減導致離合器相比于正常狀態分離時會有更長的滑磨時間，從而加劇摩擦片的磨損，結合上述的分析得知：導致摩擦片過早衰減的根本原因是離合器升程的衰減，而升程的衰減是由傳動帶的變形所致。分析其原因為：離合器失效時正在執行高速排放規范，在該規范中有如下工況：加速至100 km/h以上，松油門，滑行（制動）到某一速度。在該工況下，離合器會受到倒拖力矩的作用，并且車重的增加以及發動機轉速的衰減都會增大倒拖力矩。在頻繁的倒拖作用下，傳動帶的抬升力逐漸衰減，直至產生彎曲。此外，隨著摩擦片的磨損，壓緊力會有所衰退，當摩擦片磨損到2.4 mm時的壓緊力約為6000 N，離合器處于該狀態下的后備系數為0.95（后備系數的設計值通常要求大于1.25），從而難以保證轉矩的有效傳遞。

四、離合器結構的優化

（一）結構設計的優化

為了有效解決上述問題，考慮到發動機等其它零部件在出現更惡劣的工況時，離合器可以更加可靠地工作，文中將離合器蓋總成為3組傳動帶每組1片的設計優化為3組傳動帶每組2片的設計。

（二）有限元結果的分析

車輛正常行駛時，發動機帶動變速箱，此時傳動帶受到拉力的作用。變速箱反向拖動發動機時，傳動帶受到壓力的作用。相對拉應力失效，壓應力失效更易發生（因為瞬時反向壓力可能會很大）。因此，文中僅對傳動帶受壓時的應力情況進行分析。為了對傳動帶的受力情況進行深入的研究，文中借助Marc有限元仿真軟件對傳動帶的受力情況進行數值模擬。在單片傳動帶的應力分析之中，傳動帶的材料為C75S高強度彈簧鋼，材料的厚度為1.1 mm。模擬的邊界條件為：傳動帶的一端鉚釘固定；傳動帶的另一端鉚釘施加切向力，使傳動帶屬于受壓狀態，模擬鉚釘平面將傳動帶壓至安裝位置；假設傳動帶受到全部的反向發動機轉矩沖擊并乘以一定的安全系數，使得傳動帶承壓330 N·m。為單片傳動帶的應力分布情況，從圖中可以看出，在單片傳動帶時，模擬發動機最大轉矩完全反向擠壓傳動帶，傳動帶的最大應力為1045 MPa，該數值低于材料的屈服強度1300 MPa。

在相同的模擬工況下，對優化后的雙片傳動帶進行應力分析，得出的分析結果。在采用雙片傳動帶結構時，模擬發動機最大轉矩完全反向擠壓傳動帶，傳動帶的最大應力數值為8303 MPa，該值低于材料的屈服強度1300 MPa。然而相比于單傳動帶的最大應力數值，應力降低約20.5%。因此，采用雙片傳動帶結構可以有效增強離合器上傳動帶的承壓能力。

五、結語

綜上所述，通過離合器結構的優化，即將單片傳動帶結構優化為雙片傳動帶的結構，結合有限元分析得出單片傳動帶與雙片傳動帶的最大應力值分別為1045 MPa與830.3 MPa，其數值均低于材料的屈服強度1300 MPa，然而雙片傳動帶的應力相比于單片傳動帶降低了20.5%，從而增強了離合器上傳動帶的承壓能力，提高離合器在更惡劣工況下的工作可靠性，并且進行了試驗驗證，在企業的實際生產過程中得到了廣泛的應用，進而提高企業的離合器產品在市場上的競爭力。

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