外星輪滾柱式超越離合器的設(shè)計(jì)

陳懷剛，梁興江，李慎華，趙圣卿

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

符號(hào)說(shuō)明

b——滾柱長(zhǎng)度，mm

C——滾柱與工作面的接觸點(diǎn)到離合器軸心線間的距離，mm

d——滾柱直徑，mm

D——內(nèi)環(huán)直徑，mm

Ev——當(dāng)量彈性模量，MPa

FA——外星輪對(duì)滾柱的摩擦力，N

FB——內(nèi)環(huán)對(duì)滾柱的摩擦力，N

FT——彈簧壓緊力，N

K1——與原動(dòng)機(jī)類型有關(guān)的動(dòng)載荷系數(shù)

K2——與工作機(jī)類型有關(guān)的動(dòng)載荷系數(shù)

K3——精度系數(shù)

L——滾柱中心到離合器中心間的距離，mm

m——滾柱質(zhì)量，kg

n——離合器轉(zhuǎn)速，r/min

NA——外星輪對(duì)滾柱的正壓力，N

NB——內(nèi)環(huán)對(duì)滾柱的正壓力，N

RA——外星輪對(duì)滾柱的合力，N

RB——內(nèi)環(huán)對(duì)滾柱的合力，N

Tc——離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·mm

Tt——離合器需要傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·mm

z——滾柱數(shù)

μA，μB——滾柱與外星輪、內(nèi)環(huán)間的靜摩擦系數(shù)

α——接觸角，(°)

υ——外楔角，(°)

ω——內(nèi)楔角，(°)

ρv——滾柱與外星輪接觸點(diǎn)的當(dāng)量半徑，mm

σH——接觸應(yīng)力，MPa

[σH]——許用接觸應(yīng)力，MPa

外星輪滾柱式超越離合器是一種通過(guò)主、從動(dòng)部分相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換能自動(dòng)接合或脫開的離合器。這種離合器僅在一個(gè)方向上輸入傳遞扭矩，而當(dāng)輸入方向相反或者在傳動(dòng)方向上輸出端轉(zhuǎn)速超過(guò)輸入端轉(zhuǎn)速時(shí)，則自動(dòng)脫開。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

外星輪滾柱式超越離合器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外星輪、內(nèi)環(huán)、滾柱、保持架和彈簧等零件構(gòu)成，依靠滾柱的楔緊作用傳遞扭矩。為了獲得楔形間隙，實(shí)現(xiàn)夾緊或放松滾柱，以達(dá)到離合器接合或松脫的目的，外星輪的工作面通常情況下為3個(gè)軸向平面，另外，工作表面也有對(duì)數(shù)螺旋面和偏心圓弧面等不同形式。其中，平面形式的外星輪工作面容易加工，但楔角隨滾柱和平面的磨損會(huì)發(fā)生變化，此形式的離合器使用壽命不長(zhǎng)；對(duì)數(shù)螺旋面的楔角為常數(shù)，不隨磨損而變化，此形式的離合器工作性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng) ，但加工困難；偏心圓弧面的加工難易程度和使用壽命則在前兩種形式之間，此形式的離合器使用壽命比平面形式的高3～3.5倍。但若在平面形式的工作面上鑲嵌硬質(zhì)合金塊，則其耐磨性會(huì)顯著提高[1]。圖1所示的外星輪工作面為偏心圓弧面形式。

如圖1所示 ，外星輪上具有與滾柱數(shù)目相同的型腔，滾柱通過(guò)保持架定位，保持架則通過(guò)外星輪型腔定位，在彈簧的作用下，滾柱滑至外星輪型腔中的工作面上，當(dāng)在內(nèi)環(huán)上施加轉(zhuǎn)矩時(shí)，滾柱就被楔入內(nèi)環(huán)和外星輪工作面之間，同時(shí)閉鎖這些零件來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，離合器處于自鎖狀態(tài)。這些滾柱的楔入僅在主動(dòng)元件(內(nèi)環(huán))試圖比從動(dòng)元件(外星輪)轉(zhuǎn)動(dòng)得快時(shí)才出現(xiàn)；而當(dāng)從動(dòng)元件試圖比主動(dòng)元件轉(zhuǎn)動(dòng)得快時(shí)，滾柱就從楔住狀態(tài)脫開，并在外星輪和內(nèi)環(huán)的滑動(dòng)面上滾動(dòng)或滑動(dòng)，此時(shí)外星輪與內(nèi)環(huán)脫開，離合器處于超越狀態(tài)[2]。

1—外星輪(從動(dòng)元件)；2—內(nèi)環(huán)(主動(dòng)元件)；3—彈簧；4—滾柱；5—保持架

2 接觸角的選取

接觸角是超越離合器的重要參數(shù)之一，對(duì)超越離合器的工作性能有顯著影響。因此，實(shí)現(xiàn)外星輪滾柱式超越離合器正常工作的關(guān)鍵是選擇恰當(dāng)?shù)慕佑|角α。

2.1 受力分析

當(dāng)內(nèi)環(huán)受逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)矩或外星輪受順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)矩時(shí)，滾柱被楔入內(nèi)環(huán)和外星輪工作面之間，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，滾柱處于平衡狀態(tài)。下面以滾柱為分析對(duì)象，其受力情況[3]如圖2所示。

圖2 滾柱受力分析圖

滾柱與外星輪的接觸點(diǎn)A處，滾柱受正壓力NA，方向由A指向滾柱中心點(diǎn)O；外星輪對(duì)滾柱的摩擦力FA，方向沿A點(diǎn)的切線向左；兩者的合力為RA，方向沿AB的連線由A指向B。

滾柱與內(nèi)環(huán)相接觸點(diǎn)B處，滾柱受正壓力NB，方向由B指向滾柱中心點(diǎn)O；內(nèi)環(huán)對(duì)滾柱的摩擦力FB，方向沿B點(diǎn)的切線向左；兩者的合力為RB，方向沿AB的連線由B指向A。

彈簧壓緊力FT及彈簧對(duì)其產(chǎn)生的摩擦力很小，為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略不計(jì)。此時(shí)，滾柱處于平衡狀態(tài)，由平衡條件得

(1)

滾柱所受摩擦力為

FA=NAtanυ，

(2)

FB=NBtanω。

(3)

接觸角為

α=υ+ω。

(4)

如圖2所示，在△AOB中，由于OA=OB=d/2，則υ=ω，即該類型超越離合器的內(nèi)、外楔角相等，且為其接觸角的一半，故FA=FB,NA=NB。

2.2 自鎖條件的確定

若要離合器達(dá)到自鎖，必須使?jié)L柱與外星輪和內(nèi)環(huán)之間的實(shí)際摩擦力FA，F(xiàn)B不大于滾柱與外星輪和內(nèi)環(huán)之間的最大靜摩擦力，即

FA≤μANA，

(5)

FB≤μBNB，

(6)

化簡(jiǎn)可得

α=υ+ω≤arctanμA+arctanμB。

(7)

通常情況下，由于外星輪、滾柱、內(nèi)環(huán)的材料、表面硬度和表面粗糙度基本相同，所以μA=μB，則該類型離合器的自鎖條件為

α≤2arctanμA。

(8)

2.3 接觸角的選取

通常，本類型超越離合器的外星輪、滾柱和內(nèi)環(huán)的材料都為GCr15，鋼-鋼之間的靜摩擦系數(shù)一般取0.10～0.15，則α≤11°20′～17°4′。若α角太大，滾柱不易鎖緊；若α角太小，則承受轉(zhuǎn)矩時(shí)接觸應(yīng)力較大，自鎖后再轉(zhuǎn)為超越狀態(tài)時(shí)，滾柱不易脫開。

對(duì)于工作面為平面的外星輪，一般可取α=6°～8°(設(shè)計(jì)時(shí)一般取7°)；而工作面為偏心圓弧面或?qū)?shù)螺旋面的外星輪，由于滾柱磨損等因素對(duì)α的影響不大，可取α=10°～12°，α的試驗(yàn)極限值約為14°～17°[4]。

3 其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

在符合結(jié)構(gòu)需要的條件下，超越離合器各組件的尺寸應(yīng)盡可能小，既能減輕質(zhì)量、降低成本，又可以相應(yīng)地減小離心力的影響。一般選取原則如下：滾柱數(shù)取z=3～6，有需要時(shí)也可取z=8～12，滾柱長(zhǎng)度和直徑的比值取b/d=1.5～3；內(nèi)環(huán)直徑和滾柱直徑的比值取D/d=7～9。表1列出了各種用途超越離合器的z，D/d及b/d值。

表1 z，D/d及b/d值

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩

離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為

Tc=K3(K1+K2)Tt，

(9)

式中：K1，K2值的選取分別見表2、表3；考慮到零件加工精度對(duì)滾柱間載荷分布不均勻的影響，外星輪工作面為平面時(shí)K3=1.10～1.50；為偏心圓弧面或?qū)?shù)螺旋面時(shí)K3=1.0～1.25。

表2 系數(shù)K1的取值

表3 系數(shù)K2的取值

4.2 接觸強(qiáng)度計(jì)算

若不考慮彈簧壓緊力及滾動(dòng)摩擦力，則滾柱與外星輪接觸點(diǎn)的正壓力為[5]

(10)

式中：一般情況下μA=0.1。

接觸應(yīng)力可用Hertz接觸理論的線接觸應(yīng)力基本公式計(jì)算[5]，即

(11)

表4 許用接觸應(yīng)力

4.3 彈簧壓緊力

彈簧壓緊力通過(guò)滾柱中心，為保證滾柱與外星輪接觸，應(yīng)克服離心力產(chǎn)生的摩擦力，所以彈簧壓緊力需滿足[5]

(12)

4.4 滾柱與工作面的接觸點(diǎn)到離合器軸心線間的距離

滾柱與工作面的接觸點(diǎn)到離合器軸心線間的距離C為離合器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)它可以確定滾柱和外星輪的接觸點(diǎn)位置。C值由下式得到

C=(D+d)/2cosα+d/2 。

(13)

5 設(shè)計(jì)舉例

具體的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如圖3所示。

圖3 計(jì)算流程圖

某種場(chǎng)合用超越離合器的設(shè)計(jì)要求如下：工作最高轉(zhuǎn)速n=16 000 r/min，傳遞最大轉(zhuǎn)矩Tt=40 N·m，離合器需要楔緊的次數(shù)為106次，Ev=206 GPa，安裝空間尺寸為Φ25 mm×Φ42 mm×16 mm。

現(xiàn)根據(jù)要求設(shè)計(jì)了一個(gè)外星輪滾柱式超越離合器，其工作面為偏心圓弧面，α=10°，D=30 mm，d=4 mm，b=12 mm，z=12。由(9)～(11)式分別得Tc=88.8 N·m，NA=4 933.3 N，σH=2 532.2 MPa。由于離合器需要楔緊的次數(shù)為106，由表4知[σH]=3 041～3 247 MPa，可知σH≤[σH]，所以選取的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。將結(jié)構(gòu)參數(shù)代入(11)～(12)式，得FT=2.85 N，C=18.742 mm。

6 結(jié)束語(yǔ)

給出了外星輪滾柱式超越離合器的一般設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量考慮離合器的徑向尺寸，特別是高速條件下，較小的徑向尺寸可減小離心力的影響。還要考慮主要零件的材料，應(yīng)使主要零件結(jié)合面具有較高的硬度和耐磨性，心部具有一定的韌性，能夠承受沖擊而避免碎裂。為避免打滑，應(yīng)保證彈簧及外星輪有足夠的剛度。