滾柱式單向超越離合器的受力和運動分析

【摘要】本文對滾柱式單向超越離合器的結構組成和工作原理作了介紹，并對其受力和運動情況進行了基礎性分析，同時分析了滾柱式單向超越離合器的自鎖條件，并列出了其基本幾何尺寸計算公式，以便學生能更好、更全面地理解滾柱式單向超越離合器的工作原理等相關知識。

【關鍵詞】滾柱式 超越離合器 工作原理 受力分析 運動分析

【中圖分類號】TH11 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0253-02

我們在對學生講授機械設計和機械基礎課程中的滾柱式單向超越離合器的工作原理時，發(fā)現(xiàn)有不少學生對滾柱式單向超越離合器工作原理中的不同運動情況的原因不能較好地理解，特別是在以星輪為主動件時，覺得更難理解。為此，我們在這里對滾柱式單向超越離合器的運動和受力情況作一基礎性分析。

1.滾柱式單向超越離合器的結構組成和工作原理

首先介紹一下滾柱式單向超越離合器的結構組成和工作原理，如圖1所示，滾柱式單向超越離合器主要由星輪4，帶外圈m的齒輪2，滾柱3及彈簧銷7組成。其工作原理是當外圈m為主動以慢速逆時針方向回轉時，滾柱在摩擦力的作用下，被楔緊在外圈與星輪之間，這時外圈通過滾柱帶動星輪（軸）以慢速逆時針方向同步回轉；在外圈以慢速逆時針方向回轉的同時，若軸由另外一個運動源（如電動機）帶動快速作同方向回轉，此時由于星輪的回轉速度高于外圈，滾柱從楔縫中松回，使外圈與星輪脫開，按各自的速度回轉而互不干擾（即此時星輪超越外圈快速運動）；當電動機不帶動軸快速回轉時，滾柱又被楔緊在外圈與星輪之間，使軸隨外圈作慢速回轉。反之，當星輪4為主動以慢速順時針方向回轉時，滾柱被楔緊在外圈與星輪之間，這時星輪（軸）通過滾柱帶動外圈作順時針方向同步回轉；若外圈回轉速度高于星輪作快速同方向回轉，則外圈超越星輪，按各自的速度同方向回轉而互不干擾；而當星輪逆時針方向回轉時，則不能帶動外圈作同方向回轉。

2.滾柱式單向超越離合器的受力和運動分析

下面對滾柱式單向超越離合器的上述運動原理進行受力方面的基本分析。

當外圈為主動作逆時針方向回轉時，如圖2所示，滾柱在摩擦力FTA的作用下，被楔緊在外圈與星輪之間，這時外圈通過滾柱帶動星輪一起作逆時針方向同步回轉。（圖中受力分析研究對象為滾柱，下同。）

當外圈為主動而作順時針方向回轉時，如圖3所示，滾柱在摩擦力FTA的作用下，滾柱從楔縫中松回，使外圈與星輪脫開，這時外圈不能帶動星輪一起作同步回轉。

當星輪為主動作順時針方向回轉時，如圖4所示，由于結構形狀和尺寸的原因，圖中涂黑部分起到楔緊塊作用；滾柱在摩擦力FTA的作用下，被楔緊在外圈與星輪之間，這時外圈在摩擦力F’TA（F’TA為滾柱對外圈的作用力）的帶動下與星輪一起作順時針方向同步回轉。

當星輪為主動而作逆時針方向回轉時，如圖5所示，滾柱在摩擦力FTA的作用下，滾柱從楔縫中松回，使外圈與星輪脫開，這時星輪不能帶動外圈一起作同步回轉。

3.滾柱式單向超越離合器的自鎖條件和基本幾何計算

下面對滾柱式單向超越離合器的自鎖條件進行簡要分析。

滾柱式超越離合器結構簡圖如圖6所示，假設滾柱、外圈、星輪均為剛體，其自鎖條件是外圈滾道與滾柱在接觸點B不打滑，故必須滿足：

μFn>Ft （1）

取滾柱為隔離體，并對A點取力矩，有：

Ft×r（1+cos？準）=Fn×rsin？準 （2）

解式（1） 和式（2） 可得：

tan■=1+■<μ （3）

即？準<2arctanμ=2α，？準<2α（其中μ為摩擦系數(shù)，α為摩擦角），這就是滾柱式超越離合器自鎖的條件。取鋼的摩擦系數(shù)μ=0.1，則若？準<12o，離合器就能自鎖。而在實際工作中，由于有彈、塑性變形和磨損，實際工作楔角要大于設計楔角，為了保證有一定的壽命和工作的可靠性，在工程上常取？準=6o～8o。

滾柱式單向超越離合器的基本幾何計算：

如圖6所示，工作平面與星輪中心的距離

h=（R-r）cos？準-r

滾柱楔緊時的中心與星輪中心的距離

b=（R-r）sin？準

彈簧銷至星輪中心的距離

a=（R-r）sinβ

由前述式（3）可知，這種超越離合器的設計尺寸應滿足：arccos（■）≤2α（α為摩擦角）的要求。

4.結論

通過對滾柱式單向超越離合器的受力和運動分析，以及對滾柱式單向超越離合器的自鎖條件的分析，結合滾柱式單向超越離合器的基本幾何計算，使學生能更好地理解滾柱式單向超越離合器的工作原理等相關知識。

參考文獻：

[1]機械設計手冊新版.第三卷.機械工業(yè)出版社

[2]陳海魁.機械基礎（第三版）.北京：中國勞動社會保障出版社，2001.1

[3]方鍵.機械結構設計（第一版）.化學工業(yè)出版社，2010.8