航空傳動系統(tǒng)超越離合器設計

【摘要】航空超越離合器是傳動系統(tǒng)的關鍵部件，本文對滾柱式超越離合器的工作原理進行了分析，闡述了滾柱式超越離合器設計的兩個階段，以多年以來滾柱式超越離合器使用經驗為基礎，建立了較完整的離合器設計計算方法。

【關鍵詞】航空傳動系統(tǒng)；離合器；設計

1、引言

超越離合器是一種靠主、從動部分的相對運動速度變化或旋轉方向的變換能自動接合或脫開的離合器。超越離合器僅在一個方向上輸入傳遞扭矩，當輸入方向相反或者在傳動方向上輸出端轉速超過輸入端轉速時就自動脫開。

超越離合器按其工作原理可分為棘爪式和摩擦式兩類，摩擦式超越離合器又分為三種：滾柱式超越離合器、斜撐式超越離合器和彈簧式超越離合器，其中滾柱式超越離合器和斜撐式超越離合器在直升機傳動系統(tǒng)中得到廣泛應用，彈簧式超越離合器應用較少。本文主要針對滾柱式超越離合器的設計及應用展開研究。

2、滾柱式超越離合器的工作原理

滾柱式超越離合器靠楔緊作用傳遞扭矩?；镜臐L柱式超越離合器包括：凸輪軸、一套滾子、保持架、彈簧和外套圈。

凸輪軸截面是等邊的多邊形，邊的個數(shù)與滾子數(shù)相等。滾子在保持架的作用下限位在凸輪上，保持架靠一彈簧/銷機構限位，以使?jié)L子與凸輪和外套圈都接觸。凸輪軸為主動輪，當其轉速高于外套圈時，滾子被楔緊在小平面與外套圈之間，從而帶動外套圈一同旋轉，離合器處于接合狀態(tài)；當外套圈轉速高于離合器軸時，滾子從楔緊位置脫開，離合器處于脫開狀態(tài)。

3、滾柱式超越離合器的設計方法

3.1滾柱式超越離合器設計的兩個階段

滾柱式超越離合器設計包括結構設計階段和試驗驗證階段。

超越離合器應該設計成盡可能小的單元件，符合結構要求。這樣做的主要目的是能夠降低重量和成本，同時通過減小尺寸進而減小離心的影響和節(jié)圓線速度的影響。工作中，發(fā)動機運轉時凸輪軸是鎖定的。鎖定位置的應力實際上是穩(wěn)定的，只隨著功率和轉速的變化而變化。因此，在設計時不需要考慮高周疲勞，但需考慮低周疲勞。

離合器的研制試驗包括性能試驗、靜扭試驗和疲勞試驗。性能試驗考核離合器接合、脫開性能及結構完整性，靜扭試驗考核離合器靜強度，疲勞試驗考核離合器持久超越工作性能及確定離合器磨損特性。

3.2滾柱式超越離合器設計方法

3.2.1初步確定尺寸。在論述初選尺寸方法之前，需確定與離合器設計和分析相關的參數(shù)：

L=離合器滾子長度，mm；n-離合器滾子數(shù)量；R-外軸孔的半徑，mm；T-離合器設計扭矩，N·m；ρ- 滾子半徑，mm。

滾柱式超越離合器最佳滾子數(shù)量是12或14。最佳滾子數(shù)目應與設計和制造凸輪的尺寸和幾何因素相適應，通常宜采用最大滾子數(shù)目，因為這樣可以減少離合器應力，離合器更緊湊。滾子數(shù)量確定后，根據公式（1）初步確定滾子半徑：

（1）

3.2.2滾子接觸角分析。合理選擇內接觸角是滾柱離合器正常工作的關鍵。咬入角一半的正切值必須小于滾子和凸輪軸之間的摩擦系數(shù)。如果咬入角一半的正切值大于摩擦系數(shù)，滾子不能正確楔入，會“吐出”，就阻礙了扭矩的傳遞。通常初始無載荷嚙合角在3°到5°之間，全載荷嚙合角在5°到6°之間。

3.2.3保持架的抗扭矩設計。當滾柱離合器超越時，作用在滾子上有兩個基本阻力，如圖1所示。扭矩阻力是滾子轉過外套圈上的油膜時由滾動摩擦和粘滯摩擦引起的。滾動阻力是滾子離心力的函數(shù)，離心力隨凸輪軸轉速的增加而增大；而粘滯阻力是凸輪軸和外套圈轉速之差的函數(shù)。

根據哪個是傳動元件和哪個元件是超越元件，無論在同速條件下還是在差速條件下，都可能存在粘滯阻力和滾動阻力的最大值。例如，如果凸輪軸是主動元件，在凸輪軸轉速最大時滾動阻力最大，粘滯摩擦最小。如果外套圈是主動元件，在全速超越時由于凸輪軸全速運轉而外套圈不轉，粘滯摩擦和滾動阻力都是最大值。

在滾柱離合器中，一般通過彈簧-銷組件施加給滾柱保持架一個力矩以克服由超越滾柱所產生的摩擦阻力。在所有的工作條件下，最小的銷子和彈簧合力必須超過粘滯阻力與滾動阻力，以達到減少磨損與使得離合器接合平穩(wěn)。

3.2.4外套圈設計方法。滾柱離合器外套圈應設計成能承受住由滾子處法向載荷引起的作用在外套圈內孔上的圓周應力。超越期間，滾子在外套圈上滾動，如果凸輪軸旋轉，則產生作用在外套圈上的離心力場。因離合器驅動時赫茲應力高，所以外套圈材料需進行硬化處理以獲得高硬度表面。

外套圈上通常設置一個滑油擋板來保證滾子和外套圈間潤滑良好，擋板的高度控制外套圈內孔中油面。即使在相對低的轉速下，由于離心力對滑油的作用，滑油擋板也會提供一個與旋轉軸線平行的油面。在超轉時，滾子必須費力穿過滑油，因而最好不要有過于高的油面；而滑油擋板太低不能提供充分的潤滑。外套圈轉速與滑油擋板高度的關系見圖2。

外套圈本身是“開式”結構，既通常一端以滑油擋板終止，另一端與扭矩傳動鏈相連。這種結構導致其自身沿滾子長度的變形不相等，常稱為“喇叭口”。為減小“喇叭口”的影響并保持沿滾子長度徑向變形均衡，外套圈橫截面一般是變化的，不同的橫截面將補償不等的徑向變形。

3.2.5凸輪軸設計方法

凸輪軸的功能與外套圈相似，它必須承受如同外套圈一樣具有n個均等負載的滾柱法向載荷，但凸輪軸基本上是受壓縮，而外套圈基本上是受拉伸。

理論上在外套圈內滾柱是純滾動，在凸輪軸上滾動是純滑動，這種純滑動對于磨損來說是更為惡劣的環(huán)境，凸輪軸與滾柱之間的接觸應力比外套圈與滾柱之間的接觸應力要高，因而凸輪軸比外套圈更需要堅硬的表面。

凸輪軸內腔常用來為離合器的滾動區(qū)域提供潤滑油，當凸輪軸為輸出元件時，在凸輪軸一直正常旋轉的情況下，就能夠通過離心力作用供油，一般的習慣是每個滾柱至少設置一個潤滑孔。如果轉速高，即超過10000r/min.定量潤滑可能變成為一個問題，由于孔的位置公差等原因，容易使某一特定區(qū)域缺油。因而在高速條件下，潤滑設計更為關鍵。

3.2.6“彈簧/銷機構”設計方法

為了斜面滾柱離合器正常工作，另一個重要的考慮因素是銷/彈簧機構的設計，它使?jié)L子保持著一直與外接觸。不合適的結構設計會引起銷卡住，既會阻礙離合器在適當?shù)臅r候嚙合又會阻礙離合器在適當?shù)臅r候脫開。在設計銷和彈簧的時候，必須將摩擦力和離心力計算在內。

為保證高速下的平衡，一般在相隔180°的位置上各設置一個“彈簧/銷”組件。即使在低速下也必須考慮銷子和彈簧離心力的影響，不合適的設計可以引起差速超越期間保持架卸載，從而可能導致離合器沖擊接合。銷子一般制成空心，可以減少銷的重量并使重心移動，從而減小摩擦的影響。

3.2.7保持架設計

保持架的作用是把滾子安放在適當?shù)奈恢?，以便全部滾子與凸輪軸和外套圈接觸，借助于“彈簧/銷”機構施加給保持架的微小扭矩，最大限度迫使其中一個滾子與凸輪軸和外套圈接觸，由于公差的緣故，并非所有的滾柱同時都接觸上。在載荷作用下，零件的變形將迫使全部滾子進入完全接觸，超越一段時間后，滾子、保持架和凸輪平面都會磨損使所有滾子在同一時刻精確接觸。

滾柱離合器一般采用偶數(shù)滾柱，以便保持架上的滾柱槽可以采用拉削或其他方法加工。保持架所受到的主要機械損傷時在滾柱槽側面的磨損、支撐襯套表面的磨損以及銷子碰撞保持架止動擋的磨損。保持架一定要由凸輪軸來支撐，通常在保持架和凸輪軸之間采用一個中間元件。

保持架的一端具有凸耳，且該凸耳設計有能在工作期間與銷子垂直的平面，這個平面作為銷子和彈簧組件的終止擋。用作限位擋的單獨凸耳位于銷子法向載荷方向的對應方向，這種限位擋在正常情況下不起作用，而僅僅在裝配開始期間起作用。當轉動保持架，使保持架上的限位擋靠著凸輪上的止動擋時，滾柱對準凸輪上的凹槽中心。

4、結論

本文針對滾柱式超越離合器的工作特點進行研究，總結了超越離合器的工作原理及性能影響因素，建立了較完整的離合器設計計算方法。

近年來，隨著航空技術的發(fā)展，超越離合器的設計更加要求轉速高、外形小、重量輕、制造成本低。根據本文中的設計方法可以設計出更多、形式更為靈活的結構，以適用于不同設計需求。