彈簧鋼球式單向離合器在制動(dòng)器中的應(yīng)用

張文剛　陳天明

【摘 要】分析了主動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)在制動(dòng)器中經(jīng)常調(diào)整力矩上升的主要原因，造成撥動(dòng)機(jī)構(gòu)早期磨損。提出了這一解決辦法，即在分離軸上安裝彈簧鋼球式單向離合器，并經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)論證了這一方法的可行性，在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用推廣。

【關(guān)鍵詞】最大轉(zhuǎn)矩；彈簧鋼球式單向離合；早期磨損

0.前言

盤(pán)式制動(dòng)器在只用過(guò)程中，隨著剎車(chē)片的磨損，制動(dòng)盤(pán)與剎車(chē)片的間隙會(huì)不斷擴(kuò)大，盤(pán)式制動(dòng)器內(nèi)部有一套主動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)可以自動(dòng)單向調(diào)整間隙，使制動(dòng)間隙保持在設(shè)計(jì)理想狀態(tài)。原始設(shè)計(jì)通過(guò)彈簧壓緊，靠分離座與分離軸的平面摩擦提供轉(zhuǎn)矩，起到調(diào)整間隙作用。在實(shí)際使用中經(jīng)常會(huì)由于平面度不夠及表面光潔度不夠造成兩者咬傷，使轉(zhuǎn)矩急劇上升，在調(diào)整過(guò)程中使間隙撥叉機(jī)構(gòu)受力加大，造成間隙撥叉早期磨損。

彈簧鋼球式單向離合器用于精確限定傳遞的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)某一限定值時(shí)，即起分離保護(hù)作用。當(dāng)傳遞的扭矩未超限定值時(shí)，由于單向軸承作用，其作用相當(dāng)于聯(lián)軸器。原設(shè)計(jì)屬摩擦片式離合器，由于相關(guān)件制造精度及摩擦系數(shù)穩(wěn)定性影響，動(dòng)作精度也不搞，通常由于過(guò)載時(shí)，分離軸與分離座易發(fā)熱影響摩擦性能與強(qiáng)度，效果不佳。只有鋼球式離合器在使用中能精確傳遞扭矩并及時(shí)起作用，起到保護(hù)間隙撥叉作用。

1.彈簧鋼球式離合器作用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1彈簧鋼球式單向離合器的作用

（1）可限定最大轉(zhuǎn)矩。

（2）提高總成件的質(zhì)量。

（3）減少間隙撥叉機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩。

（4）提高生產(chǎn)效率。

1.2彈簧鋼球式離合器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）最大轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要與實(shí)際使用轉(zhuǎn)矩匹配，主動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩要大于總成件自身相關(guān)件轉(zhuǎn)矩。

（2）最大轉(zhuǎn)矩要恒定。

（3）分離軸、分離座要耐磨并保持表面一定合適硬度。

2.彈簧鋼球式單向離合器工作原理

圖1所示為彈簧鋼球式單向離合器，端面有球窩的分離軸（3）制成圓筒形式，其外徑有單向軸承（4），可在軸（1）上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。制成殼體形式的另一半分離座（6），在軸向孔內(nèi)放置強(qiáng)力彈簧（7）和鋼球（5），彈簧（7）將鋼球（5）壓入分離軸的球窩內(nèi)，并用螺母（9）通過(guò)止動(dòng)墊片（8）調(diào)節(jié)壓緊彈簧力，螺母（11）承受軸向推力，分離軸（9）通過(guò)翻邊軸承（2）與軸（1）聯(lián)接。

圖1 彈簧鋼球式安全離合器

由于分離座內(nèi)的強(qiáng)力彈簧將鋼球壓入分離軸的球窩內(nèi)，當(dāng)單向軸承受間隙撥叉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼球（5）受到沿球窩垂直方向的作用力。同時(shí)，它還受到與工作球窩面間的摩擦力的作用，兩個(gè)力的合力可分解為沿軸線方向的作用力F1和沿切線方向的力F2。鋼球（5）將沿切線方向的力F2傳遞給分離座（9），并以轉(zhuǎn)矩的方式通過(guò)單向軸承（4）傳遞到輸出軸（1）上。沿軸線方向的力F1通過(guò)分離座（6）傳遞到壓縮彈簧（7）上。

調(diào)節(jié)螺母（9）調(diào)定強(qiáng)力彈簧（7）的壓緊力后，當(dāng)輸出軸（1）所受負(fù)載較小時(shí)，F(xiàn)1小于或等于彈簧（7）的壓緊力，彈簧（7）不再產(chǎn)生壓縮變形，鋼球（5）仍被壓在分離軸（3）的球窩內(nèi)，單向離合器的作用相當(dāng)于聯(lián)軸器；當(dāng)輸出軸（1）所受負(fù)載大于限定值時(shí)，F(xiàn)1大于彈簧（7）的壓緊力，彈簧（7）產(chǎn)生壓縮變形，鋼球（5）與分離軸（3）脫開(kāi)，安全離合器即起保護(hù)分離作用。這時(shí)，分離軸（3）空轉(zhuǎn)，軸（1）則不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)軸（1）所受負(fù)載減小至限定值以下時(shí)，彈簧（7）將鋼球（5）又壓入分離軸（3）的球窩內(nèi)，單向離合器自動(dòng)恢復(fù)聯(lián)軸器的作用，軸（1）恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)螺母（11）只是起微調(diào)作用，調(diào)節(jié)范圍很小。

3.彈簧鋼球式單向離合器設(shè)計(jì)

3.1單向離合器的受力分析

單向離合器的設(shè)計(jì)常以計(jì)算轉(zhuǎn)矩為極限轉(zhuǎn)矩，即：

3.2彈簧的設(shè)計(jì)

制動(dòng)器在動(dòng)作過(guò)程時(shí)，彈簧處在變應(yīng)力條件下，其性能和使用壽命很大程度上取決于材料的選擇，要求材料有較高的疲勞極限、屈服極限和足夠的沖擊韌性。一般采用碳素彈簧鋼絲或50GVA彈簧鋼絲。設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮：

（1）螺旋角γ。以彈簧工作變形量在全變形量的40%～65%內(nèi)選取彈簧的螺旋角，推薦γ=5°～9°。

（2）彈簧有效圈數(shù)n。彈簧壓力一定，圈數(shù)越多，剛度越小，安裝誤差就越小。

但彈簧越長(zhǎng)，分離座的軸向尺寸越大，不利于結(jié)構(gòu)布置。所以，綜合考量一般取n=2-3圈。

4.單向離合器的性能評(píng)價(jià)

單向離合器的性能可用靈敏度系數(shù)和動(dòng)作時(shí)間表示。

4.1靈敏度系數(shù)γe

式中：T0——因過(guò)載單向離合器起作用時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩；Tj——因過(guò)載單向離合器起作用時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩（極限轉(zhuǎn)矩）。

γe值越接近1，靈敏度越高，離合器動(dòng)作越迅速。

4.2動(dòng)作時(shí)間t

為過(guò)載時(shí)離合器開(kāi)始動(dòng)作到脫開(kāi)打滑所經(jīng)歷的時(shí)間。時(shí)間越短，離合器動(dòng)作越快，受保護(hù)機(jī)械越安全。

表1 安全離合器性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)樣品的動(dòng)力為輸出氣壓0.3Mpa，其相應(yīng)半徑內(nèi)轉(zhuǎn)矩為8N.m，設(shè)計(jì)過(guò)載系數(shù)1.4，極限輸出轉(zhuǎn)矩

11.2 N.m，離合器脫開(kāi)極限轉(zhuǎn)矩為11.3N.m，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

5.結(jié)束語(yǔ)

彈簧鋼球式單向離合器對(duì)轉(zhuǎn)矩變化反應(yīng)靈敏度高，動(dòng)作準(zhǔn)確、迅速；精度高，工作可靠。能夠有效地控制輸出轉(zhuǎn)矩，保證過(guò)載時(shí)能及時(shí)脫開(kāi)，保護(hù)調(diào)整機(jī)構(gòu)機(jī)械部件，減少早期磨損，又能自動(dòng)恢復(fù)工作，現(xiàn)已正式小批量投產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馮辛安主編.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]王超主編.機(jī)械可靠性工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[3]葉柏林等編著.模具制造工藝[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1988.