一種新型液壓摩擦片式離合器

武曉杰 王顯春

（沈陽機床股份有限公司，沈陽 110000）

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一種新型液壓摩擦片式離合器

武曉杰 王顯春

（沈陽機床股份有限公司，沈陽 110000）

摘 要：離合器是機械裝備中的重要部件。為適應機械傳動的需要，目前離合器的種類多種多樣。本文對當今常見的離合器分類、工作原理進行簡述，在此基礎上提出了一種新型液壓摩擦片式離合器，并對其機械結構進行介紹，同時對離合器額定動靜摩擦轉矩進行理論計算，最后介紹其在數控臥式銑鏜床上的應用，并展望其前景。

關鍵詞：離合器 數控機床 摩擦片

前言

在機械傳動鏈中，離合器在動力切換、過載保護等方面發揮著重要作用。按其總體結構分類，它主要可分為牙嵌式、齒輪式、摩擦錐式、離心式、超越式、摩擦片式等。按離合器動作驅動方式分類，它主要可分為機械式、電磁式、液壓式[1]。其中，機械式離合器與電磁式離合器應用最為廣泛。

機械式離合器主要用于過載保護或手動換向，大多在傳動系統靜態或低轉速條件下進行結合脫開，且響應時間較長，在自動化控制中應用較少。電磁離合器則主要通過電流流經電磁線圈產生電磁力，實現結合部位的松開、吸合，從而實現機械傳動鏈的通斷。其動作響應時間短，結構緊湊。但電磁式離合器由于受電磁線圈線徑、額定電流的局限，一般額定靜態、動態傳遞力矩不太大。因此，它在某些結構要求緊湊、力矩傳遞要求高的機械部件中很難應用。液壓式離合器由于采用液壓控制，能夠傳遞較大的靜、動態扭矩，在機械設計中可以作為電磁離合器的一種補充。

本文因臥式銑鏜床傳動結構需求，設計出一款液壓摩擦片式離合器，以替代原機床快速箱部件中的電磁摩擦片式離合器，以期在有限的機床快速箱內部空間內，大幅度提升傳動扭矩，使改型機床的動力輸出更為充足，切削能力進一步提高。

1 新型液壓離合器機械結構

如圖1所示，當油缸體內注入壓力油時，活塞6推動推力球軸承7，經擋圈8對內外摩擦片組施加正向壓力，離合器處于結合狀態，動力經花鍵套1輸入，由連接法蘭13輸出；當油缸內液壓油泄壓時，碟簧復位機構9推動擋圈8，使推力球軸承7、活塞6復位，內外摩擦片間產生間隙、離合器處于脫開狀態。每次松開、結合的活塞行程控制在0.5mm左右。油缸缸體采用45#鋼材質，缸體內圓面精車，表面粗糙度Ra1.6以上。活塞采用40Cr材質，淬火至HRC52以上，內外圓精磨，外圓與缸體保持0.008～0.012mm的間隙，里孔與缸體保持0.05～0.08mm的間隙。內摩擦片采用標準87/SZSC31-2型，共5件；外摩擦片采用標準100/ SZSC31-3型，共4件。

2 靜、動態額定扭矩的理論計算

2.1 摩擦片組正壓力與離合器輸出扭矩的關系

液壓離合器摩擦片組部分參數可作如下假設：p，摩擦片結合面正壓力（Pa）；D1，摩擦片結合面底徑（mm）；D2，摩擦片結合面頂徑（mm）；Dp—摩擦片結合面中徑（mm）；S，摩擦片結合面面積（mm2）；Z，摩擦面對數；i1，主動片片數；i2，從動片片數；f，摩擦系數（鋼-鋼）。

于是，單摩擦面在結合面正向壓力 的條件下，可確定輸出的傳遞扭矩m，如式（1）。

圖1 液壓摩擦片式離合器

該離合器主動片片數i1=5，從動片片數i2=4，摩擦面對數Z=8，于是可求得摩擦片組正壓力p與離合器輸出扭矩M之間的關系如式（3）所示。

2.2 油缸輸入油壓P與磨擦片組正壓力p之間的關系

假設油缸部分參數如下：Sy，油缸截面積（mm2）；Dy1，活塞里孔直徑（mm）；Dy2，活塞外圓直徑（mm）。

于是，由活塞6的平衡條件得：

2.3 油缸輸入油壓P與離合器輸出扭矩M之間的關系

聯立式（3）、式（4），可得

2.4 液壓離合器靜態額定扭矩Ms與動態額定扭矩Md的計算

該離合器采用濕式摩擦片，動摩擦系數fd=0.08，靜摩擦系數fs=0.12。（參考《機床設計手冊》）

調整油缸液壓油壓力的上限值，取決于摩擦片間的許用比壓[p]，即摩擦片組正壓力p≤[p]。若p＞[p]，則摩擦片間的磨損會加劇，離合器壽命會降低。根據《機床設計手冊》查得摩擦片鋼—鋼條件下的許用比壓[p]=12kgf/cm2= 1.176MPa。

取p=[p]為條件，計算離合器靜態額定扭矩Ms與動態額定扭矩Md。此時，由式（4）可得油缸油壓 。

表1 液壓離合器部分尺寸參數

當式（5）中f=fd時，可求得離合器的動態額定扭矩Md≈106Nm；當f=fs時，可求得離合器的靜態額定扭矩Ms≈212Nm。

3 與DLM3型電磁離合器性能比較及其實際應用

DLM3型摩擦片式電磁離合器由于具有易于自動化控制、結構可靠、響應時間短等特點，在當今機床行業中的應用十分廣泛，見圖2。例如，數控臥式銑鏜床主軸箱中鏜軸與平旋盤滑塊間的走刀換向，數控車床床頭箱主傳動高低檔變速等。

圖2 DLM3系列摩擦片式電磁離合器

但是，電磁離合器受電磁力的局限，額定動靜扭矩較液壓式離合器要低。本文所述液壓離合器外觀尺寸參考DLM3-5型電磁離合器設計，離合器外徑、內孔花鍵尺寸均與之相同，只是軸向尺寸略有增加。兩者額定動靜扭矩對比見表2。

表2 兩種離合器額定靜動扭矩對比

由表2可知，液壓離合器額定動靜扭矩能達到相近尺寸電磁離合器的2倍以上，扭矩傳遞性能更為優越。

另外，通過調整離合器油缸中液壓油的輸入壓力，可以方便地調定最大傳遞扭矩，適用于機械設備中使用過載結合子的場合，這一特性也優于電磁離合器。

將該型液壓摩擦片式離合器用于沈陽機床某型臥式銑鏜床結構改進中，獲得了良好效果。通過替換臥式銑鏜床快速箱中電磁摩擦片式離合器，并為之配置液壓管路，機床Z軸的承載能力及利用鏜軸進行重切鉆孔的加工能力均獲得了大幅度提升。通過近一年的驗證，證明該離合器有效、可靠，見圖3。

圖3 液壓摩擦片式離合器的實際應用

4 結論及展望

本文介紹了一種新型液壓摩擦片式離合器，闡述了其機械結構、理論計算、性能對比以及實際應用。由于其具備結構簡單、額定扭矩大、輸出扭矩可調、易于自動化控制等特點，相信會給機械從業者以借鑒，并在未來獲得一定程度上的應用。

參考文獻

[1]何伯吹.機床設計手冊2——零件設計[M].北京：機械工業出版社，1979.

[2]烏爾里希?菲舍爾.簡明機械手冊[M].長沙：湖南科學技術出版社，2012.

New Type Friction Clutch Controlled by Hydraulic Pressure

WU Xiaojie
（Shenyang Machine Tool Co., Ltd,Shenyang 110000）

Abstract:The clutches a re important part in mechanical equipment. For the needing of mechanical transmission, many types of clutch are applied. This article introduce the classification and working principle of common clutches and propose a new type of clutch controlled by hydraulic pressure. Introduce its mechanical structure and get the formula of how to calculate static and dynamic torque. Finally, introduce its appli cation on horizontal milling and boring machine and discuss its prospect.

Key words:Clutch,CNC machine,Friction plate