一種滾柱式超越離合器的改進設計

朱勝李萍井江

（湖北三江航天萬山特種車輛有限公司 地面裝備研究所，孝感 432000）

一種滾柱式超越離合器的改進設計

朱勝李萍井江

（湖北三江航天萬山特種車輛有限公司 地面裝備研究所，孝感 432000）

針對滾柱式超越離合器結構存在缺陷，導致傳動軸運轉過程中受到沖擊導致十字軸斷裂的故障，通過對超越離合器的結構進行詳細的分析，找到了結構所存在的問題，通過對超越離合器進行改進設計，解決了超越離合器彈簧固定不可靠的問題。改進后的結構經過了試驗驗證，保證了超越離合器安全、可靠工作。

滾珠超越離合器設計

1問題提出

滾柱式超越離合器是一種隨速度變化或回轉方向的變換而能自動接合或脫開的離合器，利用滾柱對外環(huán)及星輪同時楔緊作用來傳遞單向運動和扭矩，在機械傳動中廣泛地用作速度轉換裝置、逆轉裝置和間歇運動裝置。在某型專用車車載發(fā)電機組的二檔變速箱中，使用了滾柱式超越離合器，由于該超越離合器的結構缺陷，導致發(fā)電過程中出現(xiàn)傳動軸十字軸斷裂故障。

某型專用車在用戶使用過程中，發(fā)生了車載發(fā)電機組傳動軸十字軸斷裂故障。專用車行車時使用發(fā)電機組發(fā)電過程中，聽到發(fā)電機組出現(xiàn)異響，立即停機、停車進行檢查，經檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機組傳動軸十字軸出現(xiàn)斷裂導致出現(xiàn)異響，發(fā)電機組停止工作。傳動軸斷裂的狀態(tài)如圖1所示。

圖1斷裂的傳動軸

發(fā)電機組的原理是發(fā)電機組從底盤變扭器動力輸出口取力，通過傳動軸一將動力傳遞到分動箱，由分動箱通過傳動軸二將動力傳遞給兩檔變速箱，兩檔變速箱帶動發(fā)電機組，為專用車部件供電。傳動軸二為故障傳動軸。

超越離合器安裝于兩檔變速箱內，發(fā)動機轉速較低時，通過傳感器輸出信號給控制器，控制器給電磁離合器通電，電磁離合器處于吸合狀態(tài)，底盤的動力通過一組齒輪傳遞給發(fā)電機，該組齒輪的傳動比較高，超越離合器內快外慢，出現(xiàn)超越打滑。隨著發(fā)動機轉速提高，高于設置的轉速時，通過傳感器輸出信號給控制器，控制器給電磁離合器斷電，電磁離合器斷電松脫，扭矩因電磁離合器松脫而停止傳遞，此時超越離合器的滾柱在摩擦力和彈簧推力的共同作用下，進入了楔合狀態(tài)。底盤的動力通過另一組齒輪傳遞給發(fā)電機，該組齒輪的傳動比較低。通過兩檔箱的不同傳動比的兩個檔位的切換，來適應底盤行駛過程中發(fā)動機轉速的變化，使得發(fā)電機的轉速保持在一定的范圍內，可以正常工作。

通過對故障的分析，將故障原因定位在二檔變速箱上，將故障車上的兩檔變速箱進行了開蓋檢查，看到的現(xiàn)象為超越離合器的三根彈簧原本應該頂在環(huán)形槽內側面的一端已翹起，伸出到了弧形卡槽外，伸出長度有5mm左右如圖2所示。

圖2超越離合器故障點

彈簧已處于自由狀態(tài)，不起作用。順時針及逆時針盤動輸入軸，超越離合器均處于超越打滑狀態(tài)。超越離合器彈簧失效后，超越離合器滾柱處于失控狀態(tài)，很容易導致超越離合器脫開，出現(xiàn)左右打滑現(xiàn)象。打滑運轉過程中，由于振動會造成滾柱突然進入楔合狀態(tài)，在轉速差很大的情況下，突然啟動轉動，傳動系統(tǒng)將受到轉動慣性的影響（發(fā)電機的飛輪轉動慣量很大），會產生很大的沖擊，沖擊通過齒輪嚙合和法蘭連接傳遞到傳動軸上，在傳動軸最薄弱的部位造成斷裂。

2原結構現(xiàn)狀及故障原因分析

超越離合器的具體結構如圖3～5所示。

圖3超越離合器結構

圖4超越離合器三維

圖5超越離合器實物

16個滾柱處于芯體、保持架和Z6齒輪內圓組成的一個楔形空間內，這個楔形空間一邊是寬松的弧形空間，一邊是狹小的楔形空間。圖示狀態(tài)，如果外圈逆時針轉動速度小于內圈的逆時針轉動速度，則摩擦力將滾柱推向寬松的弧形空間，超越離合器出現(xiàn)超越打滑功能。反之則將滾柱推向楔形的狹小空間，超越離合器出現(xiàn)嚙合功能。同時也可以看出，彈簧的作用是通過推動保持架，將滾柱推向狹小的楔形空間。打滑時，外圈與滾柱的摩擦力克服彈簧的推力，驅動滾柱向寬松空間移動或者有移動趨勢。嚙合時，外圈與滾柱的摩擦力在彈簧的推力的幫助下，一起驅動滾柱向狹小的楔形空間移動，由于沒有空間移動，因此在滾柱、芯體和外圈之間產生了很大的擠壓力，進而產生了更大的摩擦力來帶動內圈與外圈一起轉動。但是，如果彈簧翹曲導致壓縮力不夠或者沒有，則不能起到推動作用，滾柱始終處于寬松空間，將無法建立摩擦體系，則不能實現(xiàn)超越離合器的楔合功能，本應楔合的工況無法楔合，出現(xiàn)的是打滑情景。

圖6超越離合器裝配圖

通過裝配圖6可以看到，超越離合器座的前后均有限位，后端為墊板及軸承定位，前端通過軸套定位。外圈向后的運動靠與超越離合器座接觸的端面限制，而向前的運動只有靠與超越離合器座固定在一起的彈簧壓蓋翻邊限制。彈簧壓蓋為鈑金件，三處翻邊的折彎角度自由公差較大，而且在裝配過程中，由于需要加工裝配彈簧的槽，并且由于零件有加工誤差，有時需要對翻邊的角度進行調整。因此，彈簧壓蓋的翻邊對于外圈的限位是不可靠的，其間隙數(shù)值精度不高，受零件的加工及裝配過程的影響較大。從本次故障件看，間隙數(shù)值達到了2.6～3.3mm。而彈簧的直徑只有5mm，兩檔變速箱運行過程中，外圈產生向前的軸向位移，位移的值已接近彈簧的直徑，在外圈側面摩擦力的作用下，將彈簧的自由端向外帶動一定的距離，使彈簧外翹，然后在隨機的條件下，外圈又向后回位，如果回位的過程較快，彈簧不一定能完全回位。外圈前后運動多次后，使彈簧外翹不斷加劇，并最終翹出卡槽內部。

對出現(xiàn)故障的小超越離合器的狀態(tài)進行了詳細的分析，分析過程中，可以觀察到外圈的軸向位移過大的現(xiàn)象。人為操作使超越離合器外圈處于軸向的前后極限位置，對其軸向位移進行測量，測量結果為外圈相對超越離合器座的軸向位移在2.6～3.3mm范圍內，如圖7～8所示。

圖7超越離合器外圈I

圖8超越離合器外圈II

拆解后發(fā)現(xiàn)，與超越離合器座連接在一起的彈簧壓蓋的翻邊側端面上有碰撞的痕跡，外圈的相應位置處也有碰撞的痕跡。圖9、圖10可以看出碰撞的痕跡是由于外圈相對超越離合器座有較大的軸向移動造成的。

圖9彈簧壓蓋

圖10彈簧壓蓋局部

超越離合器座的凸起處，有長度3～4mm的光亮摩擦痕跡，如圖11所示；外圈對應位置處，也存在寬度為4mm左右，長度3～4mm的光亮摩擦痕跡，寬度與超越離合器座的凸起處寬度4.2mm較吻合，如圖12所示。可以看出，此處摩擦痕跡也是由于超越離合器座與外圈之間有較大的相對軸向位移造成的，摩擦痕跡的長度與測量的軸向位移尺寸相吻合。

通過上述分析，故障定位如下：小超越離合器外圈的軸向定位不可靠，裝配完成后外圈相對超越離合器座軸向間隙過大，造成在超越離合器工作過程中，彈簧會脫出卡槽，不能有效控制滾柱的工作位置和工作狀態(tài)，小超越離合器會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。打滑過程中如果遇到振動，滾柱又會突然進入嚙合狀態(tài)，對傳動系統(tǒng)造成沖擊，使傳動軸所受扭矩突然增大，進而造成傳動軸斷裂。

圖11超越離合器外圈摩擦處

圖12超越離合器座

3結構改進

為解決內外圈軸向定位不可靠及彈簧脫出問題，對彈簧壓蓋的結構進行了改進，由沖壓件改成了機加件，在安裝板的周圈加工有三處凸臺，機械加工的凸臺的下端面安裝后，對外圈進行軸向定位，控制外圈與超越離合器座之間有0.5mm的間隙。凸臺上加工了3×3小立柱，固定彈簧的一端。具體如圖13所示。

對彈簧壓蓋進行改進后，為進一步提高可靠性，防止彈簧脫出，在最上端又增加了一個蓋板，擋在彈簧的外側。該蓋板與彈簧壓蓋共標準件安裝。具體件（圖14）。改進后實物（圖15）。

圖13凸臺

圖14蓋板

圖15改進后實物局部

4試驗考核

按照要求，改進狀態(tài)超越離合器2件，裝入2件兩檔變速箱中。兩檔變速箱進行臺架試驗，試驗結果正常，未出現(xiàn)傳動軸損壞情況。

另將改進狀態(tài)后的超越離合器經過臺架試驗考核后，兩檔變速箱裝配至專用車，對發(fā)電機組進行行駛試驗驗證，行駛里程為200Km，試驗路段為高速環(huán)道。試驗過程中對傳動軸運轉過程中的扭矩進行測試，測試過程中未觀測到扭矩沖擊，最大扭矩不大于250Nm，遠遠低于傳動軸所能承受的扭矩。試驗結果正常。

5　結束語

針對專用車發(fā)電機組傳動軸十字軸斷裂故障，從影響傳動軸運轉的各個部件的故障可能性進行了分析，通過文件、實物復查以及設計計算、故障排查試驗，找出了故障產生的原因，定位在超越離合器的結構存在問題，對超越離合器進行了改進設計，改進了彈簧壓蓋，增加了彈簧蓋板，進一步提高可靠性。改進后的結構經過了試驗驗證，解決了彈簧固定不可靠的問題，保證了發(fā)電機組安全、可靠工作，在后續(xù)專用車使用過程中未再出現(xiàn)問題。

［1］王鵬，李平康，李文廣.一種新型滾柱式控制分離型超越離合器的設計［J］.中國科學：技術科學，2013（7）：777-784.

［2］鈕心憲.滾柱式超越離合器的設計［J］.上海船舶運輸科學研究所學報，2003，26（2）：65-70.

［3］許兆棠.壓桿壓緊滾柱式超越離合器的設計 ［J］.機械傳動，2010，34（7）：41-43

［4］薛淵，陸念力，曲秀全.弧塊-滾柱式低副超越離合器扭轉剛度和接合能耗的研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2007，28（7）：785-789.

［5］薛淵，陸念力，王樹春.滾柱式超越離合器的自鎖失效分析及設計對策［J］.機械傳動，2006，30（3）：78-80.

［6］石光林，陸維釗.滾柱式超越離合器隔離環(huán)的結構與工藝改進［J］.機械設計與制造，2008（7）：136-138.

［7］薛淵，曲秀全，陸念力.滾柱式超越離合器的接合能耗［J］.吉林大學學報：工學版，2008，38（2）：360-364.

［8］蔡思捷，蓋鑫宇，柏楊超.越離合器應力應變比較分析［J］.機械，2013，40（11）：29-31.

An Improved Design of Overrunning Roller Clutch

ZHU Sheng，LI Ping，JING Jiang
（HubeiSanjiangSpaceWanshanSpecialvehicleCO.，LTD. Institue of Ground Equipment，Hubei Xiaogan，432000）

Based on the flaw of roller overrunning clutch，which resulted in the broken of the universal joint，we analyzed the structure problem.To improve the design of the overrunning clutch，we solve the unreliablefixintheoverrunningclutchandverifiedthedesign improvement and ensured the clutch in safe and reliable operation.

roller；overrunning clutch；design