徐龍　胡志強(qiáng)　楊翊　王超

摘要：從水空兩用推進(jìn)器對(duì)離合器的應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種齒式超越離合器。通過仿真對(duì)離合器在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的接合特性進(jìn)行優(yōu)化分析，討論了輪齒端面倒角和變位系數(shù)對(duì)接合過程、脫開速度和接觸沖擊力的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，增大端面倒角度數(shù)和變位系數(shù)，可加快接合、脫開速度，減小接觸沖擊力；當(dāng)?shù)菇嵌葦?shù)和變位系數(shù)分別為44°和0.84時(shí)，接合特性最優(yōu)。繼續(xù)增大倒角度數(shù)和變位系數(shù)，則接合、脫開速度變慢，接觸沖擊力變大。最后得到了接合特性指標(biāo)最優(yōu)的輪齒結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性和有效性，仿真與實(shí)驗(yàn)的接合特性指標(biāo)相對(duì)誤差小于10%，證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的有效性，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足推進(jìn)器使用要求。

關(guān)鍵詞：水空兩用推進(jìn)器；超越離合器；接合特性；接觸沖擊力

中圖分類號(hào)：TH132.41

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.014

Study on Engagement Characteristics of Gear Overrunning Clutch of Aquatic-aerial Amphibious Propellers

XU Long1，2，3 HU Zhiqiang2，3 YANG Yi2，3 WANG Chao2，3

Abstract： Based on the application requirements of aquatic-aerial amphibious propellers for the clutch， a gear overrunning clutch was designed. The engagement characteristics of clutch under different structure parameters were optimized for analysis through simulation. The effects of end face chamfer and displacement coefficient of gear tooth on engagement processes， disengagement speed and contact impact force were discussed. The simulation results show that increase of the angle of end face chamfer and displacement coefficient may accelerate engagement and disengagement speed and reduce contact impact force. When the number of chamfers and the coefficient of displacement are as 44° and 0.84 respectively， the engagement characteristics are optimal. If they continue to increase， the engagement and disengagement speed becomes slower and the contact impact force becomes larger. Finally， the gear tooth structure parameters with the optimal engagement characteristic index are obtained， and the correctness and validity of the simulation analysis results were verified by experiments. And the relative errors of the engagement characteristic index of simulation and experiments are less than 10%. The effectiveness of the optimized design process is proven， and the design results meet the requirements for the use of the propellers.

Key words： aquatic-aerial amphibious propeller； overrunning clutch； engagement characteristics； contact impact force

0 引言

水空跨域海洋機(jī)器人又稱跨介質(zhì)飛行器［1］，是一種可水空兩棲巡航并能自由穿越水氣界面的新概念海洋機(jī)器人［2］。為保證機(jī)器人的跨域航行性能，推進(jìn)器需滿足空中高速、小轉(zhuǎn)矩和水下低速、大轉(zhuǎn)矩兩種工況，推進(jìn)器的水空切換性能是其中的重難點(diǎn)［3-5］。基于涵道螺旋槳的水空兩用推進(jìn)器采用雙電機(jī)、單螺旋槳的一體化設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)空中和水下推進(jìn)功能：在空中推進(jìn)工況下，采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)；在水下推進(jìn)工況下，采用低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)水空兩種工況的推進(jìn)切換，需要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧的超越離合器。

超越離合器是一種用于主從動(dòng)件之間動(dòng)力傳遞與分離的裝置，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)離合器接合特性開展了研究。CHESNEY等 ［6］對(duì)離合器操作理論進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)楔塊質(zhì)心位置的變化會(huì)影響離合器的接合特性。ROACH 等［7］通過理論分析對(duì)楔塊式、滾柱式及棘輪式等離合器進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)接合特性進(jìn)行了研究。NAGLER等［8］提出了一種改進(jìn)接合觸點(diǎn)的超越離合器，發(fā)現(xiàn)使用改進(jìn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可提高接合能力。卿茂輝［9］設(shè)計(jì)了一款楔塊式超越離合器，研究了楔角變化對(duì)接合特性的影響規(guī)律。嚴(yán)宏志等［10］采用分解法和坐標(biāo)變換建立了楔塊重心位置模型，用ADAMS軟件建立了斜撐離合器動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同重心位置的楔塊對(duì)接觸力及離合器接合、脫開性能的影響規(guī)律。

綜上，針對(duì)離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究多采用數(shù)值模型和仿真的方法，會(huì)忽略一些實(shí)際應(yīng)用時(shí)工況的影響。本文根據(jù)水空兩用推進(jìn)器新需求，具體分析齒式超越離合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接合特性的影響，得到端面倒角和變位系數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，以優(yōu)化離合器的接合特性。

1 齒式超越離合器設(shè)計(jì)與建模

水空兩用推進(jìn)器離合器的設(shè)計(jì)目的是使低速電機(jī)在水下與螺旋槳接合運(yùn)轉(zhuǎn)，在空氣中與螺旋槳脫開。本文以離合器的嚙合過程為切入點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)建模，得到滿足實(shí)際工況的離合器虛擬樣機(jī)模型。

1.1 齒式超越離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水空兩用推進(jìn)器采用雙電機(jī)結(jié)構(gòu)。考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性等因素，兩臺(tái)電機(jī)采用軸向平行布局，也就是將用于水下推進(jìn)的低速電機(jī)與空氣中推進(jìn)的高速電機(jī)平行布置。水空兩用推進(jìn)器采用基于齒輪組的超越離合器。離合器由從動(dòng)部件（螺旋槳）、主動(dòng)齒輪、電機(jī)軸、連接銷軸四部分組成。推進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，齒輪組離合器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

水空兩用推進(jìn)器在水下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍為300～3000 r/min。在此工況下，僅低速電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)穿過電機(jī)軸內(nèi)部的銷軸沿主動(dòng)齒輪殼體上的螺旋滑槽移動(dòng)［11］。銷軸在速度差下通過離心力和慣性力使主動(dòng)齒輪上移，使得主動(dòng)齒輪與從動(dòng)部件嚙合。推進(jìn)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，低速電機(jī)反轉(zhuǎn)，銷軸在速度差下通過慣性力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力使主動(dòng)齒輪脫開嚙合。低速電機(jī)傳動(dòng)的齒輪組均采用直齒圓柱齒輪［12］。在推進(jìn)器水下運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，高速電機(jī)不上電，但在螺旋槳的帶動(dòng)下低速旋轉(zhuǎn)。

水空兩用推進(jìn)器在空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍為6000～20 000 r/min。在此工況下，高速電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪處于分離狀態(tài)。為了提高主動(dòng)齒輪的分離自鎖穩(wěn)定性，低速電機(jī)可反向運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文主要針對(duì)螺旋槳輪齒的端面倒角和主動(dòng)齒輪的變位系數(shù)X開展齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于端面倒角，主要優(yōu)化倒角度數(shù)θ；針對(duì)深度的取值，對(duì)齒輪組進(jìn)行強(qiáng)度理論計(jì)算和仿真校核，得知在齒厚為3 mm的情況下最大深度可取1 mm，倒角度數(shù)最大可取60°。故對(duì)倒角度數(shù)和變位系數(shù)的約束條件為

（1）

式中，Zmin為標(biāo)準(zhǔn)齒輪不根切最小齒數(shù)，取17；Z為變位齒輪齒數(shù)，取11；故計(jì)算出系數(shù)X的下限值為0.35。

將倒角度數(shù)θ和變位系數(shù)X作為仿真試驗(yàn)因子，以同步穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、脫開到獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的三個(gè)階段下的接合、脫開時(shí)間和接觸沖擊力為仿真試驗(yàn)響應(yīng)。在設(shè)計(jì)空間（約束范圍）內(nèi)，采用拉丁超立方抽樣法［13］選取81組均勻樣本點(diǎn)，得到81組不同倒角度數(shù)和變位系數(shù)的組合。

1.3 齒式超越離合器動(dòng)力學(xué)建模

利用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件建立動(dòng)力學(xué)模型。離合器的零部件均為剛體，并對(duì)模型添加自由度約束。主從動(dòng)件依次設(shè)置接觸力，采用接觸沖擊函數(shù)來模擬三維接觸并求解接觸力，接觸沖擊函數(shù)表達(dá)式為

（2）

式中，IMPACT（）函數(shù)為接觸沖擊函數(shù)，是一種基于Hertz理論的函數(shù)，其含義為：用只抗壓縮的非線性的彈簧阻尼方法近似計(jì)算出單邊碰撞力；STEP（）為階躍函數(shù)，是一種特殊的連續(xù)時(shí)間函數(shù)，即從0跳變到1的過程，屬于奇異函數(shù)；x為兩物體的距離，x-為相對(duì)速度；x1為x的自由距離；k為接觸表面的剛度系數(shù)；e為碰撞力指數(shù)；cmax為最大阻尼系數(shù)；d為接觸表面的臨界相互滲透量。

離合器工作時(shí)，螺旋槳需要克服流體阻力矩運(yùn)轉(zhuǎn)。螺旋槳在流體中旋轉(zhuǎn)，螺旋槳所需的轉(zhuǎn)矩T為

T=Kρω2D5（3）

式中，K為轉(zhuǎn)矩系數(shù)（流體仿真得到）；ρ為流體密度；ω為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑。

將轉(zhuǎn)矩T添加到螺旋槳的阻尼作用力上，設(shè)置主從動(dòng)件采用的材料為錫青銅和硬質(zhì)氧化鋁合金，可得到式（2）、式（3）中的參數(shù)設(shè)置，具體見表1。

動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，忽略離合器在制造和安裝過程中產(chǎn)生的誤差。根據(jù)實(shí)際工況，施加約束條件如下：①主從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)副均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);②對(duì)主動(dòng)齒輪與銷軸、螺旋槳施加接觸約束；③對(duì)主動(dòng)齒輪與電機(jī)軸施加圓柱副，對(duì)電機(jī)軸施加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 仿真與分析

2.1 離合器接合特性分析

離合器接合特性體現(xiàn)在接合、脫開時(shí)間和接觸沖擊力大小。對(duì)傳動(dòng)比i為8.6的齒輪組離合器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化如圖3所示，接觸力如圖4所示。圖3中，B、D點(diǎn)為完成接合與脫開時(shí)間點(diǎn)；AB段對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)代表接合時(shí)間，CD段對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)代表脫開時(shí)間。

由結(jié)果可知，螺旋槳在接合后出現(xiàn)了劇烈的轉(zhuǎn)速波動(dòng)和較大的接觸沖擊力。分析其原因如下。

（1）未經(jīng)過優(yōu)化的齒輪組接合時(shí)會(huì)出現(xiàn)多次軸向碰撞后仍無法成功接合的現(xiàn)象，會(huì)增加離合器接合、脫開所需的時(shí)間。且軸向碰撞次數(shù)越多，接合過程越不穩(wěn)定，產(chǎn)生的接觸沖擊力會(huì)越大。為改善齒輪組的接合特性，對(duì)輪齒端部進(jìn)行倒角修形，將螺旋槳輪齒下端切削成三角形，切削度數(shù)不同則接合特性不同。

（2）由于主動(dòng)齒輪的齒數(shù)小于17，會(huì)產(chǎn)生根切，進(jìn)而減弱輪齒接觸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，導(dǎo)致輪齒損傷和發(fā)生變形；反映到離合器的接合特性上會(huì)減慢接合、脫開速度，降低接合過程的穩(wěn)定性，使接觸沖擊力變大。為改善齒輪組的接合特性，對(duì)主動(dòng)齒輪采用正變位，即變位系數(shù)X大于0；正變位后既避免了根切，又提高了輪齒的強(qiáng)度，進(jìn)而提高了接合過程的穩(wěn)定性。

綜上，本文著重研究輪齒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接合特性的影響，將基于輪齒端面倒角度數(shù)θ和變位系數(shù)X開展離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 仿真結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)參數(shù)的其他數(shù)值不變，將81組樣本參數(shù)組合代入結(jié)構(gòu)模型中仿真計(jì)算接合、脫開時(shí)間和接觸沖擊力。將結(jié)果數(shù)據(jù)整理得到結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接合、脫開時(shí)長(zhǎng)和接觸沖擊力的影響，如圖5、圖6所示。可得：θ約44°、X約0.84時(shí)，接合、脫開速度最快，接觸沖擊力最小。

通過控制變量法對(duì)兩設(shè)計(jì)變量深入分析。首先分析變位系數(shù)X不變、改變倒角度數(shù)θ對(duì)接合特性的影響，選取三組仿真結(jié)果如圖7所示。第一組為采用接合特性最優(yōu)的變位系數(shù)0.84時(shí)，倒角度數(shù)為44°的主從動(dòng)件轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線。其余兩組倒角度數(shù)取值采用二分法的思想，取0°～44°和44°～60°的中值22°和52°進(jìn)行分析，其接合特性指標(biāo)見表2。

由表2可得：當(dāng)θ為22°時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象明顯。θ增大至44°時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)消失，且接合與脫開速度變快。再微增θ，轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，故可得出：θ約44°時(shí)，接合后轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，離合器接合特性指標(biāo)最好。

圖8所示為接觸力仿真結(jié)果，0.6 s后的接觸力為恒定值1.86 N?？傻茫害葹?4°時(shí)，接觸沖擊力最小，繼續(xù)增大θ則接觸沖擊力變大，說明倒角度數(shù)對(duì)接合特性的影響較大。

對(duì)變位系數(shù)進(jìn)行接合特性分析。分析倒角度數(shù)θ不變、改變變位系數(shù)X對(duì)接合特性的影響，選取三組仿真結(jié)果如圖9所示。第一組為采用接合特性最優(yōu)的倒角度數(shù)44°時(shí)，變位系數(shù)為0.84的主從動(dòng)件轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線。其余兩組變位系數(shù)取值采用二分法的思想，取0.35～0.84和0.84～1的中值0.595和0.92進(jìn)行分析，其接合特性指標(biāo)見表3。可得： X為0.595時(shí)，接合過程出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象；X增至0.84后，轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象消失，接合、脫開過程平穩(wěn)。當(dāng)X增至0.92時(shí)，又出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象，穩(wěn)定性下降。

圖10所示為接觸力仿真結(jié)果，0.6 s后的接觸力為恒定值1.86 N。

由以上數(shù)據(jù)可得：X為0.84時(shí)，接觸沖擊力最小，繼續(xù)增大X則接觸沖擊力變大；接合特性指標(biāo)受端面倒角度數(shù)θ和變位系數(shù)X的影響較大。由仿真結(jié)果得出：θ為44°、X為0.84時(shí)的離合器接合特性為最優(yōu)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 離合器樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文分析結(jié)果試制的水空兩用推進(jìn)器和離合器樣機(jī)實(shí)物如圖11所示。

為檢驗(yàn)仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，研制了不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的離合器樣機(jī)，進(jìn)一步研究離合器的接合特性。具體方案如下： 主動(dòng)齒輪端和螺旋槳通過低速電機(jī)和高速電機(jī)控制器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。接觸沖擊力通過安裝在測(cè)試殼體上的ATI六維力傳感器來采集。

對(duì)于螺旋槳和主動(dòng)齒輪端的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，采用組合有電壓、電流及轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)采集板卡采集。離合器和推進(jìn)器性能實(shí)驗(yàn)原理如圖12所示。離合器和推進(jìn)器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)照片見圖13。

3.2 結(jié)果與分析

針對(duì)端面倒角度數(shù)θ對(duì)接合特性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。實(shí)驗(yàn)的參數(shù)組合與2.2節(jié)相同，不同參數(shù)下主動(dòng)齒輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速相同，如圖14b所示。圖中a、b和c點(diǎn)代表完成接合時(shí)間點(diǎn)，a1、b1和c1代表結(jié)束脫開時(shí)間點(diǎn)。圖14c所示為接觸力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)?shù)菇嵌葦?shù)為22°、44°和52°時(shí)，離合器的接合時(shí)間分別約為0.21 s、0.093 s和0.31 s，脫開時(shí)間分別為0.6 s、0.142 s和0.38 s，接觸沖擊力分別為-3.91 N、0.265 N和-0.28 N，呈現(xiàn)明顯的先減小后增大趨勢(shì)。44°時(shí)接合、脫開速度最快，沖擊力最小。這與2.2節(jié)的影響規(guī)律一致。

針對(duì)變位系數(shù)X對(duì)接合特性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。實(shí)驗(yàn)的參數(shù)組合與2.2節(jié)對(duì)應(yīng)，不同參數(shù)下主動(dòng)齒輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速相同，如圖15b所示。圖15c所示為接觸力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)變位系數(shù)為0.595、0.84和0.92時(shí)，離合器的接合時(shí)間分別約為0.49 s、0.093 s和0.3 s，脫開時(shí)間分別為0.76 s、0.142 s和0.61 s，接觸沖擊力分別為-14.01 N、0.265 N和-5.34 N，呈現(xiàn)明顯的先減小后增大趨勢(shì)。變位系數(shù)為0.84時(shí)接合、脫開速度最快，沖擊力最小。這與2.2節(jié)的影響規(guī)律一致。

根據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，得到接合特性最優(yōu)時(shí)端面倒角度數(shù)和變位系數(shù)分別為44°和0.84。其仿真與實(shí)驗(yàn)的接合特性對(duì)比見表4。可以看出，仿真與實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差小于10%。且在仿真與實(shí)驗(yàn)的分析過程中，倒角度數(shù)和變位系數(shù)對(duì)離合器接合特性的影響規(guī)律較吻合。這表明仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)具有很高的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種齒式超越離合器，基于動(dòng)力學(xué)理論建立了離合器的結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)離合器的結(jié)構(gòu)和各工況下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析，得到了輪齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接合特性的影響規(guī)律。最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，證明了通過優(yōu)化輪齒端面結(jié)構(gòu)和變位系數(shù)可以改善齒式超越離合器的接合特性。具體結(jié)論如下：

（1）當(dāng)端面倒角度數(shù)和變位系數(shù)分別為44°和0.84時(shí)，齒式超越離合器的接合特性最優(yōu)。

（2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性和有效性，仿真與實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差小于10%，證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的有效性。

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（編輯 陳 勇）

作者簡(jiǎn)介：

徐 龍，男，1995年生，碩士研究生。研究方向?yàn)榭缬蚝Ｑ髾C(jī)器人推進(jìn)器設(shè)計(jì)與優(yōu)化、超越離合器設(shè)計(jì)、優(yōu)化及性能。發(fā)表論文1篇。

胡志強(qiáng)（通信作者），男，1980年生，研究員、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楹Ｑ髾C(jī)器人總體設(shè)計(jì)等。獲中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)（集體）1項(xiàng)，發(fā)表論文70余篇。E-mail：hzq@sia.cn。

收稿日期：2022-07-13