離合器匹配設(shè)計

湖北航天技術(shù)研究院特種車輛技術(shù)中心 劉保增 包耿邵譜

針對離合器早期容易產(chǎn)生異常磨損的問題，通過對離合器故障模式進(jìn)行故障樹分析，找出離合器設(shè)計選型及匹配中可能會造成離合器早期異常磨損的主要因素，進(jìn)而明確離合系統(tǒng)主要零部件的計算選型和調(diào)整方法，確保了設(shè)計的正確性。

在以內(nèi)燃機(jī)提供動力的汽車傳動系統(tǒng)中，傳動系統(tǒng)最前端的部件便是離合器，同時它也是整個汽車傳動系統(tǒng)中最重要的組成部件，在汽車整個行駛過程中，離合器會被頻繁地使用。各類型汽車上廣泛采用的摩擦式離合器實際上是一種依靠其主、從動部分間的摩擦傳遞動力且能分離的機(jī)構(gòu)[1]，對于中重型商用車而言，一般都使用單片干式膜片彈簧離合器，本文所述離合器均指該類型。

在離合器分離和結(jié)合的運動過程中，離合器和發(fā)動機(jī)飛輪中間會發(fā)生摩擦，產(chǎn)生的熱量會使離合器的壓盤以及與壓盤相接觸的飛輪等零件的溫度升高。正常情況下，摩擦?xí)r間較短，產(chǎn)生的熱量不足以使摩擦片溫度上升太多，對摩擦片本身沒有太大影響。如果摩擦?xí)r間延長，高溫會使整個離合器的使用壽命大大降低，嚴(yán)重時會造成離合器的早期異常磨損。本文針對離合器的故障模式進(jìn)行分析，有針對性地提出匹配設(shè)計方法，可以有效避免離合器早期異常磨損問題的發(fā)生。

離合器故障模式分析

針對離合器早期異常磨損故障，從設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)量和使用等方面進(jìn)行分析，列出離合器的故障樹，見圖1。

圖1 離合器異常磨損故障樹

1. 參數(shù)匹配不合理

離合器參數(shù)匹配主要包括離合器傳遞扭矩的能力與發(fā)動機(jī)扭矩的匹配、離合器壓緊力設(shè)計、離合器分離力與助力器分離能力的匹配、助力器與離合器總泵壓力參數(shù)的匹配以及離合器總泵和助力器活塞桿徑之間的匹配等，其中任何一項出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致離合器工作過程中出現(xiàn)分離不徹底或壓不緊的現(xiàn)象，離合器滑磨產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致離合器早期異常燒蝕。

2. 結(jié)構(gòu)匹配不合理

離合器結(jié)構(gòu)匹配主要包括離合器安裝、分離軸承安裝、助力缸推桿初始安裝長度、分離軸承運動匹配、離合器總泵與助力器推桿運動匹配等，其中任何一項出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致離合器工作過程中出現(xiàn)卡滯、分離不徹底或壓不緊的現(xiàn)象，離合器滑摩產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致離合器早期異常燒蝕。

3. 采購問題

應(yīng)該按設(shè)計要求采購正確的離合器總成并經(jīng)入廠檢驗合格，否則不正確的離合器總成輕則無法安裝，重則安裝后出現(xiàn)參數(shù)和結(jié)構(gòu)匹配不合理的問題，導(dǎo)致離合器早期異常燒蝕。

4. 工藝問題

工藝應(yīng)明確離合器的安裝流程，包括安裝前的檢驗、表面清理、離合器的安裝要求、離合器與變速器的對接安裝要求以及緊固件擰緊力矩要求等，如果要求不全面，不能指導(dǎo)工人正確裝配，可能導(dǎo)致離合器的安裝缺陷，并引發(fā)離合器的卡滯損壞或早期異常燒蝕。

5. 裝配問題

操作工人需嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行裝配并進(jìn)行調(diào)試，確保離合器的分離與結(jié)合功能正常，檢驗檢查確認(rèn)后方可證明裝配正常，否則可能導(dǎo)致離合器的卡滯損壞或早期異常燒蝕。

6. 質(zhì)量問題

6.1 從動盤平面度不達(dá)標(biāo)

從動盤平面度會影響接觸面積，導(dǎo)致離合器能力不足，正常行駛過程中摩擦片與飛輪之間滑磨，出現(xiàn)冒煙、異味等早期燒蝕故障。

6.2 摩擦片摩擦系數(shù)不達(dá)標(biāo)

如果摩擦片摩擦系數(shù)不達(dá)標(biāo)，會導(dǎo)致傳遞扭矩的能力降低，與從動盤平面度不達(dá)標(biāo)影響相同。

6.3 產(chǎn)品存在裂紋等缺陷

如果產(chǎn)品存在裂紋等缺陷，摩擦片在使用中會很快破裂損壞，失去離合功能。

7. 超負(fù)荷使用

超負(fù)荷使用主要指滿載或超載狀態(tài)下，爬陡坡或坡道起步時的坡度超過了車輛的設(shè)計爬坡能力，此時離合器摩擦片半離合工況增加，摩擦片始終處于受力和相對運動狀態(tài)，產(chǎn)生瞬時高溫，導(dǎo)致摩擦片磨損，嚴(yán)重時燒毀。

8. 操縱不合理

離合器操縱一般要求快踩慢放、不猛踩油門，快踩就是要保證離合器在最短的時間內(nèi)分離，避免離合器處于半離合滑磨狀態(tài)，而慢放和不猛踩油門則是為了保證起步平穩(wěn)、減小換擋沖擊。如果沒有按上述要求操作，則會加長離合器滑磨時間，降低其使用壽命，如果在松開離合器的過程中加大油門，飛輪與從動盤摩擦片的相對運動加速，將會產(chǎn)生高溫，發(fā)出燒糊的異味，嚴(yán)重時冒煙，甚至燒毀離合器。

離合器匹配設(shè)計

通過離合器故障模式分析可知，離合器匹配設(shè)計時應(yīng)從參數(shù)匹配和結(jié)構(gòu)匹配兩個方面進(jìn)行設(shè)計，并從工藝方面提出裝配要求，保證離合器設(shè)計的正確性，具體流程如下。

1. 離合器選型

根據(jù)分離時分離指內(nèi)端受推力還是拉力的不同，膜片彈簧離合器可分為推式膜片彈簧離合器和拉式膜片彈簧離合器，推式膜片彈簧離合器相對拉式膜片彈簧離合器能夠傳遞的扭矩較小，設(shè)計者可以根據(jù)發(fā)動機(jī)最大輸出扭矩選擇合適的離合器型式，一般來講，當(dāng)發(fā)動機(jī)最大輸出扭矩不大于1200N·m時，選用推式膜片彈簧離合器；當(dāng)發(fā)動機(jī)最大輸出扭矩大于1200N·m時，選用拉式膜片彈簧離合器。

2. 離合器匹配設(shè)計

2.1 離合器摩擦力矩選擇

選擇離合器的性能參數(shù)時，既要考慮能可靠地傳遞發(fā)動機(jī)的最大扭矩Memax，同時又要使它具有足夠的使用壽命，因此，離合器傳遞的最大摩擦力Tc矩可用下式表達(dá)：

式中，β為離合器的后備系數(shù)；Memax為發(fā)動機(jī)最大扭矩。

為了保證完全傳遞發(fā)動機(jī)的最大扭矩及防止其過大時的滑磨，β不宜過小，但為了防止離合器的尺寸過大和避免傳動系過載，β又不宜過大。關(guān)于離合器后備系數(shù)β選取規(guī)定：一般乘用車和輕型貨車β取 值在 1 .30～1.75；中重型貨車β取值在1.6～2.25[1]。

此外還應(yīng)考慮發(fā)動機(jī)的后備功率的大小，后備功率大，β可小些。而國外一些離合器總成則直接標(biāo)定了離合器能夠傳遞發(fā)動機(jī)的最大扭矩Memax，可直接選用。

2.2 離合器安裝

選定離合器最大扭矩后，需根據(jù)發(fā)動機(jī)飛輪上的摩擦片安裝面直徑選擇合適的離合器最大直徑，并在后續(xù)的安裝和校核時關(guān)注需要的參數(shù)，此處需要校核的都是結(jié)構(gòu)參數(shù)，不再贅述。

3. 離合器助力器的匹配

選定離合器能夠傳遞的最大扭矩后，可以從離合器的性能參數(shù)中查到離合器的壓緊力和分離力，一般以曲線圖形式表現(xiàn)，離合器的壓緊力與分離力是離合器廠家根據(jù)離合器能夠傳遞的最大擰緊力矩設(shè)計出來的，正常使用磨損區(qū)間內(nèi)壓緊力變化不大，匹配時無需控制。以配置功率為250kW左右發(fā)動機(jī)的中重型商用車為例，其離合器摩擦片最大分離力一般為7000N左右，駕駛員是無法進(jìn)行離合器分離操作的，因此，需安裝助力機(jī)構(gòu)輔助離合器分離操作，一般選擇最大推力大于離合器最大分離力的助力器，駕駛員只需提供較小的踏板力驅(qū)動助力器工作。

選定助力器參數(shù)后，還要注意助力器在變速器上的安裝匹配，確保助力器能夠被正確地安裝到變速器上。此外，為了保證助力器的正常工作，還要計算合適的助力器推桿初始安裝長度。

4. 離合器踏板操縱力和踏板行程計算

汽車設(shè)計中對離合操縱機(jī)構(gòu)踏板力的要求是：乘用車一般在80～130N范圍內(nèi)，商用車在150～200N；踏板行程一般在80～150mm，最大不應(yīng)超過180mm[2]。

4.1 離合器踏板操縱力計算

從離合器的壓緊力與分離力曲線可以看出，在離合器分離和結(jié)合的過程中都存在一個力的最大值，超過該值后，曲線逐漸下行，所以踩離合器踏板時，會感覺到中間有一點硬，越過后狀況消失，此時所需要的力為踏板最大操縱力。踏板操縱力的計算公式為：

式中，F(xiàn)m為離合器分離時，壓緊彈簧對壓盤的總壓 力 ；iΣ為操縱機(jī)構(gòu)總傳動比，為杠桿尺寸(a1/a2為 離合踏板杠桿比，b1/b2為分離撥叉杠桿比，c1/c2為分離與壓緊時分離指作用力臂的比值，等于分離力與壓緊力的比值)，d1、d2分別為主缸和助力器活塞直徑；η為機(jī)械效率，液壓式：0.8～0.9，機(jī)械式0.7～0.8；Fs為克服離合踏板回位彈簧和助力缸自調(diào)彈簧的拉力所需要的踏板力。

此外，當(dāng)氣壓助力系統(tǒng)失效時，駕駛員需加大踏板操縱力，以建立足夠的液壓，直接推動助力缸活塞及其推桿移動，使離合器分離。

4.2 離合器踏板行程計算

踏板行程S由自由行程SΔ和工作行程Sf兩部分組成，自由行程指的是分離軸承的自由行程對應(yīng)的踏板行程，也即消除分離軸承與離合器之間的間隙所需要的踏板行程，一般為10～30mm，工作行程指的是分離軸承與離合器接觸到離合器完全分離時對應(yīng)的踏板行程，即：

式中，SΔ為踏板自由行程；Sf為踏板工作行程；Δ為分離軸承自由行程，一般為2～4mm，對應(yīng)到踏板上約為10～30mm；b為離合器最大分離行程，可以從離合器參數(shù)中查到；其他參數(shù)和公式(2)中的含義相同。

汽車設(shè)計規(guī)定，在規(guī)定的踏板力和行程的運行范圍內(nèi)，駕駛員分離離合器所作的功不應(yīng)該大于30J，所以應(yīng)對該行程所做的功進(jìn)行校核[2]。

不考慮回位彈簧的作用，分離離合器所作的功可以根據(jù)下式計算：

式中，F(xiàn)m為離合器結(jié)合狀態(tài)下壓緊彈簧的總壓緊力；Fa為離合器徹底分離時壓緊彈簧的總壓緊力；η為機(jī)械效率，取值同上；b為離合器最大分離行程，可以從離合器參數(shù)中查到。

設(shè)主缸橫截面積為S1，分離行程為L1；助力器橫截面積為S1，分離行程為L2忽略主缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)用油及壓縮量，忽略助力缸控制活塞的用油量，可得離合器液壓主缸與助力器行程關(guān)系為：

在不對離合踏板進(jìn)行限位的狀態(tài)下，L2的值應(yīng)大于離合器最大分離行程時助力器推桿的行程，通過限值離合踏板的行程保證在離合踏板總行程內(nèi)剛好滿足離合器徹底分離所需的助力器推桿行程。

工藝要求

1. 離合器及變速器裝配要求

1.1 離合器裝配要求

a.裝配前離合器摩擦表面不得有油污及異物；

b.用工裝花鍵心軸使從動盤總成對中，按從動盤轂凸出摩擦面短的一面與飛輪相貼放置從動盤總成，同時將離合器蓋總成上的止口對準(zhǔn)飛輪法蘭面上的止口，并對正蓋總成與飛輪上的螺栓孔，然后將螺栓均勻交叉地擰緊。

1.2 變速器(離合器殼體總成部分)裝配要求

a.變速器安裝前，先在變速器輸入軸的花鍵部分和安裝離合器軸承的部位涂適量汽車通用基潤滑脂；

b.將離合器分離軸承總成裝入變速器輸入軸的軸承座上，然后將變速器的輸入軸花鍵與離合器從動盤上的花鍵對齊，再將殼體上的孔對準(zhǔn)飛輪殼體上的螺柱推入，然后將螺母均勻交叉地擰緊。

2. 離合操縱系統(tǒng)排氣方法

離合操縱系統(tǒng)排氣方法推薦踩踏板排氣法[3]：

a.先查看離合器儲液罐內(nèi)制動液是否足夠，不足則補(bǔ)充至要求位置，并使管路充滿制動液；

b.啟動發(fā)動機(jī)，使制動系統(tǒng)壓力升高到0.6 MPa以上；

c.準(zhǔn)備一條1m左右的尼龍管，將尼龍管一端連接助力器放油口，將另一端插入無色透明玻璃瓶中，之后擰松放氣螺栓，踩下離合踏板，有制動液流出后擰緊放氣螺栓，然后踩幾次離合踏板，最后保持在最低位置，擰松放氣螺栓，當(dāng)流出的制動液無泡沫時，擰緊放氣螺栓，蓋好防塵帽；

d.若一次不能將制動液中空氣完全排出，重復(fù)上述排氣動作，直至排出的制動液無泡沫為止。

3. 離合器踏板限位螺栓調(diào)整方法

調(diào)整離合踏板下限位螺栓長度：系統(tǒng)排氣完成后，踩下離合踏板，保證在離合器正好能徹底分開時，踏板與限位螺栓接觸，同時將限位螺栓上的螺母擰緊，固定限位螺栓的伸出長度。

4. 離合器的踏板自由行程調(diào)整方法

離合器踏板調(diào)整方法：保證離合器踏板位置不變的情況下，松開液壓主缸推桿鎖緊螺母，向上擰推桿至極限位置，保證液壓主缸間隙為0.5～0.7mm，最后擰緊鎖緊螺母，助力缸推桿不需調(diào)整。上述調(diào)整完成后，離合器踏板自由行程為10～30mm。

5. 離合器從動盤磨損后的調(diào)整

5.1 推式離合器的調(diào)整

對于推式離合器，從動盤磨損后，膜片彈簧壓緊力的作用下保證離合器從動盤與發(fā)動機(jī)飛輪的結(jié)合，由于分離軸承與分離撥叉裝配在一起，分離軸承不會隨膜片彈簧移動，導(dǎo)致自由行程變大，同樣的離合器主泵行程下可能會造成離合器分離不徹底的現(xiàn)象，此時需要調(diào)整分離撥叉與離合器的接觸點位置，滿足正常的離合器踏板自由行程即可。

5.2 拉式離合器的調(diào)整

對于拉式離合器，從動盤磨損后，膜片彈簧壓緊力的作用下保證離合器從動盤與發(fā)動機(jī)飛輪的結(jié)合，由于分離軸承與離合器通過卡簧裝配在一起，膜片彈簧會帶動分離軸承向飛輪方向移動，使得助力器推桿初始安裝長度減小，不影響助力器推桿的工作行程，即拉式離合器在從動盤磨損后可以自行調(diào)整，無需手動調(diào)整。

結(jié)語

本文通過對離合器異常磨損故障進(jìn)行故障樹分析，找到了離合器設(shè)計選型及匹配中可能會造成離合器早期異常磨損的影響因素，明確了離合器、分離軸承、助力器、離合主泵等計算選型流程及調(diào)整方法，可以確保設(shè)計的正確性，有效避免離合器使用過程中出現(xiàn)早期異常磨損的故障，對離合器選型設(shè)計有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。后續(xù)可以根據(jù)本文的設(shè)計分析，列出設(shè)計及裝配調(diào)整中的關(guān)重點，并針對特定的優(yōu)選離合器詳細(xì)列出具體的控制參數(shù)，形成更具指導(dǎo)意義和實用性的設(shè)計規(guī)范或準(zhǔn)則，指導(dǎo)設(shè)計過程中離合器的快速選型匹配。