汽车离合器结构优化的研究

王新��

摘要：本文针对某离合器失效返回件，进行了详细的分析，通过研究发现传动带的弯曲变形引起离合器升程的衰退，是导致离合器失效的主要原因。在此种因素作用下，摩擦片的磨损程度不断加大，最终使得离合器难以传递动力。为解决此问题，本文采用优化离合器结构的方法，将单片传动带设计成双片传动带，在此基础上，利用Marc有限元软件进行分析，从而得出两种结构的传动带最大应力数值分别为1045 MPa与830.3 MPa，低于材料的屈服强度1300 MPa，双片传动带的应力相比于单片传动带降低了20.5%，这样有效提高了离合器上传动带的承压能力。通过验证，双片传动带的离合器结构得到良好的优化，达到预期效果。

关键词：汽车离合器；离合器实效；结构优化

在某离合器的常规耐久试验执行高速排放规范中，5 挡时车速只能提升到 80 km/h 左右（转速已经达到 4000 r/min），6 挡时车速只能提升到 100km/h 左右（转速已经达到 4000 r/min），并且伴有浓厚的离合器烧焦味道。针对上述的现象，文中对离合器返回件进行分析，找出离合器失效的根本原因，从而对离合器的结构进行优化，进而更好地指导企业的实际生产。

一、汽车离合器的发展

钢轮汽车离合器于1889年被发明家戴姆勒发明出来，期主要是通过脚踏板来进行作业。其工作原理是离合器脚踏板踩下之后，拨叉分离后，锥形座圈被拉回，弹簧被释放出，离合器便分离开了。经过很长时间发展后，随后出现了摩擦片，锥形盘摩擦面的材料起初是应用驼毛，但是，进过时间的推移，很快皮革就取代了它。锥形盘离合器应用了几年后，有很快被单盘离合器取代。离合器的未来发展方向是单盘离合器，DeDion和Bouton是第一个认识这一点的人。离合器技术在eFordo发明了石棉摩擦片后，取得了很大的进步。从1920年到当代，石棉摩擦片一直被人们应用着，随着非石棉摩擦片的出现，才被取代。随着发动机转速的不断增加，离合器变得越来越重。为解决此问题，人们便开发出了膜片弹簧离合器。1960年代末至今，几乎所有的汽车制造商都采用膜片弹簧离合器。

二、汽车离合器的作用及结构

（一）汽车离合器的作用

（1）离合器的首要功能就是保证汽车的平稳起步。发动机启动后，首先需要驾驶员将离合器踏板踩下，将离合器分离，促使发动机与传动系脱开，然后再由驾驶员将变速器挂上档，紧接着将离合器踏板慢慢松开，逐渐的接合离合器。在逐渐接合离合器的过程中，极易发生发动机熄火的状况，这是由于发动机在此期间，所受到的阻力越来也大，这种情况下，应踩油门加大燃料的供应量。

（2）离合器的第二功能是实现平顺的换档。齿轮式变速器换挡的实现，主要采取的措施是，换挡前先将离合器踏板踩下，促使动力传动停止转动，采取这一措施的主要目的就是为了便于使原档位的啮合副脱开，实现新档位啮合副与啮合部位的速度逐步趋向同步，减小进入啮合时的冲击力，再进行拨动挂挡机构，将原有档位的齿轮副推出传动，停止工作，将新的档位齿轮副推入，进入工作状态，通过两个步骤，来实现平顺的换档。

（3）离合器的第三个功能是防止传动系过载。如果没有离合器的存在，当汽车发生紧急制动时，发动机与传动系刚性连接，促使转速得以迅速降低，由此一下，所有运动件会产生巨大的惯性力矩，所产生的载荷，远远的超出了传动系承载能力，从而造成机件的损坏。因此，人们需要离合器来限制传动系所承受的最大扭距，以保证安全。

（二）汽车离合器的结构

汽车离合器主要分为主動、从动、分离机构、压紧机构、操纵机构五个部分构成。在汽车离合器的结构中，其中，压紧机构、主动以及从动部分，起到了保证离合器处于接触状态并传递动力的作用。对于操纵与分离机构而言，他们是一种使离合器分离的装置。有压盘、离合器盖、飞轮三部分组成了主动部分，由从动轴与从动盘扭转减振器两个部分组成了从动部分，由离合器踏板到分离杆（或离合器分泵）之间的一系列零件共同的组成了操纵机构。

三、离合器失效的分析

将离合器从汽车上进行拆卸，发现离合器盖总成中压盘表面有高温经历的痕迹（如下图所示），并且传动带有明显的弯曲现象。此外，从动盘总成中的摩擦片表而磨损比较严重。在离合器从总成的工况机上测得摩擦片的压紧厚度为5.95mm，而原始设计值为7.9±0.3mm，由此得出摩擦片的平均磨损厚度为1.95mm。由于摩擦片的磨损是不均匀的，利用卡尺测出摩擦片自由状态厚度的最小值为5.7 mm，减去波形片的弹性024 mm，摩擦片的最大磨损量达到了2.44mm，该数值已经超出了设汁寿命，然而在3万km，摩擦片就磨损到了极限，因此，分析离合器在耐久试验中出现了异常磨损。

盖总成图

对离合器盖总成的性能进行测试，压紧力与分离力几乎没有衰减，然而压盘的升程只有0.05 mm（图样的设计要求为7.5 mm分离行程处大于1.1 mm），升程的衰减导致离合器相比于正常状态分离时会有更长的滑磨时间，从而加剧摩擦片的磨损，结合上述的分析得知：导致摩擦片过早衰减的根本原因是离合器升程的衰减，而升程的衰减是由传动带的变形所致。分析其原因为：离合器失效时正在执行高速排放规范，在该规范中有如下工况：加速至100 km/h以上，松油门，滑行（制动）到某一速度。在该工况下，离合器会受到倒拖力矩的作用，并且车重的增加以及发动机转速的衰减都会增大倒拖力矩。在频繁的倒拖作用下，传动带的抬升力逐渐衰减，直至产生弯曲。此外，随着摩擦片的磨损，压紧力会有所衰退，当摩擦片磨损到2.4 mm时的压紧力约为6000 N，离合器处于该状态下的后备系数为0.95（后备系数的设计值通常要求大于1.25），从而难以保证转矩的有效传递。

四、离合器结构的优化

（一）结构设计的优化

为了有效解决上述问题，考虑到发动机等其它零部件在出现更恶劣的工况时，离合器可以更加可靠地工作，文中将离合器盖总成为3组传动带每组1片的设计优化为3组传动带每组2片的设计。

（二）有限元结果的分析

车辆正常行驶时，发动机带动变速箱，此时传动带受到拉力的作用。变速箱反向拖动发动机时，传动带受到压力的作用。相对拉应力失效，压应力失效更易发生（因为瞬时反向压力可能会很大）。因此，文中仅对传动带受压时的应力情况进行分析。为了对传动带的受力情况进行深入的研究，文中借助Marc有限元仿真软件对传动带的受力情况进行数值模拟。在单片传动带的应力分析之中，传动带的材料为C75S高强度弹簧钢，材料的厚度为1.1 mm。模拟的边界条件为：传动带的一端铆钉固定；传动带的另一端铆钉施加切向力，使传动带属于受压状态，模拟铆钉平面将传动带压至安装位置；假设传动带受到全部的反向发动机转矩冲击并乘以一定的安全系数，使得传动带承压330 N·m。为单片传动带的应力分布情况，从图中可以看出，在单片传动带时，模拟发动机最大转矩完全反向挤压传动带，传动带的最大应力为1045 MPa，该数值低于材料的屈服强度1300 MPa。

在相同的模拟工况下，对优化后的双片传动带进行应力分析，得出的分析结果。在采用双片传动带结构时，模拟发动机最大转矩完全反向挤压传动带，传动带的最大应力数值为8303 MPa，该值低于材料的屈服强度1300 MPa。然而相比于单传动带的最大应力数值，应力降低约20.5%。因此，采用双片传动带结构可以有效增强离合器上传动带的承压能力。

五、结语

综上所述，通过离合器结构的优化，即将单片传动带结构优化为双片传动带的结构，结合有限元分析得出单片传动带与双片传动带的最大应力值分别为1045 MPa与830.3 MPa，其数值均低于材料的屈服强度1300 MPa，然而双片传动带的应力相比于单片传动带降低了20.5%，从而增强了离合器上传动带的承压能力，提高离合器在更恶劣工况下的工作可靠性，并且进行了试验验证，在企业的实际生产过程中得到了广泛的应用，进而提高企业的离合器产品在市场上的竞争力。

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