斜撐式超越離合器楔角的計算分析

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,F外——斜撐塊與內、外環接觸點處的摩擦力，N

Fq1，Fq2——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

N1,N2——楔緊開始時斜撐塊與內、外環間產生的徑向力,N

re——斜撐塊外側型面半徑，mm

ri——斜撐塊內側型面半徑，mm

Re——外環內半徑，mm

Red——外環外半徑，mm

Ri——內環外半徑，mm

Rid——內環內半徑，mm

Z——斜撐塊中心距，mm

α——中心角，(°)

μ——靜摩擦系數

ρ——綜合曲率半徑，mm

δ——變形量,mm

Ω——斜撐塊轉角，(°)

1 結構及工作原理

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，其基本結構如圖1所示。主要由外環(通常作主動元件)、內環(通常作從動元件)、成組的斜撐塊、內保持架、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—內保持架；6—內環(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約束型。全相位型外形結構相對簡單，內、外凸輪由單一圓弧構成，加工難度相對強制連續約束型較小，在發動機的減速器和啟動系統得到廣泛應用；強制連續約束型的斜撐塊內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中得到廣泛應用。

如圖1所示，如果外環按逆時針方向的轉速n1試圖大于內環轉速n2時，因彈簧力作用于斜撐塊，斜撐塊與外環接合面的摩擦力將使斜撐塊圍繞其自身的中心產生逆時針方向轉動，由于斜撐塊結構尺寸b(最大升程)大于兩環之間的徑向距離a，于是斜撐塊便楔入內、外環之間，從而使兩環閉鎖，離合器處于傳動狀態。如果內環按逆時針方向的轉速n2試圖大于外環轉速n1時，在斜撐塊和內、外環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動，因斜撐塊結構尺寸c(最小升程)小于a，斜撐塊就脫離楔緊，內、外環彼此獨立運動，離合器處于超越狀態，此時彈簧迫使斜撐塊與兩環脫開。

斜撐式超越離合器的工作狀態取決于斜撐塊的成組摩擦元件。斜撐塊是關鍵元件，離合器依靠其在內、外環之間的楔緊作用來傳遞扭矩。離合器的楔角主要由外環內半徑，內環外半徑及斜撐塊內、外凸輪半徑決定。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下加速斜撐塊和內環的磨損，使離合器過早失效；工作楔角過大會出現打滑和斜撐塊翻轉，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、外環間的幾何關系如圖2所示。選擇適當初始楔角是實現斜撐式超越離合器正常工作的關鍵。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，一個在內環接觸點(即切點Q)處，另一個在外環接觸點(即切點T)處。圖2中從內、外環的旋轉中心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和內環的楔角W和V。

圖2 斜撐塊的幾何關系

如果要保證斜撐式超越離合器正常工作，初始楔角應當使

F內>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、外環接觸處的摩擦力為

F內=μN1，

(3)

F外=μN2。

(4)

內、外環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

在△OAB中，∠OAB=90°+Ω+α，OB=Ri+ri，OA=Re-re。AB為斜撐塊的中心距，令AB=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都提供最佳的楔角，在設計斜撐塊時要充分考慮各種參數對楔角的影響，對參數進行優化處理，滿足加載到設計扭矩后μ>tanV。碳素鋼靜態摩擦系數μ=0.12，即tanV<0.12，所以V<6.8°?？紤]到安全系數，一般加載到設計扭矩后取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構參數為：轉速no=20 000 r/min，功率Pw=1 120 kW,設計扭矩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，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°，結果滿足自鎖條件。

4 內、外環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內半徑，內環外半徑及斜撐塊內、外凸輪半徑。因此內、外環磨損時會對工作楔角產生很大的影響。表1，表2分別列出了上述實例當內環Ri的磨損Δ1=0.05，0.10，0.20 mm和外環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，內環磨損比外環磨損導致工作楔角變化稍大，當內環或外環磨損量為0.20 mm時，離合器存在安全隱患，由于在工作中內、外環會同時磨損，所以建議內環或外環的磨損量大于0.10 mm時，更換新的內環或外環。

表1 內環Ri磨損后的工作楔角

表2 外環Re磨損后的工作楔角

5 結束語

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