淺談鋼球式安全離合器的結(jié)構(gòu)原理和選型計(jì)算

張和順，高 翮

（1.西安西電高壓開關(guān)操動機(jī)構(gòu)有限責(zé)任公司，陜西西安710077；2.西安電爐研究所有限公司，陜西西安710061）

操動機(jī)構(gòu)上經(jīng)常采用各類離合器，在機(jī)械傳動即將到達(dá)結(jié)束位置時，通過自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)將主動件與被動件快速脫離，終止機(jī)械系統(tǒng)繼續(xù)傳動，滿足傳動需求或是保護(hù)[1]。其中，鋼球式安全離合器就是用來精確傳遞扭矩，當(dāng)扭矩超過某一限定值時，即快速準(zhǔn)確起到保護(hù)（分離）作用。當(dāng)傳遞扭矩未超過限定值時，其作用相當(dāng)于聯(lián)軸器。鋼球式安全離合器被廣泛應(yīng)用在發(fā)生大的過載或存在嚴(yán)重沖擊載荷而難以精確計(jì)算的傳動系統(tǒng)[2]。為研究該系統(tǒng)的需求，筆者通過傳動系統(tǒng)的計(jì)算和實(shí)物試驗(yàn)，為鋼球式安全離合器的選型提供了兩種方式的選型方法，為離合器的安全選擇提供了選型參考。

1 鋼球式安全離合器的結(jié)構(gòu)

離合器的種類非常多，常被各種自動化機(jī)械、電動工具、農(nóng)用機(jī)械等引用，已是機(jī)械傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。在離合器的分類體系中，鋼球式安全離合器屬于自控離合器，采用嵌合式結(jié)構(gòu)。最為典型的就是牙嵌式離合器（見圖1），由于牙嵌式在斷開瞬時會產(chǎn)生沖擊力，易折斷牙，故適宜轉(zhuǎn)速不高，從動部分轉(zhuǎn)動慣量不大的軸系。隨著離合器技術(shù)的進(jìn)步，鋼球式安全離合器（見圖2）表現(xiàn)突出，以鋼球代替牙嵌結(jié)合，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，主要體現(xiàn)在壽命長、制造簡單、工作可靠、過載時滑動摩擦力小、動作靈敏度高、適用于較高轉(zhuǎn)速的傳動，所以應(yīng)用面非常廣[3-5]。

圖1 牙嵌式離合器

圖2 鋼球式離合器

本文對一種特殊結(jié)構(gòu)的鋼球式安全離合器進(jìn)行原理分析，結(jié)合力學(xué)計(jì)算、傳動計(jì)算和試驗(yàn)的方法，獲取該類型鋼球式安全離合器的彈簧壓力與理論扭矩的關(guān)系，該離合器的分解圖見圖3。

圖3 鋼球式安全離合器分解圖

鋼球位于輸入半軸上均布的小孔內(nèi)，調(diào)節(jié)螺母、碟簧組、推力墊圈依次靠近輸入半軸，并將壓力作用在鋼球上，形成類似牙嵌離合器的輸入端，鋼柱位于輸出半軸的均布槽內(nèi)，并凸出槽面，外環(huán)通過銷釘固定在輸出半軸上，從而形成類似牙嵌離合器的輸出端。在正常傳動過程中，輸入半軸通過其上凸出的鋼球推動輸出半軸上凸出的鋼柱，實(shí)現(xiàn)動力輸出。當(dāng)輸出側(cè)出現(xiàn)過載時，鋼球?qū)⒖朔山M的壓力，從而會向輸入半軸孔內(nèi)部位移，逐漸遠(yuǎn)離鋼柱，直至從鋼柱的原有空隙中跳躍到另一個空隙中，只要過載情況持續(xù)存在，那么均布在輸入半軸內(nèi)孔的多個鋼珠將繼續(xù)跳躍在均布在的鋼柱之間，并時刻緊貼鋼柱。這種發(fā)生跳躍的現(xiàn)象稱為離合器打滑。打滑前離合器傳動的最大扭矩稱之為打滑扭矩，打滑扭矩的大小可以通過調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，當(dāng)調(diào)節(jié)螺母向外環(huán)內(nèi)旋入越深，則該鋼珠式安全離合器的打滑扭矩就越大，反之則打滑扭矩減小。然調(diào)整的范圍是有限定的，過大的打滑扭矩會損傷傳動系統(tǒng)，過小的打滑扭矩則無法使傳動系統(tǒng)可靠完成動作[6-8]。

2 鋼球式安全離合器的原理

鋼球式安全離合器的打滑過程如圖4 所示，圖4（a）至圖4（e）依次表示了鋼球式安全離合器從靜止?fàn)顟B(tài)—受力滑移狀態(tài)—臨界脫離狀態(tài)—脫離狀態(tài)—下一個靜止?fàn)顟B(tài)。通常把這種鋼珠從一個位置滑移到另一個靜態(tài)位置的過程稱為鋼球式安全離合器的打滑，以圖4（c）為分界，圖4(a)和圖4(b)表示左側(cè)鋼球爬升的過程，由于該過程鋼球需克服左側(cè)彈簧的壓力，傳動較為平穩(wěn)；當(dāng)鋼球爬升至圖4(c)最高點(diǎn)之后，彈簧的壓力作為鋼球推力，如圖4（d）到圖4(e)，彈簧的壓力通過鋼球迅速撞擊在右側(cè)半離合器上，并伴隨著“嗒”的響聲，打滑的次數(shù)越多，“嗒嗒”聲持續(xù)越長，這種打滑的性質(zhì)屬于過載保護(hù)的一種，通過鋼球式安全離合器的打滑來保護(hù)整套機(jī)械傳動裝置。這類離合器具有打滑扭矩穩(wěn)定，傳動精度高的優(yōu)點(diǎn)，壽命長，打滑力矩可適當(dāng)調(diào)節(jié)的功能，應(yīng)用較為廣泛。然而，該類離合器的選型計(jì)算和調(diào)節(jié)卻常常困擾著不少工程技術(shù)人員。

圖4 鋼球式安全離合器打滑過程

3 選型計(jì)算

3.1 鋼球式安全離合器的保護(hù)關(guān)系

鋼球式安全離合器打滑扭矩（極限扭矩）的選擇應(yīng)位于安裝處實(shí)際傳動系統(tǒng)正常工作的最小傳遞扭矩Tmin和實(shí)際傳動系統(tǒng)臨界破壞條件下工作的最小破壞扭矩Tmax之間。圖5 縱坐標(biāo)是系統(tǒng)傳遞扭矩值，橫坐標(biāo)是離合器的起動時間，離合器在正常（理想）傳動條件下，與機(jī)械傳動系統(tǒng)配套，系統(tǒng)相對穩(wěn)定時，其離合器的扭矩特性曲線將趨向于d曲線。然而，多數(shù)的傳動系統(tǒng)因其設(shè)計(jì)、安裝、負(fù)載、使用等因素的不同，離合器的扭矩特性曲線就會差異巨大。圖5中a、b、c、d四條曲線示意出了一款離合器在不同加速時間下的扭矩特性曲線，將該離合器傳遞的標(biāo)稱扭矩用Tn表示，T0是離合器標(biāo)稱扭矩的下限扭矩，Tj是離合器標(biāo)稱扭矩的上限扭矩（打滑扭矩），將上述四條曲線與離合器傳遞的穩(wěn)態(tài)扭矩Tn值的首個交點(diǎn)分別命名為t1、t2、t3、t4，在此定義為該離合器達(dá)到穩(wěn)態(tài)扭矩Tn條件下的加速時間?？梢源致钥闯?，即使是同一款離合器，由于起動時間的不同，離合器表現(xiàn)出的扭矩曲線是不同的，并隨著起動時間的縮短，離合器會出現(xiàn)圖5 中的a 曲線，表現(xiàn)為離合器在剛起動時就會出現(xiàn)打滑，導(dǎo)致誤保護(hù)。正因?yàn)槿绱?，在離合器的選型中，加速時間也是一個關(guān)鍵參數(shù)，直接影響著離合器打滑扭矩的設(shè)計(jì)和選型。然而，在實(shí)際工況（設(shè)計(jì)參數(shù)）中，機(jī)械傳動系統(tǒng)十分復(fù)雜，常常簡單使用離合器最高轉(zhuǎn)速選型，忽略離合器加速時間，所以較難獲取到離合器上實(shí)際的扭矩特性曲線。為此，將通過計(jì)算和試驗(yàn)給出鋼球式安全離合器打滑扭矩的選型計(jì)算方法。

3.2 理論分析和計(jì)算

為明晰該鋼球式安全離合器的計(jì)算，有必要研究一下碟簧組的壓力與打滑扭矩的關(guān)系。將鋼球和鋼柱相互作用的接觸軌跡沿其鋼球分布的中心直徑進(jìn)行近似展開，見圖6，可以推導(dǎo)出下式：

圖5 離合器扭矩保護(hù)關(guān)系

圖6 鋼球式安全離合器力學(xué)分析圖

得出：

靜態(tài)傳遞扭矩：

滑移過程中傳遞扭矩

式中：F為碟簧組壓力，N；Ft為作用在鋼柱接觸點(diǎn)上脫開時的圓周力，N；α為鋼柱接觸點(diǎn)的壓力方向與運(yùn)動方向的夾角，°；ρ為鋼球接觸處的摩擦角，4°～6°；d0為鋼球直徑，m；h為碟簧組最大壓縮量(鋼球最大重合尺寸)，m；t為碟簧組壓縮量(鋼球重合尺寸)，m；Tj為離合器脫開時的極限扭矩，N·m；D為鋼球中心分布圓直徑，m。

方法一：計(jì)算法選型

轉(zhuǎn)動慣量是指轉(zhuǎn)動件質(zhì)量乘以平均半徑二次方之和。

轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動慣量公式是：

在如圖7所示的傳動軸系中，定義三個轉(zhuǎn)動慣量，分別為J1、J2、J3，表示對應(yīng)軸上齒輪等以及安裝軸的轉(zhuǎn)動慣量：

圖7 機(jī)械傳動系統(tǒng)

再把除軸系W1以外（不與離合器共軸的軸系）的轉(zhuǎn)動慣量折算到W0軸上，

所以，得出W1軸上由離合器加速的總轉(zhuǎn)動慣量：

直線運(yùn)動的質(zhì)量折算到離合器軸的轉(zhuǎn)動慣量：

當(dāng)已知離合器起動的角加速度為β，便可得出

式中：m為直線運(yùn)動體的質(zhì)量，kg；v為直線運(yùn)動體的速度，m/s；n1、n2、n3為軸轉(zhuǎn)速，r/min；ω為離合器軸的角速度，rad/s；β為角加速度，rad/s2；Tdj為動態(tài)加速扭矩，N·m；Tjl為加載質(zhì)離合器的扭矩，N·m；Tlw為離合器穩(wěn)定扭矩，N·m。

計(jì)算出Tjl之后，根據(jù)實(shí)際工況，再乘以1.5～3.5 倍的安全系數(shù)（工作情況系數(shù)K），得出鋼球式安全離合器的打滑扭矩(極限扭矩），再直接從專業(yè)離合器廠家的樣本上進(jìn)行選擇就可以了。如果還需進(jìn)一步詳細(xì)研究，可按后面介紹的方法繼續(xù)做下去。

方法二：試驗(yàn)法選型

由于離合器實(shí)際傳動的復(fù)雜性，相關(guān)參數(shù)都會進(jìn)行簡化或忽略等，例如將角加速度β簡化為一個固定的數(shù)值，然而實(shí)際數(shù)據(jù)并非如此，它是一個時刻變化的復(fù)雜曲線，為了獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，動力學(xué)仿真和實(shí)物的試驗(yàn)是非常有效的，尤其是后者的試驗(yàn)方法，通過試驗(yàn)直接獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，這是仿真手段無法比擬的[9]。由于Tdj=βJ，中的角加速度β是一個變量，只要得出它的特性數(shù)據(jù)，就可以獲取Tdj的特性數(shù)據(jù)，關(guān)于如何獲取角加速度β特性數(shù)據(jù)，將在后續(xù)其他論文中詳細(xì)論述，大致原理是通過測量離合器的轉(zhuǎn)速曲線（見圖8），再進(jìn)行軟件計(jì)算，獲取角加速度β曲線（見圖9），并將其與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量相乘，獲取離合器的動態(tài)負(fù)載扭矩特性曲線（見圖10），并與離合器的穩(wěn)態(tài)扭矩相疊加構(gòu)成離合器實(shí)際承載的工作扭矩（見圖11）。至此，根據(jù)實(shí)際工況，一般再乘以1.5～3.5 倍的安全系數(shù)K（工作情況系數(shù)），獲得該離合器的打滑扭矩Tj值。在取上限系數(shù)時，特別要注意不能對傳動系統(tǒng)造成損傷，這樣才可有效確保機(jī)械傳動系統(tǒng)的安全性和可靠性[10-11]。

圖8 離合器轉(zhuǎn)速曲線

圖9 離合器加速度曲線

圖10 離合器負(fù)載加速扭矩曲線

圖11 離合器扭矩疊加曲線

4 結(jié) 語

各個鋼球式安全離合器廠家均會給出離合器打滑扭矩（極限扭矩）的對照表，包含了離合器的尺寸、彈簧力值和最高轉(zhuǎn)速等。當(dāng)計(jì)算出傳動系統(tǒng)需求的工作扭矩時，就可以選擇安全系數(shù)K（一般為1.5～3.5），該系數(shù)要充分考慮到負(fù)載慣量對離合器產(chǎn)生的沖擊力值，該力值影響著離合器的可靠性和使用壽命。通過此次對鋼球式安全離合器的結(jié)構(gòu)原理和選型計(jì)算，通過理論分析計(jì)算和試驗(yàn)方法的研究，結(jié)合軟件計(jì)算，比較全面細(xì)致地給出了兩種獲取離合器打滑扭矩的方法，尤其是給出了試驗(yàn)法對離合器進(jìn)行優(yōu)化選型的方法，這是對現(xiàn)有仿真手段的進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，方案簡便可靠、具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。