外星輪超越離合器圓柱滾子磨損失效研究

■ 洛陽軸承研究所有限公司 （河南洛陽 471039） 馬 磊 孟鴻超 韓紅雨 王永平 徐潤潤

外星輪超越離合器是一種通過主、從動(dòng)部分相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度或回轉(zhuǎn)方向的變換能自動(dòng)接合或脫開的離合器，利用滾柱對(duì)外星輪和內(nèi)圈同時(shí)楔緊作用傳遞單向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。外星輪超越離合器的失效主要與彈簧設(shè)計(jì)（安裝角ε和彈簧彈力Ps）、工作轉(zhuǎn)矩和零件接觸表面硬度有關(guān)。

安裝角：相同彈簧力的情況下，安裝角過小會(huì)引起離合器高速超越時(shí)滾柱與座圈脫離，離合器楔合不及時(shí)；安裝角過大會(huì)增大滾柱與外星輪和內(nèi)圈的接觸壓力，增加零件磨損程度，導(dǎo)致離合器出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

彈簧力：彈簧力不足導(dǎo)致離合器楔合不及時(shí)；彈簧力過大導(dǎo)致離合器零件磨損嚴(yán)重，使離合器出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

工作轉(zhuǎn)矩：工作轉(zhuǎn)矩過大會(huì)使?jié)L柱碎裂，外星輪或內(nèi)圈出現(xiàn)裂紋等缺陷，導(dǎo)致離合器失效。

零件接觸表面硬度：硬度低導(dǎo)致零件磨損嚴(yán)重，離合器出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；硬度過高導(dǎo)致零件接觸表面彈性變形小，不利于離合器傳遞轉(zhuǎn)矩。

滾柱磨損失效主要與彈簧安裝角、彈簧力和零件接觸表面硬度有關(guān)，工作轉(zhuǎn)矩只會(huì)引起滾柱的碎裂，不會(huì)導(dǎo)致滾柱磨損失效。

1.失效實(shí)例

某外星輪超越離合器額定傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求為0.5N·m（離合器的額定轉(zhuǎn)矩為7.7N·m），彈簧安裝角為90°，彈簧長度5mm，測(cè)得工作彈力為0.91N，外星輪、內(nèi)圈和滾柱的硬度符合設(shè)計(jì)要求，臺(tái)架試驗(yàn)后檢查，發(fā)現(xiàn)滾柱有兩處磨損平臺(tái)，如圖1所示，磨損帶寬度分別為0.49mm和0.59mm；其中0.59mm磨損帶處向內(nèi)凹陷，直徑減少約0.03mm，經(jīng)分析是由內(nèi)滾道與滾柱磨損造成；0.49mm磨損帶處無內(nèi)凹陷，直徑尺寸幾乎無變化，經(jīng)分析是由外滾道與滾柱磨損造成。

分別從引起超越離合器滾柱磨損失效的三個(gè)因素進(jìn)行分析可知：①外星輪超越離合器各零件接觸表面硬度對(duì)零件磨損失效影響較大，實(shí)例中零件表面接觸硬度符合設(shè)計(jì)要求。②彈簧設(shè)計(jì)（安裝角ε和彈簧力Ps）

圖1 01號(hào)超越離合器組件滾子平臺(tái)

ε＜120°~146.4°時(shí)，在Ps

由于此外星輪超越離合器安裝角選用90°，所以安裝角不是引起此離合器組件滾柱磨損失效的原因。

3. 彈簧力對(duì)離合器失效影響分析

此外星輪超越離合器使用的彈簧為矩形彈簧，結(jié)構(gòu)如圖3所示，根據(jù)彈簧安裝空間尺寸，確定滾柱與星輪和內(nèi)圈接觸時(shí)彈簧的長度L1；根據(jù)鋼絲熱處理工藝加工的彈簧，可測(cè)出彈簧剛度系數(shù)K，則：

其中，L0是彈簧自由狀態(tài)長度，L0=5mm；L1是離合器工作時(shí)彈簧受壓后的長度，L1=3.2mm；將各參數(shù)代入式（3）、（5），計(jì)算可得Psmin=0.212 6N，Psmax=0.912 5N，故彈簧力Ps的取值范圍為0.212 6～0.902 5N。矩形彈簧經(jīng)測(cè)量，由自由狀態(tài)壓縮至L1時(shí)，彈力為0.91N>Psmax。

圖3 矩形彈簧結(jié)構(gòu)示意

通過研究發(fā)現(xiàn)，造成該現(xiàn)象的主要原因是彈簧力過大，在彈簧力作用下，滾柱壓緊于內(nèi)外滾道之間，超越工況下，滾柱無法繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，始終處于滑動(dòng)摩擦，經(jīng)長時(shí)間超越磨損，形成磨損帶。

4. 措施

由于彈簧鋼絲、熱處理工藝和彈簧形狀已選定，彈簧剛度被確定，只能通過改變彈簧工作時(shí)的壓縮量，調(diào)整彈簧力大?。嚎紤]到彈簧的有效圈數(shù)較少，將彈簧長度從5mm縮短為4.2mm，其余尺寸不變，彈簧壓縮到工作狀態(tài)時(shí)，彈簧力從0.91N減小為0.46N。超越時(shí)滾柱與滾道面接觸，處于滾動(dòng)摩擦，離合器空程角小，楔合迅速。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)彈簧改進(jìn)后的外星輪超越離合器旋轉(zhuǎn)靈活，楔合及時(shí)，通過150h臺(tái)架試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)滾柱磨損現(xiàn)象。調(diào)整前后滾柱磨損對(duì)比如圖4所示。

經(jīng)調(diào)整彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)：縮短彈簧長度，減小彈簧工作壓力改善了此外星輪超越離合器工作時(shí)滾柱的受力情況，避免了滾柱的磨損失效，延長了此超越離合器的工作壽命，解決方案合理可行。

圖4 調(diào)整前后滾柱磨損對(duì)比

5. 結(jié)語

1）安裝角對(duì)滾柱式超越離合器的工作性能影響較大，不合理的安裝角使?jié)L柱在超越狀態(tài)下難以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，增加超越運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)零件的發(fā)熱和磨損，從而增大功率消耗。

2）根據(jù)外星輪超越離合器的空間結(jié)構(gòu)布置及受力情況，安裝角通常選用75°~90°。

3）彈簧力的大小對(duì)滾柱式超越離合器的工作性能影響較大，合適的彈簧力使?jié)L柱始終與外星輪、內(nèi)圈和彈簧接觸，使?jié)L柱在超越狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)。

4）其他參數(shù)已定，通過縮短彈簧長度，可減少超越時(shí)滾柱所受彈簧力。