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汽车离合器技术的发展研究
郑州交通职业学院
毕业论文
论文题目:
汽车离合器技术的发展研究
所属系别汽车运用工程系
专业班级10级汽运六班
姓 名张爱华
学 号
指导教师
撰写日期2013年03月
摘要
作为汽车的重要部件之一,离合器对我们应该并不陌生,但是尽管如此,真正对汽车离合器技术相关知识的认识比较全面和深刻的还比较少,尤其是对汽车离合器的发展趋势和新技术运用上,估计更是关注不多。
其实,增进对汽车离合器知识的了解和掌握,能够更好的准确操控整个汽车运行系统并能快速清除相关汽车故障。
本文就是重点探讨汽车离合器技术的发展。
文章首先介绍了汽车离合器的涵义、功能及其工作原理;然后讲到了汽车离合器的分类,包括摩擦式离合器、液力变矩器(液力耦合器)、电磁离合器等几种;最后文章阐述了汽车离合器的未来发展趋势和新技术研发应用等。
关键词:
汽车离合器,工作原理,分类,新技术
Abstract
Asoneoftheimportantpartsofthecar,theclutchtoweshouldnotunfamiliar,butevenso,trueunderstandingofautomobileclutchtechnologyknowledgeandthecomprehensiveandprofoundisstillrelativelysmall,especiallywiththedevelopmenttrendoftheautomobileclutchandnewtechnology,estimationisnotaconcern.Infact,increaseofautomobileclutchknowledge,canaccuratelycontroltheoperationoftheentirevehiclesystembetterandcanquicklyremovetherelevantvehiclefault.Thispaperisfocusonthedevelopmentofautomobileclutchtechnology.Thispaperintroducestheconcept,functionofautomobileclutchanditsworkingprinciple;thentalkedabouttheclassificationofautomobileclutch,includingfrictionclutch,hydraulictorqueconverter(hydrauliccoupler),severalelectromagneticclutch;finallythearticledescribedthetrendoffuturedevelopmentofautomobileclutchandnewtechnologyresearchandapplication.
Keywords:
automobileclutch,workingprinciple,classification,newtechnology
目录
1引言1
2汽车离合器概述1
2.1汽车离合器涵义1
2.2汽车离合器的功能2
2.2.1保证汽车平稳起步2
2.2.2便于换档3
2.2.3防止传动系统过载3
2.2.4降低扭振冲击3
2.3汽车离合器操作要领3
3汽车离合器的工作原理4
4汽车离合器的分类4
4.1液力耦合器4
4.2电磁离合器4
4.3自动离合器5
5汽车离合器技术的发展趋势6
5.1“双离合器”时代的到来6
5.2适应欧VI发动机的离合器新技术7
5.3汽车自动离合器技术7
6结语8
参考文献9
致谢10
1引言
在1889年,戴姆勒的钢轮汽车已使用配备了一个锥形/斜面摩擦离合器。
这个可以自由移动的锥形盘位于变速器轴上,与曲轴上带锥形凹槽的飞轮可以牢牢地接合。
螺旋弹簧将锥形盘压入到飞轮锥形凹槽里,离合器接合;可踩下脚踏板,通过分离套筒、弹簧将此锥形盘拉回,从而分离离合器,中断动力传输。
最初使用驼毛做为锥形盘摩擦面的材料,但很快被皮革取代。
后者在蓖麻油中浸泡过,可以防潮湿,防油脂。
其优点是可以自动调节,变速器输入轴上不受应力,但也有缺点,就是太重。
一方面,摩擦片磨损太快,更换太复杂,后在皮革摩擦片中设计了压紧弹簧销或传动片以做改进。
另一方面,飞轮和离合器锥盘体积太大,因而其惯性力矩较大导致换档时离合器比其要求的分离过程要慢很多(与变速器已不同步了)。
大约在戴姆勒公司开发其板簧离合器的同时,来自英国的Hele-Shaw教授也完成了对多盘离合器的试验,这也被认为是现在的传统单盘干式离合器的先驱。
命名为“Weston”离合器,与锥形盘离合器相比能够大规模生产的一个决定性的优点是:
在较小的安装空间下,其摩擦面积却很大,并可以持续地接合。
在多盘离合器中,飞轮连在鼓形外罩上,并根据盘的外缘形状在其内部开槽,并允许盘与曲轴或飞轮一起转动,同时纵向移动。
与之匹配的同样数量的内凹的盘位于盘毂中央,盘毂连在离合器轴上。
这些盘可沿盘毂上的离合器轴纵向移动。
在安装时,离合器内和外从动盘交替地接合成一组盘,如主动和从动盘始终相互连接。
这对从动盘是这样工作的:
开始青铜盘始终对着钢制盘转动,并在螺旋弹簧的作用下被压盘一起压紧。
这样,所有的盘便持续地接合。
这个摩擦力逐渐增加的效果能够让离合器非常柔和地接合。
随着弹簧压力的下降,从动盘又分离了,传动片支撑部位开始从从动盘平面部发生弯曲。
通过改变从动盘对的数量,离合器可调节到适合于每个发动机的输出功率。
长时间操纵离合器需要一个强大的大腿,因为踏板力必须通过连接杆/拉线或轴来传递。
随着1930年代离合器拉线和1950年代液压分离机构的应用,驾驶舒适性得到了提高。
可见,汽车离合器技术是随着科技的进步在快速发展和更新换代的。
2汽车离合器概述
2.1汽车离合器涵义
汽车离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内,用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上,离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。
在汽车行驶过程中,驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板,使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合,以切断或传递发动机向变速器输入的动力。
能按工作需要随时将主动轴与从动轴接合或分离的机械零件。
可用来操纵机器传动系统的起动、停止、变速及换向等。
离合器种类繁多,根据工作性质可分为:
①操纵式离合器。
其操纵方法有机械的、电磁的、气动的和液力的等,如嵌入离合器(通过牙、齿或键的嵌合传递扭矩)、摩擦离合器(利用摩擦力传递扭矩)、空气柔性离合器(用压缩空气胎胀缩以操纵摩擦件接合或分离的离合器)、电磁转差离合器(用激磁电流产生磁力来传递扭矩)、磁粉离合器(用激磁线圈使磁粉磁化,形成磁粉链以传递扭矩)。
②自动式离合器。
用简单的机械方法自动完成接合或分开动作,又分为安全离合器(当传递扭矩达到一定值时传动轴能自动分离,从而防止过载,避免机器中重要零件损坏)、离心离合器(当主动轴的转速达到一定值时,由于离心力的作用能使传动轴间自行联接或超过某一转速后能自行分离)、定向离合器(又叫超越离合器,利用棘轮-棘爪的啮合或滚柱、楔块的楔紧作用单向传递运动或扭矩,当主动轴反转或转速低于从动轴时,离合器就自动分开)。
2.2汽车离合器的功能
2.2.1保证汽车平稳起步
起步前汽车处于静止状态,如果发动机与变速箱是刚性连接的,一旦挂上档,汽车将由于突然接上动力突然前冲,不但会造成机件的损伤,而且驱动力也不足以克服汽车前冲产生的巨大惯性力,使发动机转速急剧下降而熄火。
如果在起步时利用离合器暂时将发动机和变速箱分离,然后离合器逐渐接合,由于离合器的主动部分与从动部分之间存在着滑磨的现象,可以使离合器传出的扭矩由零逐渐增大,而汽车的驱动力也逐渐增大,从而让汽车平稳地起步。
2.2.2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。
2.2.3防止传动系统过载
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。
由于离合器是靠摩擦力来传递转矩的,所以当传动系内载荷超过摩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。
2.2.4降低扭振冲击
汽车发动机的工作原理决定了其输出扭矩的不平稳。
在做功冲程,燃烧室气体爆炸产生极大冲击扭矩,而在其他冲程,却是靠惯性反拖发动机。
虽然发动机本身转动系具有的惯性可降低扭振,但剩余的冲击力仍然对后续的变速箱、传动轴产生不利影响。
而离合器中的减振弹簧(切向分布),可显著降低发动机带来的扭振冲击,延长变速齿轮寿命。
2.3汽车离合器操作要领
抬起离合器踏板时,则要遵循“一快、二慢、三联动”的操作原则。
起步时,踩离合器踏板时动作要利落,一脚到底,使离合器彻底分离。
所谓“一快、二慢、三联动”就是离合器踏板抬起的过程分三个阶段,一开始快抬,当感觉到离合器压盘逐渐结合至半联动后,踏板抬起的速度开始放慢,在半联动到完全结合的过程中,离合器踏板是慢慢抬起的。
在离合器踏板抬起的同时,应根据发动机动力的大小,逐渐再把油门踏板踩下去,使汽车能平稳地起步。
油门的操作要平稳适当,只有在离合器完全结合时才能增大油门。
3汽车离合器的工作原理
离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用,或是用液体作为传动介质(液力偶合器),或是用磁力传动(电磁离合器)来传递转矩,使两者之间可以暂时分离,又可逐渐接合,在传动过程中又允许两部分相互转动。
目前在汽车上广泛采用的是用弹簧压紧的摩擦离合器(简称为摩擦离合器)。
发动机发出的转矩,通过飞轮及压盘与从动盘接触面的摩擦作用,传给从动盘。
当驾驶员踩下离合器踏板时,通过机件的传递,使膜片弹簧大端带动压盘后移,此时从动部分与主动部分分离。
摩擦离合器应能满足以下基本要求:
(1)保证能传递发动机发出的最大转矩,并且还有一定的传递转矩余力。
(2)能作到分离时,彻底分离,接合时柔和,并具有良好的散热能力。
(3)从动部分的转动惯量尽量小一些。
这样,在分离离合器换档时,与变速器输入轴相连部分的转速就比较容易变化,从而减轻齿轮间冲击。
(4)具有缓和转动方向冲击,衰减该方向振动的能力,且噪音小。
(5)压盘压力和摩擦片的摩擦系数变化小,工作稳定。
(6)操纵省力,维修保养方便。
4汽车离合器的分类
按照我国的国家标准GBT10043-2003,我们可以把汽车离合器分为以下几种:
汽车离合器有摩擦式离合器、液力变矩器(液力耦合器)、电磁离合器等几种。
摩擦式离合器又分为湿式和干式两种。
4.1液力耦合器
靠工作液(油液)传递转矩,外壳与泵轮连为一体,是主动件;涡轮与泵轮相对,是从动件。
当泵轮转速较低时,涡轮不能被带动,主动件与从动件之间处于分离状态;随着泵轮转速的提高,涡轮被带动,主动件与从动件之间处于接合状态。
4.2电磁离合器
靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。
如在主动与从动件之间放置磁粉,则可以加强两者之间的接合力,这样的离合器称为磁粉式电磁离合器。
目前,与手动变速器相配合的绝大多数离合器为干式摩擦式离合器,按其从动盘的数目,又分为单盘式、双盘式和多盘式等几种。
湿式摩擦式离合器一般为多盘式的,浸在油中以便于散热。
采用若干个螺旋弹簧作为压紧弹簧,并将这些弹簧沿压盘圆周分布的离合器称为周布弹簧离合器(如图所示)。
采用膜片弹簧作为压紧弹簧的离合器称为膜片弹簧离合器。
4.3自动离合器
随着电子技术在汽车上应用,一种自动离合器系统也进入了汽车领域。
这种由控制单元(ECU)控制的离合器已经应用在一些轿车上,使手动变速器换档的一个重要步骤—离合器的断开与接合能够自动地适时完成,简化了驾驶员的操纵动作。
传统离合器分有拉线和液压式两种,自动离合器也分为两种:
机械电机式自动离合器和液压式自动离合器。
机械电机式自动离合器的ECU汇集油门踏板、发动机转速传感器、车速传感器等信号,经处理后发送指令驱动伺服马达,通过拉杆等机械形式驱使离合器动作;液压式自动离合器则是由ECU发送信号驱动电动液压系统,通过液压操纵离合器动作。
液压式自动离合器在目前通用的膜片离合器的基础上增加了电子控制单元(ECU)和液压执行系统,将踏板操纵离合器油缸活塞改为由开关装置控制电动油泵去操纵离合器油缸活塞。
变速器控制单元(ECU)与发动机控制单元(ECU)是集成在一起的,根据油门踏板、变速器档位、变速器输入/输出轴转速、发动机转速、节气门开度等传感器反馈信息,计算出离合器最佳的接合时间与速度。
自动离合器的执行机构由电动油泵、电磁阀和离合器油缸组成,当ECU发出指令驱动电动油泵,电动油泵产生的高压油液通过电磁阀输送到离合器油缸。
通过ECU控制电磁阀的电流量来控制油液流量和油液的通道变换,实现离合器油缸活塞的移动,从而完成汽车起动、换档时的离合器动作。
ECU具有自动离合器装置的汽车与自动变速器(AT)和无级变速器(CVT)汽车相比,它在运行经济性方面有优势,因为它的变速器还是手动变速器,因此耗油比较低,制造成本也低于AT和CVT。
当然,汽车操纵的便利性也会逊色于AT和CVT,毕竟它是装配手动变速器,仍然要手动换档。
5汽车离合器技术的发展趋势
5.1“双离合器”时代的到来
在雷克萨斯的8挡位自动变速器还没有出现之前,奔驰的7G-Tronic和宝马的7挡SMG是当时市场上挡位最多的变速器,而那时主流的手动变速器也仅仅是5挡位的产品。
随着8挡位自动变速器的出现,占据绝大多数市场份额的手动变速器也逐步进入了5挡、6挡位的时代。
在前面的文章中,由于9挡、10挡变速器产品对于乘用车的实际意义并不是非常明显,8挡位有可能就是乘用车变速器产品的一个暂歇点。
传统的变速器产品也会逐步向更高的挡位变迁,7挡、8挡有可能就是多年之后变速器的主流产品。
多挡位产品给予车辆在燃油经济性方面的帮助是有目共睹的,但由于制造成本上的因素又制约了变速器在短时间内就产生如此大的跨越,对此我们似乎只能静静地等待着。
双离合变速器技术最早是被保时捷应用在上世纪80年代的956和962勒芒赛车上。
虽然是最早应用此项技术的企业,但是保时捷并没有将这项技术在民用车上普及开来。
直到2002年,大众在德国沃尔夫斯堡首次向全球展示了6挡位DSG变速器,双离合变速器的这股潮流才算是真正的开始了。
由于没有动力中断,变速器在换挡速度以及经济性方面的优势得到充分体现,这一点并非是普通的自动变速器所能比拟的。
大众、奥迪、布加迪、宝马、奔驰、三菱、克莱斯勒、福特、日产等都已经成为了双离合器的受益者,这其中只有大众和奥迪在双离合器变速器的产品普及上相对快一步,其他各家似乎都还有一种“试水”的心态存在。
事实上大众在双离合器变速器领域取得的成功,是趋势这些企业投入研发生产的一个重要因素,也正因为如此接下来也会有更多的企业加入双离合器变速器阵营当中,菲亚特、法拉利、保时捷等品牌也会凭借各种力量和优势逐步跨进这一领域。
对于这些品牌来说,双离合器变速器是一种潮流和趋势,对于消费者来说它并不像雷克萨斯的8挡自动变速器那样“高不可攀”,大众最新的7挡位DSG将加装在最新的高尔夫第六代的体内,这一举动的确让我们觉得双离合器变速器并不是那么遥不可及。
变速器将走向何方,这是我们任何人都不能够驾驭的,它是由消费者、企业以及市场等综合因素共同来决定的。
虽然未知的因素很多,但是在新的变速器技术还没有出现之前,至少这样的发展趋势看起来还是比较清晰的。
5.2适应欧VI发动机的离合器新技术
满足欧Vl排放法规,对于汽车厂家来说不光要在发动机和尾气处理系统方面进行改造升级,在很多其他方面都需要不断进行技术上的改善,以便同时尽可能地满足车辆的舒适性和低油耗的要求。
其中对传动系统的改善就是一个典型的例子。
位于发动机和变速器之间的离合器系统是影响车辆舒适性和油耗的重要因素,它可以切断发动机与传动系统之间的振动,减轻驾驶室里能听到的隆隆声以及变速器的振动声。
5.3汽车自动离合器技术
资料表明,汽车在闹市区行驶100公里,离合器的使用次数高达800~1000次。
1993年,绅宝公司率先在车辆上搭载了自动离合器系统。
随后,雷诺、菲亚特、现代、奔驰等汽车公司也先后开发出自己的自动离合器产品,用于轿车或轻型车等产品。
自动离合器也称自动化变速器、自换档变速器、自动化手动变速器、离合自动控制器等,自动离合器不需要踏下离合器踏板,实现手动档自动换档。
它是通过使用电子传感器、气动力、处理器和驱动器,根据驾驶员或计算机指令实现换档动作。
目前,自动离合器推广应用的车型主要是在3吨以下的轿车及商用汽车上。
由于自动离合器在许多方面比手动挡具有明显的优势,所以它会在汽车的传统市场上占据很大的发展空间。
中国实际情况统计数据是:
在市场营销的近1500种乘用车车型中,轿车车型销售数据为,手动档占70%、自动档占30%。
手动挡车销量遥遥领先,在国内占绝大多数。
因其省油、易维修、价格低,因此一直以来,手动挡车型的销量都远远超过了自动挡车型。
但由于汽车市场的快速发展,大大小小的城市都出现不同程度的堵车现象,且愈演愈烈,故而自动挡迅速成为一种趋势,一种时尚。
离合自动控制器(AutomaticClutchController,简称ACC)也就是汽车自动离合器。
应用领先的电子模控技术,着重针对手动挡车型而设计。
由先进的微电子系统控制,模拟最优秀的驾驶技术,根据车辆状态(车速、转速、刹车、换挡信号)结合驾驶员意图,以最佳的挡位模式导引匹配操作,使离合器快速分离与平稳操作,达到起步与换挡舒适平顺。
从而克服手动挡车频繁踩离合、油门离合挡位难配合的麻烦,避免堵车、坡起、红路灯、避让行人的状态下行驶易空油、熄火、倒溜、不安全等问题。
实现手自一体,自控语音提示,操作自如。
从而达到方便乘驾、减轻驾驶疲劳、减低油耗、保护发动机的目的。
自上世纪80年代初,由于单片机技术的发展,欧洲及日本等过对自动离合器研制加大了投入,到90年代意大利的阿尔法公司与日本的本田公司率先应用到汽车上,奔驰公司在90年代中期开始由4S店在在用车型C230加装自动离合器,经过几年的市场磨合,得到市场认可。
而作为自动离合器真正成熟的标志是1999年的奔驰A160投放市场,2003年奔驰又将A190自动离合器车型投放市场,这进一步说明了自动离合器的市场与前景。
6结语
总而言之,随着经济的发展和科学技术的不断进步,也由于全球的环境问题、城市的交通拥堵问题和国家可持续发展道路的多因素要求下,越来越有利于环境和生活的汽车新技术会不断研发和应用,当然,汽车离合器技术也不例外,它的发展趋势和市场前景必然是很好的。
参考文献
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致谢
时光的流逝也许是客观的,然而流逝的快慢却纯是一种主观的感受。
当自己终于可以从工作、毕业论文的压力下解脱出来,长长地吁出一口气时,我忽然间才意识到,原来三年已经过去,到了该告别的时候了。
一念至此,竟有些恍惚,所谓白驹过隙、百代过客云云,想来便是这般惆怅了。
可是怅然之后,总要说些什么。
我在这里首先要感谢的是我的毕业论文指导老师。
这篇毕业论文从开题、资料查找、修改到最后定稿,如果没有老师的心血,尚不知以何等面目出现。
我很自豪有这样一位老师,指导老师值得我感激和尊敬。
感谢和我共度三年美好大学生活的所有授课老师和全体同学,你们使我终身受益。
感谢所有关心、鼓励和支持我的亲人和朋友。
谢谢你们!
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