斜撐式超越離合器摩擦力矩測試裝置

李慎華，閆素娜，李澤強，張少龍

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.北京控制工程研究所，北京 100091)

斜撐離合器是離合器的重要分支，在航空領域中廣泛應用于直升機主減速器以及固定翼飛機的起動機[1]。斜撐離合器裝在主機內，為使其隨時處于傳遞扭矩的姿態(tài)，斜撐塊的工作表面必須與內、外套滾道的工作表面保持接觸狀態(tài)，帶狀彈簧的舌簧對楔塊側面的壓力導致斜撐塊與滾道之間存在一定的接觸應力，當接觸應力過大時，在超越狀態(tài)下會加速斜撐塊與滾道的磨損，使離合器過早失效。目前，通過專用摩擦力矩儀對離合器摩擦力矩進行測試,是控制斜撐塊與滾道接觸應力大小最有效的方式。

1 斜撐離合器的結構與工作原理

斜撐離合器是一種靠主、從動部分的相對運動速度變化或回轉方向的變換自動接合或脫開的離合器[2],基本的斜撐離合器結構如圖1所示，主要由外套(通常作為從動元件)、內軸(通常作為主動元件)、成組的斜撐塊、內保持架、外保持架和帶狀彈簧等組成。

圖1 斜撐式超越離合器結構示意圖

如果內軸沿逆時針方向的旋轉速度ni試圖大于外套轉速ne時，因帶狀彈簧的張緊力和斜撐塊與滾道面的摩擦力，引起斜撐塊圍繞其自身的中心按順時針方向轉動。由于斜撐塊尺寸b大于外套與軸之間的徑向距離a，于是斜撐塊便楔入內軸與外套之間實現(xiàn)剛性連接，從而使內軸與外套相互形成楔緊閉鎖來傳遞扭矩，離合器處于傳動狀態(tài)。

如果外套沿順時針方向的轉速ne試圖大于內軸轉速ni時，在斜撐塊和滾道間的摩擦力克服彈簧的張緊力，引起斜撐塊圍繞其自身的中心按逆時針方向轉動，因斜撐塊尺寸c小于兩環(huán)間的徑向距離a，斜撐塊就脫離楔合狀態(tài)，內軸與外套彼此獨立運動，離合器處于超越狀態(tài)。在超越狀態(tài)時，帶狀彈簧通過彈簧力迫使離合器的斜撐塊與兩環(huán)滾道保持接觸狀態(tài)[3]。

2 摩擦工況分析

2.1 斜撐塊的靜態(tài)受力分析

離合器安裝于主機內后,在彈簧的作用下，斜撐塊會貼合在外套與內軸的滾道上，兩滾道與斜撐塊間產生一定的接觸壓力，斜撐塊的靜態(tài)受力情況如圖2所示。

圖2 初始狀態(tài)時斜撐塊的受力情況

2.2 超越時離心力對斜撐塊的影響

超越狀態(tài)下，離合器不承受扭矩，影響斜撐塊受力的主要是彈簧力及斜撐塊自身的離心力。如圖3所示，斜撐塊的質心位于接觸線(圖中虛線)的左側，當離合器外套旋轉處于超越狀態(tài)時，由于離心力的作用使斜撐塊形成一個FcL的力矩，該力矩可降低斜撐塊在內軸上的接觸壓力，當離心力矩值Mc大于斜撐塊與外滾道產生的摩擦力矩M時，斜撐塊與內軸脫開不再接觸，可降低斜撐塊與內軸的磨損[4]。

圖3 離心力對斜撐塊的影響

推導得斜撐塊的離心力及離心力矩分別為

(1)

Mc=NFcL，

(2)

式中：Fc為每個斜撐塊的離心力，N；ms為單個斜撐塊的質量，kg；Rs為旋轉中心到斜撐塊質心的距離，mm；Mc為全部斜撐塊的離心力矩，N·mm；N為離合器中斜撐塊的數(shù)量；L為斜撐塊質心到接觸線的距離，mm。

2.3 斜撐離合器減磨約束條件

由于離心力產生力矩Mc降低斜撐塊在內軸滾道上的接觸壓力，從而減小測試摩擦力矩M，因此當Mc>M時，斜撐塊與內軸滾道分離。

根據(jù)(1)和(2)式可以得出超越離合器減磨設計的約束條件為

(3)

3 摩擦力矩測試裝置

3.1 測試原理

當外滾道靜止不動，內滾道按超越方向轉動時，離合器與滾道之間的摩擦力矩為

M=NF1μR1，

(4)

式中：F1為斜撐塊內圓弧面與內軸間的接觸壓力，N；μ為鋼對鋼的摩擦因數(shù)；R1為內套半徑，mm。

3.2 測試方法

摩擦力矩測試儀由儀器主體、精密軸系、力矩傳感器、力矩標定機構、驅動單元、測量控制電路、計算機系統(tǒng)(主流配置)等構成。機械主體如圖4所示，主軸軸系用于支承離合器，驅動部分通過調節(jié)外套轉速驅動離合器旋轉，通過力矩傳感器實時采樣摩擦力矩。

圖4 機械主體結構示意圖

斜撐式超越離合器摩擦力矩測試儀采用直接法，離合器通過測量工裝安裝在主軸上，測量工裝與固定在導軌上的力矩傳感器相連接。電動機驅動主軸，從而通過測量工裝帶動離合器外套轉動，由于摩擦力矩的存在，會帶動內軸轉動，力矩傳感器阻礙離合器的內軸旋轉，與離合器的摩擦力矩保持動態(tài)平衡，則力矩傳感器的輸出力矩即被測離合器的摩擦力矩。測量儀與計算機相連接，通過計算機實現(xiàn)整個測量過程的控制與數(shù)據(jù)采集及處理，在測量結束后對摩擦力矩測試結果、變動曲線進行評定、分析并描繪離合器整個轉動過程中的力矩動態(tài)曲線，給出最大值、最小值和平均值。

該離合器摩擦力矩測試裝置有以下特點：

1)測量方法簡單，易于掌握，所用的力矩傳感器可以根據(jù)要求采購；

2)測量應變的靈敏度高，測量范圍大；

3)可在高溫、低溫、高轉速、強磁場等特殊工況下進行測量;

4)測量結果直接通過計算機處理，便于傳遞，數(shù)顯和自動打印。

為了驗證測量儀測值的準確性，采用輸入標準力矩值與設備實際輸出力矩值相比較進行判定，驗證原理如圖5所示，標準盤與儀器主軸連接，以標準盤半徑和砝碼的質量乘積作為標準力矩。測量結果見表1，由表中數(shù)據(jù)可知，測量誤差均小于允許誤差(±5%)，說明該測量儀的測量精度能夠滿足使用要求。

圖5 力矩驗證原理示意圖

表1 標準力矩和測量力矩對比

4 結束語

通過對斜撐式超越離合器的摩擦工況進行分析，討論了各約束條件對摩擦性能的影響，著重分析了斜撐塊離心力對空載摩擦力矩的影響及斜撐塊與內滾道分離的臨界條件。設計了一種斜撐式超越離合器摩擦力矩測試裝置，通過對離合器摩擦力矩的批量測試，該摩擦力矩測量儀運行穩(wěn)定，操作簡便，易于維護，測量精度高，可有效地實現(xiàn)對離合器超越摩擦力矩的測試，從而更好地控制產品質量。