新型張環(huán)式超越離合器的工作原理及自鎖與超越條件

杜 力 彭斯洋 魏 東 宋澤良 吳振宏1.制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶, 400067.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶,400054

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新型張環(huán)式超越離合器的工作原理及自鎖與超越條件

杜 力1,2彭斯洋2魏 東2宋澤良2吳振宏2
1.制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶, 4000672.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶,400054

提出一種新型張環(huán)式超越離合器，其自鎖構(gòu)件呈環(huán)狀，與輸出構(gòu)件成低副面接觸，與傳統(tǒng)的高副式超越離合器相比承載能力有所提高。對(duì)該張環(huán)式超越離合器自鎖及超越條件進(jìn)行分析，并研究了其自鎖條件對(duì)滾柱磨損的敏感性，研究表明，在該項(xiàng)性能上該超越離合器優(yōu)于滾柱式超越離合器。最后對(duì)新型張環(huán)式超越離合器進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

張環(huán)式超越離合器；低副面接觸；自鎖及超越條件；仿真及實(shí)驗(yàn)

0 引言

超越離合器是隨輸入、輸出構(gòu)件的相對(duì)轉(zhuǎn)速或相對(duì)旋轉(zhuǎn)方向變化能夠自行離合的一類(lèi)機(jī)械式離合器，在紡織、化工、礦山機(jī)械、汽車(chē)、船舶、航天等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。由于超越離合器特殊的使用要求與功能特征，其工作環(huán)境往往是機(jī)械系統(tǒng)中最?lèi)毫拥?，這就使其成為整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，因此超越離合器的性能好壞對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的工作可靠性、傳動(dòng)效率以及使用壽命等起著決定性的作用[2]。

目前應(yīng)用最廣泛的超越離合器主要是滾柱式和楔塊式超越離合器。滾柱及楔塊與內(nèi)外環(huán)均成高副接觸狀態(tài)，其承載能力、效率、對(duì)滾柱及楔塊的磨損敏感性等綜合性能不甚理想[3-4]。

文獻(xiàn)[5-6]分別在滾柱式和楔塊式超越離合器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了低副化改造，得到了全低副滾柱式和楔塊式超越離合器。這些低副化改造是通過(guò)在滾柱和芯軸之間增加弧塊以及在楔塊與外環(huán)之間增加異形弧塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而使超越離合器具有全低副式的結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了超越離合器的承載能力，但依然存在缺陷：一是使得超越離合器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加，制造成本上升；二是改造使得超越離合器的徑向尺寸增大，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)不夠緊湊；三是由于弧塊的質(zhì)量及彈性元件的剛度等因素，在高頻(一般為25 Hz及以上)等應(yīng)用條件下，超越離合器的開(kāi)合特性反而有所下降[2]，并且對(duì)磨損和制造誤差的敏感性依然沒(méi)有顯著降低。

國(guó)外對(duì)超越離合器的研究起步較早，并且大都為實(shí)際應(yīng)用研究。LIU等[7]考慮滾柱變形等因素，分析了滾柱式超越離合器的滑動(dòng)摩擦原理與摩擦因數(shù)的分布，為滾柱式超越離合器的能耗分析、動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；CHEON[8]通過(guò)研究，證實(shí)了超越離合器對(duì)齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的非線性扭轉(zhuǎn)振動(dòng)具有一定的削弱作用。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種承載能力強(qiáng)、工藝性?xún)?yōu)良、響應(yīng)靈敏的新型超越離合器——張環(huán)式超越離合器。

1 張環(huán)式超越離合器的工作原理

1.1 張環(huán)式超越離合器結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.外環(huán) 2.左環(huán) 3.芯軸 4.彈簧頂銷(xiāo) 5.滾柱 6.右環(huán) 7.轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)圖1 張環(huán)式超越離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure sketch of expanding-ring type overrunning clutch

圖2 張環(huán)式超越離合器控制構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 The structure sketch of control link of expanding-ring overrunning clutch

張環(huán)式超越離合器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外環(huán)1、左環(huán)2、芯軸3、彈簧頂銷(xiāo)4、滾柱5、右環(huán)6、轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)7等組成，其中，芯軸為輸入構(gòu)件，外環(huán)為輸出構(gòu)件，左右環(huán)為自鎖構(gòu)件，滾柱為控制構(gòu)件。右環(huán)的包角由開(kāi)口量E(圖2)的取值決定，左右環(huán)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)7連接，左右環(huán)的厚度相等且與滾柱直徑相等，轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)中心處于左右環(huán)連接處倒圓中心位置。左右環(huán)外圓面與外環(huán)內(nèi)表面、左右環(huán)內(nèi)圓面與芯軸的外圓面均取間隙配合，考慮到內(nèi)外環(huán)對(duì)超越離合器響應(yīng)的影響，間隙過(guò)大，響應(yīng)會(huì)較慢，但若采用過(guò)度配合，由于過(guò)度量有可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)盈配合，導(dǎo)致因過(guò)盈效應(yīng)而不能響應(yīng)，所以，選擇內(nèi)外環(huán)為間隙量為0的間隙配合。

張環(huán)式超越離合器工作過(guò)程如下：

當(dāng)外環(huán)靜止，芯軸沿圖1所示結(jié)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，或者芯軸相對(duì)于外環(huán)有逆時(shí)針相對(duì)旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)時(shí)，為超越離合器的正向工作過(guò)程，其正向工作過(guò)程分為楔緊、接合和穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)階段。此時(shí)彈簧頂銷(xiāo)的作用力遠(yuǎn)小于滾柱與左右環(huán)及芯軸的作用力，可忽略不計(jì)。芯軸首先帶動(dòng)滾柱與左右環(huán)兩端接觸并使其有張開(kāi)的趨勢(shì)，消除滾柱與左右環(huán)之間以及左右環(huán)與外環(huán)之間的間隙使之與外環(huán)成面接觸，此為楔緊過(guò)程，合理設(shè)計(jì)彈簧頂銷(xiāo)的預(yù)緊力可加快此過(guò)程；然后，由于通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)7連接的左右環(huán)受力情況均滿(mǎn)足自鎖條件，使外環(huán)與左右環(huán)自鎖，但由于外環(huán)的速度小于芯軸的輸入轉(zhuǎn)速，因此外環(huán)有一個(gè)加速的過(guò)程，并最終與芯軸轉(zhuǎn)速相等，此為超越離合器的接合行程；當(dāng)外環(huán)、左右環(huán)、芯軸等的轉(zhuǎn)速相等時(shí)，超越離合器的各構(gòu)件等速轉(zhuǎn)動(dòng)，超越離合器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

當(dāng)外環(huán)靜止，芯軸沿圖1所示順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，或者芯軸相對(duì)于外環(huán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，為超越離合器的反向超越過(guò)程。此時(shí)，滾柱的受力狀態(tài)發(fā)生改變，表現(xiàn)為：①滾柱與芯軸的接觸表面脫離，此時(shí)滾柱的受力狀態(tài)變?yōu)闈L柱與頂銷(xiāo)以及左右環(huán)兩端壓力；②左右環(huán)松緊端發(fā)生變化。在此條件下環(huán)的兩端受力不滿(mǎn)足自鎖條件，離合器不能自鎖，左右環(huán)在外環(huán)的內(nèi)表面發(fā)生打滑，運(yùn)動(dòng)停止，此為超越離合器的超越行程。

1.2 張環(huán)式超越離合器自鎖數(shù)學(xué)模型建立

超越離合器在接合狀態(tài)時(shí)要求構(gòu)件不出現(xiàn)強(qiáng)度破壞的前提下，輸入輸出構(gòu)件都必須保持接合狀態(tài)，且這種接合狀態(tài)不依賴(lài)外力形成的摩擦力矩，故其工作原理必然是自鎖[9]。

如圖1所示，取左右環(huán)任意一塊(后文稱(chēng)之為剛環(huán))進(jìn)行分析，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的角度看，剛環(huán)與外環(huán)之間為面接觸狀態(tài)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為轉(zhuǎn)動(dòng)，封閉形式為力封閉(兩端壓力)，其基本運(yùn)動(dòng)副關(guān)系為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

圖3 張環(huán)式超越離合器基本模型Fig.3 Basic model of expanding-ring type overrunning clutch

可見(jiàn)，張環(huán)式超越離合器的自鎖是轉(zhuǎn)動(dòng)副的自鎖，結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)副的自鎖原理，要求各個(gè)剛環(huán)所受合力位于摩擦圓以?xún)?nèi)，對(duì)任意一塊剛環(huán)i可建立圖3所示的力學(xué)模型，求解可得其自鎖的數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，F(xiàn)1i、F2i分別為第i塊剛環(huán)兩端實(shí)際所受的力；R為外環(huán)的內(nèi)半徑；F11、F2n分別為n塊首尾相連的張環(huán)式超越離合器的第1塊剛環(huán)首端實(shí)際所受的力和第n塊剛環(huán)尾端實(shí)際所受的力；R1i、R2i分別為剛環(huán)兩端受力位置半徑；δ1i、δ2i分別為剛環(huán)兩端理論上所受力與實(shí)際所受力之間的夾角；φ1i、φ2i為摩擦角；μv為當(dāng)量摩擦因數(shù)；θi為剛環(huán)的包角。

結(jié)合張環(huán)式超越離合器的工作原理可知：在張環(huán)式超越離合器的工作過(guò)程中其正向行程要求自鎖，故其自鎖深度應(yīng)小于等于自鎖閾值；反向行程要求避免自鎖，故其自鎖深度大于自鎖閾值。

1.3 張環(huán)式超越離合器的自鎖條件

由式(1)～式(4)知，求取張環(huán)式超越離合器的自鎖條件的關(guān)鍵在于分別求解其自鎖閾值與自鎖深度，如圖4所示，分別建立自鎖構(gòu)件與控制構(gòu)件的力學(xué)模型。根據(jù)圖4中的力學(xué)模型再結(jié)合式(1)～式(4)，可求解張環(huán)式超越離合器的自鎖條件：

圖4 自鎖狀態(tài)下自鎖閾值的計(jì)算模型Fig.4 The computation model of self-locking threshold in self-locking condition

(5)

α1=α-α2=α-β1

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

δ22=α3+φ=α3+arctanf

(11)

(12)

(13)

R12=R21=R0+r12

(14)

(15)

δ12=δ21=0°

(16)

θ1=π+β1

(17)

θ2=π-β2

(18)

式中，f為靜摩擦因數(shù)；r12為滾柱半徑(左右環(huán)厚度的一半)；R0為芯軸半徑；φ為摩擦角；α為楔角。

通過(guò)式(5)～式(18)求解出式(1)～式(4)的相關(guān)參數(shù)，再將計(jì)算出的參數(shù)代入式(1)～式(4)中，根據(jù)1.2節(jié)中的自鎖閾值K的計(jì)算公式，就可以求得自鎖閾值。

圖5 自鎖狀態(tài)下自鎖深度的力學(xué)模型Fig.5 The model of mechanics of self-locking depth inself-locking state

根據(jù)1.2節(jié)的分析，結(jié)合圖5的力學(xué)模型可知，自鎖深度的計(jì)算公式為

(19)

綜上可知：當(dāng)內(nèi)外環(huán)尺寸一定時(shí)，自鎖閾值及自鎖深度都是開(kāi)口量E的函數(shù)。為驗(yàn)證上述結(jié)論，以初始條件R0=43 mm、R=55 mm進(jìn)行計(jì)算機(jī)求解，可分別得到自鎖閾值及自鎖深度隨開(kāi)口量E(該條件下為保證滾柱與右環(huán)的豎直端面接觸，開(kāi)口量應(yīng)滿(mǎn)足15.2 mm≤E≤17.9 mm)的變化關(guān)系，如圖6所示，當(dāng)15.2 mm≤E≤17.9 mm時(shí)，該超越離合器自鎖深度始終小于自鎖閾值，說(shuō)明在該范圍內(nèi)均能夠可靠自鎖，這能大大減小該超越離合器的加工制造難度，也是該超越離合器結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)所在。

圖6 某初始條件自鎖狀態(tài)下自鎖閾值與自鎖深度變化曲線Fig.6 Curves of self-locking threshold and self-locking depth under self-locking condition of initial condition

此結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是自鎖條件對(duì)滾柱磨損的敏感性較低。眾所周知，超越離合器能正常工作的首要條件是自鎖可靠，而傳統(tǒng)的滾柱式超越離合器自鎖失效最常見(jiàn)的原因是滾柱的磨損[10]，由張環(huán)式超越離合器的結(jié)構(gòu)可知，其最容易磨損的構(gòu)件也是滾柱，圖7所示為張環(huán)式及滾柱式超越離合器自鎖裕度[10]隨滾柱磨損的變化曲線。

1.張環(huán)式超越離合器 2.滾柱式超越離合器圖7 滾柱磨損對(duì)兩種超越離合器自鎖裕度的影響Fig.7 The influence of roller wear on self-locking margin of two overrunning clutch

自鎖裕度以W表示，其中，張環(huán)式超越離合器的自鎖裕度為

滾柱式超越離合器的自鎖裕度為

顯然，W>0時(shí)離合器能自鎖，W=0時(shí)離合器處于自鎖的臨界狀態(tài)，W<0時(shí)離合器將不能自鎖。

由圖7可見(jiàn)，張環(huán)式超越離合器的自鎖裕度在磨損量Δr為0～0.8 mm的范圍內(nèi)呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，在磨損量約為0.534 mm時(shí)達(dá)到最小值，自鎖裕度約為13.01%，但仍大于0，可見(jiàn)在此范圍內(nèi)超越離合器仍能自鎖可靠工作。滾柱式超越離合器的自鎖裕度在此磨損量范圍內(nèi)呈單調(diào)遞減的變化趨勢(shì)，并在滾柱磨損量約為0.584 mm時(shí)，自鎖裕度等于0，若磨損量繼續(xù)增大，自鎖裕度將降至0以下，自鎖失效，超越離合器將不能自鎖可靠工作。對(duì)比曲線1和曲線2，張環(huán)式超越離合器的自鎖裕度在磨損量0～0.8 mm范圍內(nèi)的變化幅度遠(yuǎn)小于滾柱式超越離合器自鎖裕度的變化幅度，同時(shí)，張環(huán)式超越離合器的自鎖裕度始終大于0，可見(jiàn)張環(huán)式超越離合器的自鎖條件對(duì)滾柱制造誤差或磨損的敏感性相比于滾柱式超越離合器有一定的下降。

1.4 張環(huán)式超越離合器的超越條件

自鎖發(fā)生的必要條件是存在摩擦，因此當(dāng)摩擦力消失時(shí)，自鎖也就解除。傳統(tǒng)的環(huán)式超越離合器均采用將反向行程中的正壓力反向的方法達(dá)到超越的目的[11-12]。而張環(huán)式超越離合器的超越原理則完全不同，其自鎖構(gòu)件與外環(huán)成轉(zhuǎn)動(dòng)副狀態(tài)，只要反向時(shí)自鎖深度k(即左右環(huán)兩端的受力之比)大于自鎖閾值K(即自鎖臨界狀態(tài)左右環(huán)兩端受力之比)，則左右環(huán)兩端作用力的合力方向矢量就位于摩擦圓以外，超越離合器不能自鎖，此時(shí)其輸入和輸出構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)自鎖關(guān)系被斷開(kāi)，從而也能達(dá)到超越的目的。此時(shí)左右環(huán)與外環(huán)的接觸并未脫離，但輸入的運(yùn)動(dòng)并不能使外環(huán)同步運(yùn)動(dòng)，也能達(dá)到超越的目的，這對(duì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)是有積極意義的。如圖8所示，建立超越狀態(tài)力學(xué)模型，可求解得到其超越條件。

(a)控制構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(b)彈簧頂銷(xiāo)的力學(xué)模型

(c)彈簧頂銷(xiāo)受力分析矢量圖圖8 超越狀態(tài)力學(xué)模型Fig.8 The mechanical model of transcendental state

根據(jù)圖8所示的力學(xué)模型求解可得：當(dāng)內(nèi)外環(huán)尺寸及開(kāi)口量大小確定時(shí)，自鎖閾值確定，而自鎖深度是彈簧頂銷(xiāo)位置(通過(guò)彈簧頂銷(xiāo)軸線與過(guò)芯軸的切線所成角度Δ來(lái)表示)Δ的函數(shù)，以初始條件R0=43 mm、R=55 mm、E=16.4 mm進(jìn)行計(jì)算機(jī)求解，求解結(jié)果如圖9所示，可以看出，自鎖閾值為定值，而自鎖深度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在Δ=2arctanf時(shí)取得極值，且當(dāng)0≤Δ<30.6°時(shí)，自鎖深度大于自鎖閾值，可見(jiàn)超越離合器在此初始條件下超越條件為0≤Δ<30.6°，其超越條件范圍較寬，這對(duì)彈簧頂銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)及安裝有積極的意義。

圖9 某初始條件超越狀態(tài)下自鎖閾值及自鎖深度變化曲線Fig.9 Curves of self-locking threshold and self-locking depth under transcendental state of initial condition

2 仿真實(shí)例與樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證張環(huán)式超越離合器自鎖及超越條件數(shù)學(xué)模型的正確性，在ADAMS仿真平臺(tái)下，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。表1所示為仿真模型基本結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，仿真模型如圖10所示，仿真結(jié)果如圖11及圖12所示。

表1 仿真模型基本尺寸及材料屬性

1.外環(huán) 2.左環(huán) 3.芯軸 4.滾柱 5.右環(huán)圖10 張環(huán)式超越離合器仿真模型Fig.10 Simulation model of expanding-ring type overrunning clutch

圖11所示為 0.2 s內(nèi)滾柱位移的變化情況，超越離合器進(jìn)入自鎖狀態(tài)明顯分為幾個(gè)不同的階段：ab段對(duì)應(yīng)于壓緊并消除間隙的過(guò)程，由兩段線性過(guò)程組成,前半段對(duì)應(yīng)于滾柱與左右環(huán)間隙消除的過(guò)程，后半段對(duì)應(yīng)于左右環(huán)與外環(huán)間隙消除的過(guò)程；在bc段，滾柱的位移有小范圍內(nèi)減小的趨勢(shì)，是間隙消除后開(kāi)始碰撞的初始階段，此過(guò)程中芯軸與外環(huán)之間有較大的相對(duì)滑移；cd段，滾柱的位移發(fā)生劇烈的變化，且最大值超過(guò)了最終的位移值；de段為一非線性過(guò)程，滾柱的位移陡然減小，滾柱發(fā)生回彈，滾柱存在較大的沖擊，這對(duì)超越離合器的使用壽命是非常不利的；ef段也為一非線性過(guò)程，滾柱的位移增大到最終值；在f點(diǎn)后，滾柱的位移不再發(fā)生變化，超越離合器自鎖。

圖11 正向行程滾柱的位移曲線Fig.11 The displacement curve of roller in forward stroke

超越行程滾柱的位移曲線如圖12所示，由圖可見(jiàn)，滾柱的位移發(fā)生往復(fù)變化，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這種往復(fù)變化越來(lái)越快，滾柱處于不斷加速的狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)左右環(huán)與外環(huán)的自鎖關(guān)系解除，超越離合器發(fā)生了超越。

圖12 超越行程滾柱的位移曲線Fig.12 The displacement curve of roller in transendental stroke

為進(jìn)一步驗(yàn)證張環(huán)式超越離合器自鎖及超越條件數(shù)學(xué)模型的正確性，并驗(yàn)證其自鎖條件對(duì)滾柱磨損的敏感性，加工出樣機(jī)(圖13)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖13所示，分別在干摩擦、潤(rùn)滑油潤(rùn)滑及脂潤(rùn)滑條件下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明：張環(huán)式超越離合器自鎖及超越均較為可靠，使用過(guò)程中不同的潤(rùn)滑條件對(duì)其綜合性能有一定的影響，干摩擦狀態(tài)下自鎖響應(yīng)較快，但超越工況效率較低；潤(rùn)滑油潤(rùn)滑狀態(tài)下，響應(yīng)速度與效率均較高，但需連續(xù)供油；而脂潤(rùn)滑狀態(tài)雖不需要連續(xù)供油，但響應(yīng)靈敏度顯著降低?？梢?jiàn)，張環(huán)式超越離合器自鎖及超越條件數(shù)學(xué)模型正確，而使用過(guò)程中應(yīng)盡量在有連續(xù)潤(rùn)滑油供給的油潤(rùn)滑條件下使用。

圖13 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.13 Experimental prototype

如圖14所示，為模擬滾柱的制造誤差及磨損量，加工出一系列不同尺寸的滾柱，并將這些滾柱一一與張環(huán)式超越離合器裝配并實(shí)驗(yàn)。根據(jù)所加工的樣機(jī)的尺寸，理論研究的允許的磨損量范圍為0～0.8 mm，所以加工的滾柱半徑偏差范圍為0～1 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在滾柱磨損量為0～0.75 mm的范圍內(nèi)，超越離合器仍能自鎖，而超過(guò)0.75 mm后不能自鎖，這是因?yàn)榍拔难芯繘](méi)有考慮零件材料的彈性變形及左右環(huán)與外環(huán)的配合間隙。而對(duì)比同尺寸下的滾柱式超越離合器，其理論最大允許磨損量為0.580 mm，可見(jiàn)張環(huán)式超越離合器具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。

圖14 不同半徑偏差的滾柱樣品Fig.14 Roller samples of different radius deviation

3 結(jié)論

(1)提出的張環(huán)式超越離合器結(jié)構(gòu)新穎緊湊，通過(guò)對(duì)其工作原理進(jìn)行分析認(rèn)為，該類(lèi)超越離合器的自鎖實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)動(dòng)副的自鎖，而其自鎖的數(shù)學(xué)模型可表述為自鎖深度小于等于自鎖閾值。

(2)分析了張環(huán)式超越離合器的自鎖與超越條件，并進(jìn)行實(shí)例求解，理論分析顯示，此種超越離合器的結(jié)構(gòu)在降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與加工成本等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。分析了張環(huán)式超越離合器自鎖條件對(duì)滾柱磨損的敏感性，并與滾珠式超越離合器進(jìn)行對(duì)比，理論分析表明，在此項(xiàng)特性上，張環(huán)式超越離合器有一定提升。

(3)對(duì)張環(huán)式超越離合器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，證明此種新型超越離合器原理正確、合理，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：選取適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑條件，并且盡量在有連續(xù)潤(rùn)滑油供給的油潤(rùn)滑條件下，張環(huán)式超越離合器可以獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度。

[1] 張展. 聯(lián)軸器、離合器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009. ZHANG Zhan. Handbook of Design and Selection of Stretching Couplings, Clutches and Brakes[M].Beijing:China Machine Press,2009.

[2] 杜力,馮俊,鄒昌平,等. 帶輔助環(huán)的楔塊式超越離合器工作機(jī)理及楔緊和退楔條件的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2009,26(7):72-74. DU Li, FENG Jun, ZOU Changping, et, al. Study on Working Mechanism and Conditions of Wedge Caulking and Wedge Refunding of Wedge Typed Overrunning Clutch with Assistant-ring[J]. Journal of Machine Design,2009,26(7):72-74.

[3] 吳凱,嚴(yán)宏志,何明生,等.對(duì)數(shù)曲面楔塊的PCE型離合器動(dòng)力學(xué)特性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2011,22(6):47-52. WU Kai, YAN Hongzhi, HE Mingsheng, et, al. Dynamics Analysis of Logarithm Curved Surface Spra PCE Clutch[J]. China Mechanical Engineering, 2011, 22(6):47-52.

[4] 曲秀全，陸念力.一種新型楔塊式低副單向超越離合器[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(1):195-198. QU Xiuquan, LU Nianli. New V-shaped Unidirectional Clutch with Lower Pair[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2004, 40(1):195-198.

[5] 張廣蕓. 偏心調(diào)速脈動(dòng)無(wú)級(jí)變速器及低副單向超越離合器的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006. ZHANG Guangyun. Eccentric Speed-regulating Pulse-type Stepless Transmission and Its Lower Pair and One-way Overrunning Clutch’s Research and Manufacture[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2006.

[6] 曲秀全,車(chē)仁煒,孫荊芒,等. 楔塊式低副單向超越離合器[J].機(jī)械傳動(dòng),2002,26(2):76-78. QU Xiuquan, CHE Renwei, SUN Jinmang, et al. V-shaped Unidirectional Clutch with Lower Pair[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2002, 26(2):76-78.

[7] LIU K, BAMBA E. Analytical Model of Sliding Friction in an Overrunning Clutch[J]. Tribology International, 2005, 38 (2):187-194.

[8] CHEON Gill-Jeong. Effect of a One-way Clutch on the Nonlinear Dynamic Behavior of Spur Gear Pairs under Periodic Excitation[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2006, 20(7):941-949.

[9] 黃華星,劉瑩,權(quán)英華,等. 超越離合器自鎖本質(zhì)辨析[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2007,31(1):55-57. HUANG Huaxing, LIU Ying, QUAN Yinghua, et al. Analysis of Self-locking of Overrunning Clutch[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2007, 31(1):55-57.

[10] 黃靖遠(yuǎn),張浩,王序云,等. 鏈環(huán)式超越離合器的數(shù)學(xué)模型和特性分析[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997,37(11):35-38. HUANG Jingyuan, ZHANG Hao, WANG Xuyun, et al. Mechanical Model and Feature Analysis of Chain-ring Overrunning Clutch[J]. Journal of Tsinghua University(Sci.&Tech.) , 1997, 37(11):35-38.

[11] 黃靖遠(yuǎn),張浩,王序云,等. 鏈環(huán)式超越離合器的工作原理和物理本質(zhì)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，1997，8(1)：108-110. HUANG Jingyuan, ZHANG Hao, WANG Xuyun, et al. Working Principle and the Physical Essence of Chain-ring Overrunning Clutch[J]. China Mechanical Engineering, 1997,8(1):108-110.

[12] 林軍,黃茂林. 基于自調(diào)的差動(dòng)雙制動(dòng)塊式超越離合器工作機(jī)理與數(shù)學(xué)模型[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2002,13(5):361-363. LIN Jun, HUANG Maolin. The Working Principle and the Mathematics Model of Differential and Double Brake-block Overrunning Speed Clutch Based on Automatic Adjusting[J]. China Mechanical Engineering, 2002, 13(5):361-363.

(編輯 蘇衛(wèi)國(guó))

Working Principle of New Expanding-ring Type Overrunning Clutchs and Their Self-locking and Overrunning Conditions

DU Li1,2PENG Siyang2WEI Dong2SONG Zeliang2WU Zhenhong2
1.Chongqing Key Laboratory of Mechanism Design and Control for Manufacturing Equipment, Chongqing,400067 2.School of Mechanical Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing,400054

A new expanding-ring type overrunning clutch was proposed, its self-locking component was a ring which was in a lower pair face contact with the ouPSut members and whose carrying capacity was improved compared with conventional higher pair type overrunning clutchs. The self-locking and overrunning conditions were analyzed and the self-locking conditions on the pin roller wear sensitivity were studied. Theoretical study shows that the clutch performance is superior to the pin roller type overrunning clutchs. Finally, the simulation and experimental verification of a new type of tension ring clutch were carried out.

expanding-ring type overrunning clutch; lower pair face contact; condition of self-locking and overrunning; simulation and experiment

2016-08-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105397)

TH112

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.12.00172

杜 力，女，1971年生。重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士，重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)、無(wú)級(jí)變速器、CAD/CAE。E-mail:dulicq@126.com。彭斯洋，男，1993年生。重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。魏 東，男，1989年生。重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。宋澤良，男，1990年生。重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。吳振宏，男，1992年生。重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。