汽车离合器根据GB/T 10043—2017,主要分为摩擦式、电磁式和液力式三种类型,摩擦式离合器又分为湿式和干式两种。干式盘形摩擦离合器在如今各类汽车中应用最为广泛,这里仅介绍摩擦离合器的结构形式及选择。摩擦离合器可按照从动盘数目的差异、压紧弹簧布置和结构形式的不同以及分离时作用力方向不同分类,如图2-1所示。
图2-1 摩擦离合器的分类形式
(1)单片离合器
单片离合器(图2-2)具有结构简单、轴向结构紧凑、散热性能优良、维修调整方便、从动部分转动惯量小以及工作时能保证分离彻底等优点。若采用轴向有弹性的从动盘可以保证接合平顺柔和。但是受到结构的制约,单片离合器的转矩容量受到了一定的限制,所以通常应用于发动机转矩不大于1000N·m的乘用车和商务车。
图2-2 单片离合器
(2)双片离合器
双片离合器可理解为(图2-3)单片离合器中多了一个从动盘。双片离合器相对单片离合器具有较大的转矩容量。与单片离合器相比,双片离合器具有以下优点:①传递的转矩因为摩擦面增大一倍而得到提升。②在传递相同转矩时,径向尺寸和踏板力较小,方便驾驶人操作。③接合更为平顺、柔和。
但双片离合器有这些优点的同时也要考虑到以下缺点:中间压盘通风散热性能不佳,容易导致摩擦片过热,降低离合器工作稳定性和使用寿命;分离行程较大,不易分离彻底;从动部分转动惯量大,换档比较困难;轴向尺寸较大,结构复杂。因此这种结构一般用在传递转矩较大且径向尺寸受到限制的场合。
图2-3 双片离合器
(3)多片离合器
多片离合器具有摩擦片磨损小、使用寿命长等优点。但是多数是湿式离合器,需要在润滑的条件下工作。由于其径向尺寸小、可承受转矩大,被广泛应用于机床、轧钢、冶金采矿、金属压延、搬运、船舶渔业等设备的机械传动系统中,起到离合、换向、变速等作用,在最大总质量大于14t的商用车的行星齿轮变速器中也有应用。
(1)周置弹簧离合器
周置弹簧离合器的压紧弹簧是由若干个螺旋弹簧组成,并沿着压盘(或从动盘)周围分布的。因为其结构简单、制造工艺性良好,在汽车传动系中得到广泛应用。然而,周置弹簧离合器弹簧压力直接作用于压盘上,为使摩擦片上的压力均匀,压紧弹簧的数目需要与摩擦片直径正相关。又因压紧弹簧直接与压盘接触,易受热回火失效,当发动机最大转速很高时,周置弹簧由于受离心力作用而向外弯曲,使弹簧压紧力显著下降,离合器传递转矩的能力也随之降低;此外,弹簧靠在弹簧座上,导致接触部位磨损严重。
(2)中央弹簧离合器
中央弹簧离合器使用仅具有一个或两个强力螺旋弹簧(圆柱螺旋弹簧或矩形断面的锥形螺旋弹簧),并与压盘(或从动盘)同轴安置在离合器中央。其优点是可以通过采用大的杠杆比获得较大的压紧力,且有利于减少踏板力,方便驾驶人操纵;压紧弹簧不与压盘相接触,避免弹簧受热回火失效;压紧力的调整可以通过改变垫片厚度或调整螺纹实现。中央弹簧离合器多用于最大转矩大于500N·m的商用车上,这是因为其结构复杂,轴向尺寸大,在尺寸较小的车辆里放置受限。
(3)斜置弹簧离合器
斜置弹簧离合器的弹簧压力斜向作用在传力盘上,并通过压杆作用在压盘上。此结构在摩擦片磨损或分离离合器时,压盘所受的压紧力保持不变,工作稳定性较高。同时踏板力相比上述两种离合器较小,可降低驾驶人的劳动强度,所以该结构已经在总质量大于14t的商用车上应用。
(4)膜片弹簧离合器
膜片弹簧离合器(图2-4)采用膜片弹簧作为压紧弹簧。膜片弹簧是一种由弹簧钢制成的具有特殊结构的碟形弹簧,主要由碟簧部分和分离指部分组成。
图2-4 膜片弹簧离合器
膜片弹簧离合器与上述类型的离合器相比,具有以下显著特点:
1)弹簧力在摩擦片允许磨损的范围内基本不变,这是因为膜片弹簧具有较理想的非线性特性,因而离合器能保持传递的转矩大致不变。膜片弹簧离合器分离时,弹簧压力有所下降,从而降低了踏板力,而圆柱螺旋弹簧分离时的压力则显著增大。膜片弹簧可以兼具压紧弹簧和分离杠杆的作用,结构简化,更加紧凑,轴向尺寸小,组件数量少,质量小。
2)膜片弹簧离合器在高速旋转工作状态下,稳定性较高、压紧力降低小;而圆柱螺旋弹簧的压紧力则明显下降。
3)膜片弹簧以整个圆周与压盘接触,压力分布均匀,摩擦片接触良好,磨损均匀。
4)通风散热能力优良,使用寿命长。
5)膜片弹簧和离合器中心线重合,具有良好的平衡性。
膜片弹簧离合器的缺点是制造工艺性较为复杂,因为需要严格且精确的弹簧钢片的尺寸精度、加工和热处理条件,最为重要的是它的非线性弹性特征在生产中并不容易掌控。在结构上,因为分离指部分的刚度较低导致的分离效率降低,在分离指根部易形成应力集中,使得碟簧部分的应力增大,容易导致疲劳裂纹而损坏;分离指舌尖部易磨损,而且难以修复。近年来,得益于制造工艺技术和设计理论的完善,以及材料性能的提升,膜片弹簧技术也日趋成熟。该结构已广泛出现在各类商用车和乘用车上。
膜片弹簧离合器可以根据分离时分离指内端受力方向的差异,分为推式膜片弹簧离合器和拉式膜片弹簧离合器。当分离离合器时,分离指内端分离方向离开压盘的结构称为拉式膜片弹簧分离器。而推式膜片离合器与拉式的差异是当分离离合器时,分离指内端分离方向指向压盘。
上述两种膜片弹簧离合器的结构特点是:装配的时候,推式膜片弹簧离合器的膜片锥顶朝后(离开压盘方向),大端靠在压盘上对压盘施加压力;拉式膜片弹簧的安装与推式相反,膜片弹簧的锥顶朝前(指向压盘方向),其大端靠在离合器盖上,膜片弹簧的中部对压盘施加压力。
分析上述两种膜片弹簧离合器可知:在压盘的尺寸相同的情况下,拉式膜片弹簧离合器利用直径较大的膜片弹簧来提高转矩容量和压紧力;或者在传递转矩相同的情况下,结构较小的拉式膜片弹簧离合器可以代替结构较大的推式膜片弹簧离合器。再者在不用或只用一个支承环的情况下,拉式膜片弹簧的结构更加简单、紧凑,质量更小;同时当支承环磨损后,拉式膜片弹簧不会形成间隙,导致踏板的自由行程增大,噪声和冲击得到降低;从动盘转动惯量小,减少换档时齿轮轮间的冲击,更便于换档,使用寿命更长。因此,如今各种类型的乘用车和商用车多数采用拉式膜片弹簧离合器。
按照安装膜片弹簧支承环数的差异,推式膜片弹簧离合器可以分为双支承环、单支承环和无支承环(图2-5)。
双支承环形式(图2-5)是目前广泛采用的形式,它又可以分为:
① MF型(图2-5a)用台肩式铆钉将膜片弹簧、两个支承(图2-5中拉式膜片弹簧离合器环与图2-4拉式膜片弹簧离合器离合器盖)定位铆合在一起,结构简单,是较早采用的形式。
② DS型(图2-5b)结构在铆钉上加装了硬化衬套和刚性挡环,可提高耐磨性和使用寿命,但结构较复杂。
③ DST型(图2-5c)结构取消了铆钉,从离合器盖内边缘上伸出许多舌片,将膜片弹簧、两个支承环与离合器盖弯合在一起,使结构紧凑、简化,且使用寿命长,因此其应用日趋广泛。
图2-5 推式膜片弹簧双支承环的三种形式
单支承环形式(图2-6)分为三种:①DBV型(图2-6a),它是MF型的改进,在冲压离合器盖上冲出一个环形凸台来代替支承环,使结构简化;②DB/DBP型(图2-6b)在铆钉前侧以弹性挡环代替支承环,以消除膜片弹簧与支承环之间的轴向间隙;③GMF型与DBV型相似,在铸铁离合器盖上铸出一个凸台代替支承环,用于重型货车上。
图2-6 推式膜片弹簧单支承环形式
无支承环形式(图2-7)同样可以具体分为三种形式:
① DBR型(图2-7a),其铆合膜片弹簧和斜头铆钉的头部与离合器盖上冲出环形凸台,从而取消了前、后支承环。
② D/DR型(图2-7b)在铆钉前侧以弹性挡环和离合器盖上环形凸台分别代替前、后支承环,使结构更简化。
③ CP型(图2-7c)结构最为简单,其撤销了DR中的铆钉,通过离合器盖内边缘处伸出的许多舌片,将膜片弹簧与弹性挡环和离合器盖上的环形凸台弯合在一起。
图2-7 推式膜片弹簧无支承环形式
窗孔式、传力销式、键块式和传动片式是压盘驱动的主要方式。窗孔式、传力销式和键块式的共同缺点是连接件之间都有间隙,在驱动时,离合器会产生一定的冲击和噪声,同时零件之间的相对滑动会产生摩擦导致损伤,离合器的传动效率会因此受到影响。传动片式是如今普遍采用的结构,沿周向布置的三组或四组钢带传动片,其两端分别与离合器盖和压盘以铆钉或螺栓连接,传动片的弹性允许其做轴向移动。此结构中压盘与飞轮对中性能好,动平衡性好,使用可靠,寿命长。但反向承载能力较弱,对材料要求较高,因为汽车反拖时易折断传动片,所以压盘一般采用高碳钢制成。