外星轮滚柱式超越离合器的设计

陈怀刚，梁兴江，李慎华，赵圣卿

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

符号说明

b——滚柱长度，mm

C——滚柱与工作面的接触点到离合器轴心线间的距离，mm

d——滚柱直径，mm

D——内环直径，mm

Ev——当量弹性模量，MPa

FA——外星轮对滚柱的摩擦力，N

FB——内环对滚柱的摩擦力，N

FT——弹簧压紧力，N

K1——与原动机类型有关的动载荷系数

K2——与工作机类型有关的动载荷系数

K3——精度系数

L——滚柱中心到离合器中心间的距离，mm

m——滚柱质量，kg

n——离合器转速，r/min

NA——外星轮对滚柱的正压力，N

NB——内环对滚柱的正压力，N

RA——外星轮对滚柱的合力，N

RB——内环对滚柱的合力，N

Tc——离合器的计算转矩，N·mm

Tt——离合器需要传递的转矩，N·mm

z——滚柱数

μA，μB——滚柱与外星轮、内环间的静摩擦系数

α——接触角，(°)

υ——外楔角，(°)

ω——内楔角，(°)

ρv——滚柱与外星轮接触点的当量半径，mm

σH——接触应力，MPa

[σH]——许用接触应力，MPa

外星轮滚柱式超越离合器是一种通过主、从动部分相对运动速度的变化或旋转方向的变换能自动接合或脱开的离合器。这种离合器仅在一个方向上输入传递扭矩，而当输入方向相反或者在传动方向上输出端转速超过输入端转速时，则自动脱开。

1 基本结构及工作原理

外星轮滚柱式超越离合器基本结构如图1所示，主要由外星轮、内环、滚柱、保持架和弹簧等零件构成，依靠滚柱的楔紧作用传递扭矩。为了获得楔形间隙，实现夹紧或放松滚柱，以达到离合器接合或松脱的目的，外星轮的工作面通常情况下为3个轴向平面，另外，工作表面也有对数螺旋面和偏心圆弧面等不同形式。其中，平面形式的外星轮工作面容易加工，但楔角随滚柱和平面的磨损会发生变化，此形式的离合器使用寿命不长；对数螺旋面的楔角为常数，不随磨损而变化，此形式的离合器工作性能稳定，使用寿命长 ，但加工困难；偏心圆弧面的加工难易程度和使用寿命则在前两种形式之间，此形式的离合器使用寿命比平面形式的高3～3.5倍。但若在平面形式的工作面上镶嵌硬质合金块，则其耐磨性会显著提高[1]。图1所示的外星轮工作面为偏心圆弧面形式。

如图1所示 ，外星轮上具有与滚柱数目相同的型腔，滚柱通过保持架定位，保持架则通过外星轮型腔定位，在弹簧的作用下，滚柱滑至外星轮型腔中的工作面上，当在内环上施加转矩时，滚柱就被楔入内环和外星轮工作面之间，同时闭锁这些零件来传递转矩，离合器处于自锁状态。这些滚柱的楔入仅在主动元件(内环)试图比从动元件(外星轮)转动得快时才出现；而当从动元件试图比主动元件转动得快时，滚柱就从楔住状态脱开，并在外星轮和内环的滑动面上滚动或滑动，此时外星轮与内环脱开，离合器处于超越状态[2]。

1—外星轮(从动元件)；2—内环(主动元件)；3—弹簧；4—滚柱；5—保持架

2 接触角的选取

接触角是超越离合器的重要参数之一，对超越离合器的工作性能有显著影响。因此，实现外星轮滚柱式超越离合器正常工作的关键是选择恰当的接触角α。

2.1 受力分析

当内环受逆时针方向转矩或外星轮受顺时针方向转矩时，滚柱被楔入内环和外星轮工作面之间，离合器传递转矩，滚柱处于平衡状态。下面以滚柱为分析对象，其受力情况[3]如图2所示。

图2 滚柱受力分析图

滚柱与外星轮的接触点A处，滚柱受正压力NA，方向由A指向滚柱中心点O；外星轮对滚柱的摩擦力FA，方向沿A点的切线向左；两者的合力为RA，方向沿AB的连线由A指向B。

滚柱与内环相接触点B处，滚柱受正压力NB，方向由B指向滚柱中心点O；内环对滚柱的摩擦力FB，方向沿B点的切线向左；两者的合力为RB，方向沿AB的连线由B指向A。

弹簧压紧力FT及弹簧对其产生的摩擦力很小，为简化计算忽略不计。此时，滚柱处于平衡状态，由平衡条件得

(1)

滚柱所受摩擦力为

FA=NAtanυ，

(2)

FB=NBtanω。

(3)

接触角为

α=υ+ω。

(4)

如图2所示，在△AOB中，由于OA=OB=d/2，则υ=ω，即该类型超越离合器的内、外楔角相等，且为其接触角的一半，故FA=FB,NA=NB。

2.2 自锁条件的确定

若要离合器达到自锁，必须使滚柱与外星轮和内环之间的实际摩擦力FA，FB不大于滚柱与外星轮和内环之间的最大静摩擦力，即

FA≤μANA，

(5)

FB≤μBNB，

(6)

化简可得

α=υ+ω≤arctanμA+arctanμB。

(7)

通常情况下，由于外星轮、滚柱、内环的材料、表面硬度和表面粗糙度基本相同，所以μA=μB，则该类型离合器的自锁条件为

α≤2arctanμA。

(8)

2.3 接触角的选取

通常，本类型超越离合器的外星轮、滚柱和内环的材料都为GCr15，钢-钢之间的静摩擦系数一般取0.10～0.15，则α≤11°20′～17°4′。若α角太大，滚柱不易锁紧；若α角太小，则承受转矩时接触应力较大，自锁后再转为超越状态时，滚柱不易脱开。

对于工作面为平面的外星轮，一般可取α=6°～8°(设计时一般取7°)；而工作面为偏心圆弧面或对数螺旋面的外星轮，由于滚柱磨损等因素对α的影响不大，可取α=10°～12°，α的试验极限值约为14°～17°[4]。

3 其他结构参数的选取

在符合结构需要的条件下，超越离合器各组件的尺寸应尽可能小，既能减轻质量、降低成本，又可以相应地减小离心力的影响。一般选取原则如下：滚柱数取z=3～6，有需要时也可取z=8～12，滚柱长度和直径的比值取b/d=1.5～3；内环直径和滚柱直径的比值取D/d=7～9。表1列出了各种用途超越离合器的z，D/d及b/d值。

表1 z，D/d及b/d值

4 设计计算

4.1 离合器的计算转矩

离合器的计算转矩为

Tc=K3(K1+K2)Tt，

(9)

式中：K1，K2值的选取分别见表2、表3；考虑到零件加工精度对滚柱间载荷分布不均匀的影响，外星轮工作面为平面时K3=1.10～1.50；为偏心圆弧面或对数螺旋面时K3=1.0～1.25。

表2 系数K1的取值

表3 系数K2的取值

4.2 接触强度计算

若不考虑弹簧压紧力及滚动摩擦力，则滚柱与外星轮接触点的正压力为[5]

(10)

式中：一般情况下μA=0.1。

接触应力可用Hertz接触理论的线接触应力基本公式计算[5]，即

(11)

表4 许用接触应力

4.3 弹簧压紧力

弹簧压紧力通过滚柱中心，为保证滚柱与外星轮接触，应克服离心力产生的摩擦力，所以弹簧压紧力需满足[5]

(12)

4.4 滚柱与工作面的接触点到离合器轴心线间的距离

滚柱与工作面的接触点到离合器轴心线间的距离C为离合器设计的一个关键参数，通过它可以确定滚柱和外星轮的接触点位置。C值由下式得到

C=(D+d)/2cosα+d/2 。

(13)

5 设计举例

具体的设计计算过程如图3所示。

图3 计算流程图

某种场合用超越离合器的设计要求如下：工作最高转速n=16 000 r/min，传递最大转矩Tt=40 N·m，离合器需要楔紧的次数为106次，Ev=206 GPa，安装空间尺寸为Φ25 mm×Φ42 mm×16 mm。

现根据要求设计了一个外星轮滚柱式超越离合器，其工作面为偏心圆弧面，α=10°，D=30 mm，d=4 mm，b=12 mm，z=12。由(9)～(11)式分别得Tc=88.8 N·m，NA=4 933.3 N，σH=2 532.2 MPa。由于离合器需要楔紧的次数为106，由表4知[σH]=3 041～3 247 MPa，可知σH≤[σH]，所以选取的结构参数满足设计要求。将结构参数代入(11)～(12)式，得FT=2.85 N，C=18.742 mm。

6 结束语

给出了外星轮滚柱式超越离合器的一般设计方法，在实际的设计过程中应尽量考虑离合器的径向尺寸，特别是高速条件下，较小的径向尺寸可减小离心力的影响。还要考虑主要零件的材料，应使主要零件结合面具有较高的硬度和耐磨性，心部具有一定的韧性，能够承受冲击而避免碎裂。为避免打滑，应保证弹簧及外星轮有足够的刚度。