斜撐式超越離合器用楔塊的分類及成型方法

李繼鋒 宗曉明 李澤強(qiáng)

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

超越離合器是機(jī)械傳動(dòng)的基礎(chǔ)件之一，它是一種靠主、從動(dòng)部件的相對(duì)速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換而具有自行離合功能的組件。超越離合器按其工作原理分為棘爪式和摩擦式兩類。棘爪式超越離合器是利用棘輪棘爪、滑銷、牙嵌等接合元件來傳遞扭矩。摩擦式超越離合器按照楔緊元件的不同，常用的有滾柱式超越離合器和斜撐式超越離合器兩種結(jié)構(gòu)形式，其分別利用滾柱或楔塊作為楔緊元件來傳遞扭矩。

斜撐式超越離合器是繼滾柱式超越離合器之后開發(fā)的一種新型離合器，它的工作取決于放置在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的楔緊元件——楔塊，使其回轉(zhuǎn)時(shí)可以在一個(gè)方向上傳遞轉(zhuǎn)矩，而在另一個(gè)方向上具有相對(duì)空轉(zhuǎn)的功能。斜撐式超越離合器以楔塊來代替滾柱，內(nèi)、外環(huán)多采用圓形滾道。與滾柱式超越離合器相比，具有承載能力大、可靠性高、反向解脫輕便、結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便和適合批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在機(jī)械傳動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。

目前，國內(nèi)對(duì)斜撐式超越離合器的研究起步較晚，研究比較分散，也沒有專業(yè)化的生產(chǎn)廠家，超越離合器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)和加工工藝還沒掌握，產(chǎn)品的可靠性較低，大多軍、民領(lǐng)域用產(chǎn)品被國外廠家占據(jù)。而國外已有很多專門從事該類型超越離合器設(shè)計(jì)的公司，如德國Stieber、Ringspann 和GMN，美國Formsprag，日本NSK 均能生產(chǎn)各種規(guī)格、性能可靠、可滿足不同工況條件的軍、民品用產(chǎn)品，產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。因此，開展斜撐式超越離合器的研究，縮小與國外的差距具有重要的意義。

楔塊作為斜撐式超越離合器中的關(guān)鍵零件，不但形狀特殊，尺寸精度要求高，其形狀設(shè)計(jì)和成型加工精度，都直接決定著超越離合器的功能實(shí)現(xiàn)和使用壽命。本文對(duì)楔塊從不同角度進(jìn)行分類探討，并闡述了楔塊常用的成型加工方法，為楔塊的選型和加工制造提供參考，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

1 楔塊的特點(diǎn)

楔塊作為超越離合器中重要的楔緊元件，具有幾何形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高等特點(diǎn)。楔塊設(shè)計(jì)的核心在于選擇恰當(dāng)?shù)某跏嘉恢玫慕佑|角，初始接觸角設(shè)計(jì)過小，離合器容易嚙合，但難以脫開，而初始接觸角設(shè)計(jì)過大，離合器承載大，但離合器難以嚙合。一旦預(yù)定合適的初始接觸角后，各種通用規(guī)格楔塊的外形基本上得以確定，一般不得隨意更改楔塊外形。而且楔塊的加工制造通過常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)，需采用特殊的加工工藝。

楔塊的材料應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度及耐磨損的需求，通常選用軸承鋼和高溫鋼等材料，硬度一般在60 HRC以上，工作型面表面粗糙度Ra為0.2～0.4 μm。此外，在一套超越離合器中，楔塊均需單獨(dú)測(cè)量和分組，同一組中其直線度和高度尺寸差通常應(yīng)在0.01 mm以內(nèi)，以便使所有楔塊的應(yīng)力和磨損分布更均勻，提高離合器的壽命。

2 楔塊的分類

2.1 按尺寸規(guī)格

目前，國外的離合器生產(chǎn)廠家已經(jīng)專業(yè)化、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。按內(nèi)、外環(huán)滾道之間形成環(huán)形空間的徑向尺寸大小，國外幾家大的離合器廠家分類出4 種通用規(guī)格的楔塊，其規(guī)格分為6.3 mm、8.33 mm、9.5 mm 和12.7 mm，基本覆蓋了常用的內(nèi)、外環(huán)滾道的直徑范圍和工作扭矩。表1 所示為目前通用規(guī)格楔塊的特性，包括了楔塊的尺寸規(guī)格、內(nèi)、外環(huán)滾道徑向尺寸的允許公差、推薦內(nèi)環(huán)直徑和楔塊長度等參數(shù)，在離合器設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)具體工況，計(jì)算選擇相應(yīng)參數(shù)。

表1 通用規(guī)格楔塊的特性

2.2 按截面形狀

斜撐式超越離合器所用的楔塊大都有特殊的截面形狀，常用的楔塊截面形狀如“8”字形、桃形、“D”字形、中凸形和防“翻轉(zhuǎn)”形等，如圖1 所示。設(shè)計(jì)離合器時(shí)，可根據(jù)具體使用要求選用不同截面形狀的楔塊。

圖1a 所示“8”字形楔塊主要應(yīng)用于雙保持架結(jié)構(gòu)的全相位型超越離合器。該型超越離合器可以保證全部楔塊總是保持同樣的相對(duì)角向位置，即離合器在超越或嚙合時(shí)楔塊轉(zhuǎn)動(dòng)能夠保持很好的一致性，從而使得承載均勻，該類型楔塊在斜撐式超越離合器中應(yīng)用最為廣泛。

圖1b 所示桃形楔塊多用于摩托車和高壓開關(guān)用超越離合器。

圖1c 所示“D”字形和圖1d 所示中凸形楔塊，適用于滿裝楔塊的超越離合器，在同樣結(jié)構(gòu)尺寸下，可以安置更多楔塊，因此能承受更大的傳遞扭矩。

圖1e 所示防“翻轉(zhuǎn)”楔塊，采用該類型楔塊的離合器稱為強(qiáng)制連續(xù)約束型超越離合器，因?yàn)樵谄鋫?cè)面具有特殊幾何形狀的凸緣，在過載條件下，楔塊上的凸緣互相鄰接，因而形成一個(gè)不能“翻轉(zhuǎn)”的整體結(jié)構(gòu)，楔塊只會(huì)與內(nèi)、外環(huán)滾道發(fā)生打滑，使用更加安全可靠。

2.3 按質(zhì)心位置

超越離合器在高速超越旋轉(zhuǎn)時(shí)，楔塊會(huì)產(chǎn)生離心力。根據(jù)楔塊質(zhì)心與接觸線m 的位置不同，楔塊分為離心嚙合型和離心脫開型。其中，接觸線m 是指楔塊外凸輪工作型面與外環(huán)滾道的接觸點(diǎn)同內(nèi)、外環(huán)滾道圓心的連線。

圖2 所示為楔塊的質(zhì)心位置圖，圖2a 所示為離心嚙合型楔塊工作示意圖，圖2b 所示為離心脫開型楔塊工作示意圖。離心嚙合型楔塊的質(zhì)心G 是位于接觸線m 的右側(cè)，此時(shí)形成的離心力矩可以很好的實(shí)現(xiàn)楔塊與內(nèi)、外環(huán)在高轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)接合能力，但在超越過程中楔塊與滾道的磨損會(huì)增大。而離心脫開型楔塊的質(zhì)心G 位于接觸線m 的左側(cè)，當(dāng)外環(huán)超越旋轉(zhuǎn)時(shí)，楔塊在離心力作用下會(huì)形成一個(gè)離心力矩，該力矩減小了楔塊與內(nèi)環(huán)之間的接觸壓力，從而減少了離合器在高速旋轉(zhuǎn)下，楔塊與內(nèi)環(huán)滾道的摩擦和磨損。

因此，離心嚙合型和離心脫開型楔塊的特性總結(jié)如下:

(1)離心嚙合型:在不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)態(tài)迅速嚙合性能好，但超越時(shí)摩擦和磨損較大，適合用于長期嚙合為主的工況條件。

(2)離心脫開型:在離合器高速超越時(shí)，摩擦和磨損小，但不適用于內(nèi)、外環(huán)均為高轉(zhuǎn)速下的嚙合，適合用于內(nèi)環(huán)或外環(huán)一方靜止下的長期超越的工況條件。

2.4 按工作型面

作為超越離合器楔緊元件的楔塊，其工作型面分為外凸輪工作型面和內(nèi)凸輪工作型面，外凸輪工作型面與外環(huán)滾道接觸，內(nèi)凸輪工作型面與內(nèi)環(huán)滾道接觸，如圖3 所示。其中，外凸輪工作型面一般為單圓弧，而內(nèi)凸輪工作型面可采用多種型面類型，如偏心圓弧、阿基米德螺線、對(duì)數(shù)螺線等。因此，按工作型面類型的不同，楔塊可分為偏心圓弧型面楔塊、阿基米德螺線型面楔塊和對(duì)數(shù)螺線型面楔塊。

偏心圓弧型面楔塊，內(nèi)凸輪工作型面可以采用單圓弧、兩個(gè)或兩個(gè)以上圓弧合成，該類型楔塊在超越離合器中應(yīng)用最為廣泛。阿基米德螺線型面楔塊的楔角隨著極角的增大而減小，在負(fù)載下，楔角的變化與極徑ρ、外凸輪工作型面半徑r0、內(nèi)環(huán)滾道半徑R0和外環(huán)滾道半徑R0有關(guān)。而對(duì)數(shù)螺線型面楔塊的楔角不隨著極角的變化而變化，在負(fù)載下，楔角變化只與外凸輪工作型面半徑r0、內(nèi)環(huán)滾道半徑Ri和外環(huán)滾道半徑R0相關(guān)，具有楔角穩(wěn)定性好、載荷均勻、抗負(fù)載能力強(qiáng)和動(dòng)力學(xué)性能好等特點(diǎn)。

楔塊的工作型面對(duì)超越離合器的楔合性能有著重要影響。楔塊工作型面的設(shè)計(jì)影響著超越離合器的楔角、溜滑角和凸輪升程，其工作型面的形狀及參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到離合器的工作性能。

3 楔塊的常用成型方法

楔塊的加工精度對(duì)超越離合器的使用性能有決定性影響，其成型方法是離合器加工中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，楔塊的常用成型方法主要采用拉拔、線切割和擠壓。

3.1 拉拔成型

拉拔是利用外力作用于被拉金屬的前端，將金屬坯料從小于坯料斷面的模孔中拉出，以獲得相應(yīng)的形狀和尺寸制品的一種塑性加工方法。由于拉拔多在冷態(tài)下進(jìn)行，因此也叫冷拔。拉拔生產(chǎn)的工具與設(shè)備簡單，維護(hù)方便，在一臺(tái)設(shè)備上可以生產(chǎn)多種規(guī)格和品種的制品。

通常楔塊的拉拔成型過程如圖4。

通過對(duì)楔塊的坯料經(jīng)過一系列的模具多道拉拔成型，既保證了其橫截面輪廓及尺寸，又具有理想的金屬流線。對(duì)于截面形狀不同的楔塊，拉拔道次隨楔塊的形狀與復(fù)雜程度進(jìn)行調(diào)整。但拉拔由于成型道次多，每道拉拔后均需退火，退火工序多，一般成材率較低。此外，由于楔塊的截面呈非對(duì)稱狀態(tài)，拉拔結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的彎曲和扭曲變形，因此，需要對(duì)最后一道拉拔完成后的坯料進(jìn)行校直，以保證切斷后每個(gè)楔塊的直線度滿足成品要求。

國外主要采用的為拉拔成型方法，這種方法生產(chǎn)效率高、表面光潔、成本低、質(zhì)量一致性高，適用于大批量生產(chǎn)。國內(nèi)還需要對(duì)楔塊的拉拔模具、拉拔工藝和校直技術(shù)等進(jìn)行研究，提高楔塊的質(zhì)量和成品合格率，建立專用生產(chǎn)線，才能真正解決楔塊的批量生產(chǎn)。

3.2 線切割成型

目前國內(nèi)超越離合器的生產(chǎn)還未達(dá)到系列化和批量化，部分生產(chǎn)廠家對(duì)楔塊的成型采用線切割加工，為保證工作型面的表面粗糙度，線切割成型后再進(jìn)行磨加工，來修磨工作型面成型，這種方法雖然加工精度高，但效率低、成本高，因此，只適用于小批量，高精度生產(chǎn)要求。

3.3 擠壓成型

擠壓作為金屬塑性成型技術(shù)的重要成型方法，通過改變擠壓模孔的形狀既可得到各種不同形狀的制品。隨著高強(qiáng)度模具材料的發(fā)展，冷擠壓取得迅速發(fā)展。擠壓成型產(chǎn)品具有尺寸精度高、表面光潔、提高金屬材料的抗變形能力以及生產(chǎn)的成品率較高等特點(diǎn)。

擠壓成型工藝在楔塊的成型方法中，國內(nèi)尚處于探索階段，如何提高成型能力與表面質(zhì)量是該工藝在楔塊成型中亟待解決的問題，該工藝在楔塊成型中的應(yīng)用具有較大的潛力。

4 結(jié)語

從不同角度對(duì)斜撐式超越離合器用楔塊進(jìn)行了分類，從尺寸規(guī)格、截面形狀、質(zhì)心位置以及工作型面的角度對(duì)楔塊進(jìn)行了探討，分析了不同種類楔塊的工作特點(diǎn)，為離合器設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中楔塊的選擇提供了依據(jù)。此外，對(duì)楔塊的常用加工成型方法進(jìn)行了探討，可為楔塊的加工制造提供參考。

［1］《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與手冊(cè)》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第13 冊(cè)“減速器”［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2001.

［2］段廣漢，舒森茂，王傳賢，等.離合器結(jié)構(gòu)圖冊(cè)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］吳凱.高速斜撐式離合器楔塊工作型面及動(dòng)力學(xué)特性研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2011.