李慎華，陳懷剛

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

符號說明

a——接觸面半寬，mm

B——斜撐塊寬度，mm

F內(nèi),F外——斜撐塊與內(nèi)、外環(huán)接觸點處的摩擦力，N

Fq1，F(xiàn)q2——由于施加扭矩而作用在斜撐塊上的切向力,N

l——斜撐塊長度，mm

n——斜撐塊個數(shù)

N1,N2——楔緊開始時斜撐塊與內(nèi)、外環(huán)間產(chǎn)生的徑向力,N

re——斜撐塊外側(cè)型面半徑，mm

ri——斜撐塊內(nèi)側(cè)型面半徑，mm

Re——外環(huán)內(nèi)半徑，mm

Red——外環(huán)外半徑，mm

Ri——內(nèi)環(huán)外半徑，mm

Rid——內(nèi)環(huán)內(nèi)半徑，mm

Z——斜撐塊中心距，mm

α——中心角，(°)

μ——靜摩擦系數(shù)

ρ——綜合曲率半徑，mm

δ——變形量,mm

Ω——斜撐塊轉(zhuǎn)角，(°)

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

超越離合器是一種靠主、從動部分的相對運動速度變化或回轉(zhuǎn)方向的變換自動接合或脫開的離合器。按照工作原理，超越離合器可分為嵌合式(棘爪式)和摩擦式。斜撐式超越離合器屬于摩擦式，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由外環(huán)(通常作主動元件)、內(nèi)環(huán)(通常作從動元件)、成組的斜撐塊、內(nèi)保持架、外保持架及彈簧等組成。

1—外套(主動元件)；2—外保持架；3—彈簧；4—斜撐塊；5—內(nèi)保持架；6—內(nèi)環(huán)(從動元件)

斜撐式超越離合器有2種類型：全相位型和強制連續(xù)約束型。全相位型外形結(jié)構(gòu)相對簡單，內(nèi)、外凸輪由單一圓弧構(gòu)成，加工難度相對強制連續(xù)約束型較小，在發(fā)動機的減速器和啟動系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用；強制連續(xù)約束型的斜撐塊內(nèi)凸輪圓弧通常由多個圓弧嚙合而成，加工難度大，但安全性能高，在接合與脫開的傳動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

如圖1所示，如果外環(huán)按逆時針方向的轉(zhuǎn)速n1試圖大于內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速n2時，因彈簧力作用于斜撐塊，斜撐塊與外環(huán)接合面的摩擦力將使斜撐塊圍繞其自身的中心產(chǎn)生逆時針方向轉(zhuǎn)動，由于斜撐塊結(jié)構(gòu)尺寸b(最大升程)大于兩環(huán)之間的徑向距離a，于是斜撐塊便楔入內(nèi)、外環(huán)之間，從而使兩環(huán)閉鎖，離合器處于傳動狀態(tài)。如果內(nèi)環(huán)按逆時針方向的轉(zhuǎn)速n2試圖大于外環(huán)轉(zhuǎn)速n1時，在斜撐塊和內(nèi)、外環(huán)之間的摩擦力克服彈簧力，引起斜撐塊圍繞其自身的中心按順時針方向轉(zhuǎn)動，因斜撐塊結(jié)構(gòu)尺寸c(最小升程)小于a，斜撐塊就脫離楔緊，內(nèi)、外環(huán)彼此獨立運動，離合器處于超越狀態(tài)，此時彈簧迫使斜撐塊與兩環(huán)脫開。

斜撐式超越離合器的工作狀態(tài)取決于斜撐塊的成組摩擦元件。斜撐塊是關(guān)鍵元件，離合器依靠其在內(nèi)、外環(huán)之間的楔緊作用來傳遞扭矩。離合器的楔角主要由外環(huán)內(nèi)半徑，內(nèi)環(huán)外半徑及斜撐塊內(nèi)、外凸輪半徑?jīng)Q定。初始楔角是離合器剛啟動時所形成的楔角；工作楔角是離合器在加載過程中所形成的楔角。初始楔角和工作楔角決定了斜撐式超越離合器的綜合性能。初始楔角過小會影響離合器的脫開并在超越狀態(tài)下加速斜撐塊和內(nèi)環(huán)的磨損，使離合器過早失效；工作楔角過大會出現(xiàn)打滑和斜撐塊翻轉(zhuǎn)，使離合器不能自鎖。

2 斜撐塊自鎖條件與楔角的計算

2.1 自鎖條件

斜撐塊與內(nèi)、外環(huán)間的幾何關(guān)系如圖2所示。選擇適當(dāng)初始楔角是實現(xiàn)斜撐式超越離合器正常工作的關(guān)鍵。與滾柱離合器不同的是在斜撐式離合器中有2個不等的楔角，一個在內(nèi)環(huán)接觸點(即切點Q)處，另一個在外環(huán)接觸點(即切點T)處。圖2中從內(nèi)、外環(huán)的旋轉(zhuǎn)中心O通過斜撐塊表面曲率半徑的中心A和B點作兩條射線OA和OB，OA和OB之間形成的夾角為Ψ， 直線QT同時與射線OA和OB相交，分別形成斜撐塊與外環(huán)和內(nèi)環(huán)的楔角W和V。

圖2 斜撐塊的幾何關(guān)系

如果要保證斜撐式超越離合器正常工作，初始楔角應(yīng)當(dāng)使

F內(nèi)>Fq1，

(1)

F外>Fq2。

(2)

否則，斜撐塊不能自鎖，離合器不能正常傳遞扭矩。

斜撐塊與內(nèi)、外環(huán)接觸處的摩擦力為

F內(nèi)=μN1，

(3)

F外=μN2。

(4)

內(nèi)、外環(huán)作用在斜撐塊上的切向力為

Fq1=N1tanV,

(5)

Fq2=N2tanW。

(6)

由(1)～(6)式得，要使離合器正常工作需同時滿足μ>tanV，μ>tanW。由圖2幾何關(guān)系知，V>W,則只要保證μ>tanV，即可保證斜撐式超越離合器正常工作。

2.2 楔角的推導(dǎo)

在△OAB中，∠OAB=90°+Ω+α，OB=Ri+ri，OA=Re-re。AB為斜撐塊的中心距，令A(yù)B=Z。由余弦定理得

由正弦定理得

如圖2所示，過Q點作OT的垂線，垂足為E。在△OQE中，QE=RisinΨ，OE=RicosΨ。

在△QET中

3 實例分析

為了對離合器的超越和傳動狀態(tài)都提供最佳的楔角，在設(shè)計斜撐塊時要充分考慮各種參數(shù)對楔角的影響，對參數(shù)進行優(yōu)化處理，滿足加載到設(shè)計扭矩后μ>tanV。碳素鋼靜態(tài)摩擦系數(shù)μ=0.12，即tanV<0.12，所以V<6.8°?？紤]到安全系數(shù)，一般加載到設(shè)計扭矩后取V=4°～5°[1]。所以取離合器自鎖條件為V≤5°。

某型號離合器的工作條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速no=20 000 r/min，功率Pw=1 120 kW,設(shè)計扭矩T=535 N·m，Re=30.556 2 mm，Red=38.735 mm，Ri=22.225 mm，Rid=15.875 mm，n=36，b=4.495 8 mm，l=16.891 mm;re=4.521 2 mm，ri=4.495 8 mm，α=49.821°，Z=0.746 8 mm。

初始楔角計算結(jié)果為：Ω=16.544 5°，Ψ=0.641 9°，W=1.711 7°，V=W+Ψ=2.353 6°。

通過上面提供的參數(shù)，利用Palmgren[2]給出的鋼對鋼的線性變形公式和Hertz公式[3]，分別計算離合器加載到設(shè)計扭矩時的斜撐塊變形量和接觸寬度，從而可知Re，Ri，ri和re的變化情況。

斜撐塊變形量為

δ=3.84×10-5Q0.9/l0.8。

斜撐塊接觸面半寬為

從而計算出達到設(shè)計扭矩時的工作楔角Ω1=-16.299 4°，Ψ1=1.143 6°，W1=2.990 5°，V1=W1+Ψ1=4.134 2°，結(jié)果滿足自鎖條件。

4 內(nèi)、外環(huán)磨損對工作楔角的影響

斜撐式超越離合器的楔角主要取決于外環(huán)內(nèi)半徑，內(nèi)環(huán)外半徑及斜撐塊內(nèi)、外凸輪半徑。因此內(nèi)、外環(huán)磨損時會對工作楔角產(chǎn)生很大的影響。表1，表2分別列出了上述實例當(dāng)內(nèi)環(huán)Ri的磨損Δ1=0.05，0.10，0.20 mm和外環(huán)Re磨損Δ2=0.05，0.10，0.20 mm后工作楔角的變化情況。從表中可以看出，內(nèi)環(huán)磨損比外環(huán)磨損導(dǎo)致工作楔角變化稍大，當(dāng)內(nèi)環(huán)或外環(huán)磨損量為0.20 mm時，離合器存在安全隱患，由于在工作中內(nèi)、外環(huán)會同時磨損，所以建議內(nèi)環(huán)或外環(huán)的磨損量大于0.10 mm時，更換新的內(nèi)環(huán)或外環(huán)。

表1 內(nèi)環(huán)Ri磨損后的工作楔角

表2 外環(huán)Re磨損后的工作楔角

5 結(jié)束語

初始楔角的計算是超越離合器設(shè)計的關(guān)鍵，楔角的大小要滿足離合器工作狀態(tài)的需要，既在超越時不能發(fā)生自鎖，楔緊同步轉(zhuǎn)動時又不能脫開。通常在保證離合器不打滑的條件下，應(yīng)取較大的楔角，以提高承載能力，延長使用壽命。