張明松 向世杰 伍 強 王 瑤

(三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002)

起重機使用時要求鋼絲繩整齊排列在卷筒上，工作過程中，普遍存在鋼絲繩排列紊亂和換向故障兩個方面的問題，因此如何引導剛絲繩在滾筒上往返整齊排列，一直是研究的熱點[1].目前國內(nèi)外對起重機排繩器換向裝置做了大量研究[2-5]，研究結果表明，傳統(tǒng)的機械結構如凸輪換向機構結構簡單、環(huán)境適應能力較強，但重載下靠高副點線接觸容易磨損造成誤差.液壓或氣動換向裝置，其工作可靠、運動平穩(wěn)，然而復雜環(huán)境下易發(fā)生泄漏，在低速運行時會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象等，不能很好滿足工作需求.牙嵌式離合器作為一種重要的換向裝置，其性能是實現(xiàn)起重機鋼絲繩在工作中往返整齊排列的關鍵因素.目前國內(nèi)的研究主要集中于離合器本身的結合特性，如李興忠等分析了自同步牙嵌式離合器各檔位換檔成功概率的影響因素，確定最優(yōu)換檔速差[6]，孫冬梅等對牙嵌式離合器的接觸強度、彎曲強度、軸向操縱力進行了研究，分析了其傳動能力[7]，范工興對牙嵌式離合器的結合過程進行了仿真，分析得出了主從動件的結合規(guī)律[8]，然而較少的學者對牙嵌式離合器的載荷換向特性進行研究，其性能對離合器功能的實現(xiàn)同樣有著重要的影響.

本文結合某壩門式起重機的排繩設備，提出了一種雙向牙嵌式離合器換向裝置，對其換向特性進行了理論分析與計算，在此基礎上，建立雙向牙嵌式離合器的運動學模型，并通過Solidworks Motion軟件進行運動仿真，得到離合器在換向過程中速度、接觸力與換向時間的關系曲線，分析牙嵌式離合器不同齒面傾角對載荷換向特性的影響，對其載荷換向特性進行研究.

1 牙嵌式離合器換向機理分析

雙向牙嵌式離合器主要由傳動機構與換向機構相互配合工作[9].如圖1所示，裝置運行時，根據(jù)起重機的升降工況，確定卷筒的旋轉(zhuǎn)方向.右圓錐齒輪在傳動鏈輪的帶動下，與卷筒同向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過惰輪傳遞，使左圓錐齒輪與右圓錐齒輪反向轉(zhuǎn)動.當離合器的換向滑套和右圓錐齒輪上的半離合器嚙合時，與之同向轉(zhuǎn)動，換向滑套通過花鍵帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿螺母隨著絲桿的轉(zhuǎn)動向右運動引導鋼絲繩排列，當絲桿螺母接觸右端擋板后，由于擋板的阻礙作用，絲桿傳遞的扭矩將迅速增加，加載在換向滑套嚙合齒上的負荷隨之迅速增加，當其產(chǎn)生的軸向分力大于回位彈簧產(chǎn)生的軸向分力時，換向滑套將與右圓錐齒輪上的半離合器迅速分離并反向滑動至與左圓錐齒輪上的半離合器嚙合，從而實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，達到起重機工作中自動換向和鋼絲繩整齊排列的要求.

圖1 離合器換向原理圖

2 牙嵌式離合器換向特性分析與計算

2.1 載荷計算

當牙嵌式離合器工作時，圓錐齒輪上的半離合器通過與換向滑套的嚙合，帶動換向滑套同向轉(zhuǎn)動，同時傳遞了較大的轉(zhuǎn)矩，半離合器和換向滑套梯形齒面之間相互接觸產(chǎn)生的齒面壓力使換向滑套有發(fā)生分離的趨勢，同時回位彈簧通過撥叉作用于換向滑套產(chǎn)生軸向分力阻止該分離趨勢.對換向滑套嚙合齒進行受力分析，如圖2所示.

圖2 換向滑套嚙合齒受力分析

由圖2分析可得，換向滑套處于嚙合狀態(tài)時有：

對式(1)、(2)求解，可得任意牙嵌式離合器，要使在正常傳遞轉(zhuǎn)矩過程中換向滑套不脫離半離合器，撥叉對換向滑套的力必須滿足：

式中，F(xiàn)c為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩折算力；F1為換向滑套與傳動軸之間的摩擦力；F2為嚙合齒面之間摩擦力；Fn為嚙合齒面間的正壓力；Fat為撥叉對換向滑套的力；α為嚙合齒的齒面傾角.

當換向滑套與左側半離合器嚙合工作時，彈簧呈傾斜狀態(tài)，如圖3所示，撥叉受到回位彈簧的拉緊力FT，使撥叉產(chǎn)生沿軸向的分力Fat作用在換向滑套上，軸向分力的大小也需達到一定數(shù)值時才能阻止正常工作中換向滑套發(fā)生分離.

圖3 撥叉對換向滑套的作用力分析

由胡可定律可得，回位彈簧的彈力FT為：

撥叉對換向滑套的軸向分力Fat為：式中，a為撥叉上端到其轉(zhuǎn)軸的距離；b為撥叉下端到其轉(zhuǎn)軸的距離；c為撥叉轉(zhuǎn)軸到彈簧下固定端的距離；d為彈簧自然狀態(tài)長度；k為彈簧彈性系數(shù).

代入數(shù)據(jù)化簡可得，回位彈簧力FT的最小值應滿足：

當正常排繩時，為了防止換向滑套發(fā)生脫離，彈簧力的最小值必須保證式(6)的條件.另一方面，回位彈簧的力不能過大，那樣將導致?lián)Q向滑套鎖死，不能發(fā)生軸向滑動，即換向功能失效.

當絲桿螺母運動到兩邊極限位置，與擋板發(fā)生接觸時，擋板對絲桿螺母的阻擋作用使接觸載荷迅速變大.當其軸向分力大于撥叉對換向滑套產(chǎn)生的軸向分力時，換向滑套與半離合器發(fā)生分離.由式(6)，此時換向滑套的所受換向載荷Tc需滿足：

分析可得當彈簧彈性系數(shù)、錐輪轉(zhuǎn)速一定時，齒面傾角的不同，將導致離合器換向時需要的換向載荷Tc不同，當彈簧力FT一定時，齒面傾角α逐漸增大，換向滑套所需的換向載荷Tc逐漸減小，越容易發(fā)生分離.

2.2 齒面傾角對彈簧力的影響

雙向牙嵌式離合器通過換向滑套與錐輪上的半離合器分離和嚙合實現(xiàn)換向，當齒面傾角較小時，將會涉及到離合器的自鎖，不能發(fā)生分離，根據(jù)離合器的材料屬性，選取牙面間以及傳遞軸與滑套間的摩擦因數(shù)μ為0.1，由自鎖條件[10]：

因此為使牙嵌式離合器換向滑套能夠正常分離實現(xiàn)換向功能，齒面傾角必須大于18.94°.離合器工作時轉(zhuǎn)矩Tc為3.93 N·m，代入公式(6)，得到回位彈簧在嚙合狀態(tài)時的最小彈力FT與齒面傾斜角α的關系如圖4所示.由圖4可以得出，在18.94～60°之間，防止換向滑套脫離的最小彈簧力隨著齒面傾角增加呈線性增長的關系，當齒面傾角超過60°時，防止自脫需要的最小彈簧力急劇增加.表明錐輪上半離合器對換向滑套的正壓力隨齒面傾角的變大而變小，即當彈簧力、工作轉(zhuǎn)矩一定的情況下，齒面傾角越大，換向滑套越容易自動脫離錐輪，其接合可靠性越低，這與齒面傾角和換向載荷的關系基本吻合.

圖4 齒面傾角與最小彈簧力關系曲線

3 離合器運動仿真分析

在仿真建模中，利用Solid Works三維軟件建立離合器各個零件模型，并對模型進行簡化，嚴格按照各部件之間約束關系裝配，由于圓錐齒輪和惰輪僅表示了半離合器的轉(zhuǎn)動，故對其建模省略，圖5所示為雙向牙嵌式離合器運動學仿真的三維模型圖.

圖5 雙向牙嵌式離合器三維仿真模型

當齒面傾角超出某一值時會導致嚙合齒接觸強度不夠，通過分析限定齒面傾角α必須小于44.88°，則齒面傾角的合理選取范圍為18.94°＜α＜44.88°.在此基礎上分別建立20°、25°、30°、35°、40°這5種不同齒面傾角的換向滑套模型，分析齒面傾角大小對離合器運動特性的影響.

在Solid Works Motion插件中，通過 Motion Manager工具欄對左右半離合器添加一對轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)馬達，輸入轉(zhuǎn)速值為10.8 r·min-1；根據(jù)絲桿的導程設置絲桿的長度65 mm，仿真時間為1 min，根據(jù)嚙合時的撥叉與彈簧固定端的位置關系設置線性彈簧參數(shù)，彈性系數(shù)k=1.5 N/mm，自由長度160 mm，保證嚙合時彈簧彈力大小為80 N.

為研究不同齒面傾角下離合器的換向效果，綜合考慮離合器的換向特性，選取換向滑套的速度和齒面接觸力作為換向特性研究的檢驗指標.通過對不同齒面傾角模型的運動學仿真，得到5種模型在換向過程中滑套的速度和齒面接觸力的數(shù)值，進行對比分析.

3.1 齒面傾角對換向滑套運動特性的影響

仿真后得到5組動態(tài)特性仿真曲線，根據(jù)換向開始時間與結束時間，繪制了5組模型角速度、軸向速度隨時間變化的曲線圖像，如圖6～7所示.

圖6 5種模型滑套角速度對比圖

圖7 5種模型滑套軸向速度對比圖

對比圖6和圖7中的曲線，分析換向滑套角速度和軸向速度對應換向時間的關系，進一步得出如下結論：

1)隨著離合器齒面傾角的減小，換向滑套與圓錐齒輪上半離合器分離后的最大角速度與最大軸向速度不斷增大，在一定范圍內(nèi)呈線性關系.

2)隨著離合器齒面傾角的增大，換向滑套獲得軸向速度和角速度的時間不斷提前，即分離時間不斷提前.

3)每一種齒面傾角模型的換向滑套，在發(fā)生換向的時間內(nèi)，軸向速度都會兩次達到峰值，因為在換向過程中換向滑套還會受到彈簧彈力的加速作用.

由以上結論分析，發(fā)生換向時，由于擋板與絲桿螺母發(fā)生碰撞，擋板對絲桿螺母的阻擋作用使換向載荷迅速變大，使換向滑套與錐輪上的半離合器發(fā)生分離.分離初期換向滑套得到了一個較大的角速度與軸向速度.滑動過程中當換向滑套越過中點時，由于彈簧力的作用，軸向速度會再次迅速增大，隨后迅速與另一側圓錐齒輪上的半離合器接合，由于齒面嚙合作用，換向滑套與圓錐齒輪同速轉(zhuǎn)動，角速度與錐輪大小一致為10.8 r·min-1，此時軸向速度為0.說明換向過程中，圓錐齒輪上的半離合器對換向滑套的正壓力隨齒面傾角的變大而變小，進而表明半離合器與換向滑套的結合力越小，兩者結合的可靠性越差，與上文中對換向滑套理論分析相吻合.

3.2 齒面傾角對換向載荷的影響

在圖8中，分析換向載荷對應換向時間的關系曲線，得出如下結論：

1)隨著離合器齒面傾角的增大，換向滑套所需的換向載荷在不斷減小.

2)不同齒面傾角的離合器，換向載荷開始增大的時間相同，載荷增加的速度相同，但隨著齒面傾角的減小，換向載荷的響應時長在不斷增大，即換向滑套發(fā)生分離的時間在不斷滯后.

圖8 5種模型滑套換向載荷對比圖

可以得出，換向滑套發(fā)生換向時，在擋板對絲桿螺母的阻擋作用下，絲桿螺母對絲桿的反向扭矩會不斷增大，導致?lián)Q向載荷的不斷增加.當彈簧力一定時，隨著齒面傾角的增大，離合器發(fā)生換向時的最大換向載荷減小，與上文中齒面傾角對換向載荷影響的理論分析相一致.

3.3 齒面傾角對接觸力的影響

為進一步研究雙向牙嵌式離合器在換向過程中的穩(wěn)定性，對不同傾角模型下?lián)Q向滑套在換向傳動過程中接觸力的大小和波動情況進行分析.對比齒面傾角分別為20°、30°、40°模型換向滑套齒面接觸力的情況，如圖9所示.

圖9 20°、30°、40°傾角換向滑套接觸力對比圖

分析圖中關系曲線，當裝置正常排繩時，通過圓錐齒輪上的半離合器與換向滑套嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩，嚙合齒上接觸力在某一值范圍內(nèi)周期性上下波動.與30°、40°模型的換向滑套對比，20°齒型換向滑套的接觸力大小集中分布在52 N上下，保持在50～53 N之間，波動幅度最小，而其它兩種模型的接觸力均有較大的波動，說明20°模型換向滑套傳遞扭矩的穩(wěn)定性更好.而齒面傾角較大時，由于半離合器與換向滑套的結合力較小，導致嚙合瞬間接觸力存在較大的波動，穩(wěn)定性較差.

3.4 實物驗證

根據(jù)雙向牙嵌式離合器的結構以及分析仿真結果，選取離合器齒面傾角α為20°，齒數(shù)Z為9，制備裝置的實體模型，如圖10所示.

圖10 雙向牙嵌式離合器實物圖

離合器在某壩壩頂?shù)囊惶栭T式起重機中得到應用.使用過程中，換向滑套和圓錐齒輪上的半離合器能夠穩(wěn)定嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩，在達到設計換向載荷時可迅速分離實現(xiàn)反向嚙合，其良好的載荷換向特性較好地解決了起重機鋼絲繩排列紊亂和發(fā)生換向故障的問題，驗證了結構設計和分析研究的正確性.

4 結 語

1)本文提出一種雙向牙嵌式離合器換向裝置，通過理論計算分析了其載荷換向特性，得到在換向載荷一定時，裝置工作的可靠性與齒面傾角、材料摩擦因素以及彈簧力的大小密切相關.

2)確定了齒面傾角的合理選取范圍(18.94°＜α＜44.88°)，得出了當彈簧力一定時，齒面傾角越大，換向滑套更容易分離，結合的可靠性越低.

3)通過運動仿真分析，得到在圓錐齒輪轉(zhuǎn)速、彈簧預緊力一定時，換向載荷的增長速度與齒面傾角無關；然而，齒面傾角越大，離合器分離時需要的換向載荷越小，圓錐齒輪上的半離合器對換向滑套的正壓力越小，進而表明半離合器與換向滑套的結合力越小，使得嚙合瞬間齒面的接觸力存在較大的波動，穩(wěn)定性較差，和理論分析相吻合.