4 膜片弹簧设计
4.1 膜片弹簧的概念及弹性特性
膜片弹簧的大端处为一完整的截锥，类似无底的碟子，和一般机械上用的碟形弹簧一样，故称作跌黄部分。膜片弹簧起弹性作用的正是其跌黄部分。与碟形弹簧不同的是在膜片弹簧上还有径向开槽部分，形成许多称为分离指、起分离杠杆作用的弹性杠杆。分离指与碟簧部分小端交接处的径向槽较宽且呈长方孔，分离指根部的过度圆角半径大于4.5mm,以减小分离指根部的应力集中，长方孔又可用来安置销钉固定膜片弹簧。
通过支撑环和压盘加在膜片弹簧上的载荷P1(N)集中在支撑点处，加载点间的相对轴向变形?1(mm)(图4-1)，则膜片弹簧的弹性特性如下式表示：
??Eh?1?ln(R/r)F1?f(?1)??2?2?61???(R1?r1)??1R?r?H????R1?r1?????R?r??H?1??2R1?r1????2??h?????? (4-1)
式中 E—材料的弹性模量(Mpa),对于钢：E?2.1?105Mpa ?—材料的泊松比，对于钢：??0.3
H—膜片弹簧自由状态下跌黄部分的内截锥高度(mm) h—膜片弹簧钢板厚度(mm)
R、r—自由状态下碟簧部分大、小端半径(mm) R1、r1—压盘加载点和支撑环加载点半径(mm)
自由状态 结合状态 分离状态
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图4-1 膜片弹簧在离合器结合和分离状态下的受力和变形 膜片弹簧的弹性特性由其碟簧部分所决定，是非线性的，与自由状态下碟簧部分的内截锥高H及弹簧的钢板厚h有关。不同的H/h值有不同的弹性特性(图4-2)，当(H/h)?2时，P1?f(?1)为增函数，这种弹簧的刚度适于承受大载并用做缓冲装置中的行程限制。当H/h?2时，P1?f(?1)有一极值，该极值点恰为拐点；当2?(H/h）?22时，则特性曲线中有一段负刚度区域，即变形增加而载荷反而减小。这种特性很适于作为离合器的压紧弹簧。因为可利用其负刚度区域使分离离合器时载荷下降，达到操纵省力的目的。当然，负刚度也不宜过大，以免弹簧工作位置略微变动就引起弹簧压紧力过大的变化。为兼顾操纵轻便及压紧力变化不大，汽车离合器膜片弹簧通常取在1.5~2.0之间。当
H/h?22,侧特性曲线具有更大的负刚度区且具有载荷为负值的区域，这种弹
簧适于汽车液力传动的锁止机构。
图4-2 膜片弹簧的弹性特性
4.2 膜片弹簧基本参数选择 4.2.1 H/h的选择
设计膜片弹簧时，要利用其非线性的弹性变形规律，因此要正确选择其特性曲线的形状，以获得最佳的使用性能。一般汽车膜片弹簧的H/h值在如下范围之内：H/h=1.5~2.0。
常用的膜片弹簧板厚为2～4mm，本设计取Hh?2 ，h=3mm ，则H=6mm 。
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4.2.2 R/r选择
通过分析表明，R/r越小，应力越高，弹簧越硬，弹性曲线受直径误差影响越大。汽车离合器膜片弹簧根据结构布置和压紧力的要求，R/r常在1.2～1.3 的范围内取值。本设计中取Rr?1.25，摩擦片的平均半径Rc?r?Rc 取r?94D?d4?93.75mm，
mm则R?117.5mm取整R?118mm 则Rr?1.255。
4.2.3 圆锥底角
汽车膜片弹簧在自由状态时，圆锥底角α一般在9~15°范围内，本设计中
??arctanH?R?r??H?R?r? 得??14.32°在9~15°之间，合格。分离指数
常取为18，大尺寸膜片弹簧有取24的，对于小尺寸膜片弹簧，也有取12的，本设计所取分离指数为18。 4.2.4 切槽宽度
取?1?3mm，?2?10mm，re应满足r?re??2?2?9~10mm，?1?3.2~3.5mm，的要求。取re=78.5mm
4.4.5 压盘加载点半径R1和支承环加载点半径r1的确定
r1应略大于且尽量接近r，R1应略小于R且尽量接近R。本设计取R1?116mm，
r1?96mm。膜片弹簧应用优质高精度钢板制成，其碟簧部分的尺寸精度要高。国
内常用的碟簧材料的为60SizMnA，当量应力可取为1600～1700N/mm2。 4.2.6 膜片弹簧小端半径rf及分离轴承作用半径rp
rf值主要由结构决定，其最小值应大于变速器第一轴花键的外径以便安装。分离轴承作用半径rp大于rf。
4.2.7 支承环作用半径L和膜片弹簧与压盘接触半径l
拉式膜片弹簧离合器的支承作用靠外，与压盘的接触半径靠里。L值应尽量接近r而略大于r，L应接近R而小于R。 根据以上分析可列出以下数据：
H=6mm h=3mm R=118mm r=94mm R1=116mm
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r1=96mm ?1=3.3mm ?2?10mm re=57.5mm n?18
4.3 膜片弹簧优化设计
1）为了满足离合器使用性能的要求，弹簧的Hh与初始锥角??H?R?r?应在一定范围内，即
1.6?Hh?2?2.2
9???H?R?r??14.32?15
2）弹簧各部分有关尺寸的比值应符合一定的范围，即
1.20?Rr?1.255?1.35 70?2Rh?78.67?100
3）为了使摩擦片上的压紧力分布比较均匀，推式膜片弹簧的压盘加载点半径R1（或拉式膜片弹簧的压盘加载点半径r1）应位于摩擦片的平均半径与外半径之间，即
拉式： (D?d)/4?93.75?r1?94?D/2?112.5
4）根据弹簧结构布置要求，R1与R，rf与r0之差应在一定范围内选取，即
1?R?R1?2?6 0?r1?r?2?6
0?rf?r0?4
5）膜片弹簧的分离指起分离杠杆的作用，，因此杠杆比应在一定范围内选取，即
拉式： 3.5?R1?rfR1?r1?9.0
由以上式子可求得 rf?34mm，r0?32mm。 结合膜片弹簧的基本参数可列出表4-1：
表4-1 膜片弹簧的系列参数
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H=6mm R1=116mm re=57.5mm h=3mm r1=96mm R=118mm ?1=3.3mm rf=32mm r=94mm ?2?10mmrp=34mm n?18
4.4 膜片弹簧的工作点位置确定及强度校核 4.4.1确定膜片弹簧的工作点位置 将表4-1中参数带入式4-1可得
F1?f??1??148.37?1?2225.56?1?9273.15?1 （4-2）
32 对（4-2）式求一次导数，可解出λ1=F1的凹凸点，求二次导数可得拐点。
凸点：?1?2.96mm时，F1?11796.93N 凹点：?1?7.04mm时，F1?6748.98N 拐点：?1?5mm时，F1?9273N
当离合器分离时，膜片弹簧加载点发生变化。设分离轴承对膜片弹簧指所加的载荷为F2，对应此载荷作用点的变形为λ2。由 F2?R1?r1r1?rf?F1?0.32F1 （4-3）
?2?r1?rfR1?r1?3.1?1 （4-4）
列出表4-2
表4-2 膜片弹簧工作点的数据
?1 2.96 9.18 11796.93 3775.02 7.04 2.182 6748.98 2159.67 5 15.5 9273 2967.36 ?2 F1 F2 从膜片弹簧的弹性特性曲线图分析出（见图4-3），该曲线的拐点H对应着膜片弹簧压平位置，而?1H???1M??1N?2。新离合器在接合状态时，膜片弹簧
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