滾柱式超越離合器失效分析及結構優化

郭鑫+王玉飛++沈倩

摘 要：針對某雙驅動和雙速驅動系統中傳動箱用滾柱式超越離合器在使用中出現的故障進行失效分析，分別從超越離合器的承載能力、外星輪以及彈簧的結構上進行優化設計，并對優化后的超越離合器進行了相關試驗驗證。試驗結果表明，通過結構優化有效提高了超越離合器的承載能力和使用性能，可為今后類似產品的設計應用提供參考。

關鍵詞：滾柱式超越離合器 失效分析 結構優化 試驗驗證

中圖分類號：TH133.31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（a）-0017-03

超越離合器是一種特殊的機械離合器，在機械傳動中由主、從動部分相對運動速度變化或旋轉方向的改變使其自動楔緊或脫開。主動元件只能從單一方向使從動元件轉動，如果主動元件改變方向，從動元件就自動脫離不傳遞動力，故又稱單向離合器。常用超越離合器有滾柱式超越離合器和斜撐式超越離合器兩種結構形式，其分別利用滾柱或楔塊作為楔緊元件來傳遞扭矩。

滾柱式超越離合器一般由外圈、內圈、保持架、滾柱和彈簧組成，根據其星輪布置不同，可以分為外星輪和內星輪兩種。星輪是具有容納滾柱的凹槽零件，按星輪工作面的形狀不同，又可分為平面型、偏心圓柱面型和對數螺旋面型等三種。滾柱式超越離合器由于滾柱在內、外圈之間能自由轉動，與內、外圈接觸點經常變化，磨損比較均勻、當短時過載時，滾柱打滑不會破壞離合器，在扭矩減小后，離合器仍能楔緊恢復正常工作狀態，可靠性高等特點。

1 結構簡介

該文所述滾柱式超越離合器用于某雙驅動和雙速驅動系統中。所謂雙驅動和雙速驅動系統是指安裝兩個驅動裝置，從動裝置通過傳動箱可被其中任何一個或者兩個驅動裝置所驅動，且從動裝置在兩個驅動裝置的作用下可實現高速或低速運行的系統。圖1為某雙驅動和雙速驅動系統圖。

通過在系統中傳動箱兩個帶輪中各安裝一套超越離合器A和超越離合器B，兩套離合器類型結構相同，均為滾柱式超越離合器，在安裝時，兩個帶輪中超越離合器安裝方向相反，就能通過帶傳動來實現雙驅動和雙速驅動的動力自動切換，不需要手動操控。

雙驅動和雙速驅動系統中傳動箱所用滾柱式超越離合器的工作方式為：

（1） 當驅動裝置A按圖示箭頭方向旋轉時，超越離合器A楔緊，帶動從動裝置按同一方向旋轉。此時，超越離合器B脫開，驅動裝置B不連動。

（2）反之，當驅動裝置B按圖示箭頭方向旋轉時，超越離合器B楔緊，帶動從動裝置旋轉，離合器A處于脫開狀態，驅動裝置A不連動。

該滾柱式超越離合器由內圈、外星輪（外圈）、滾柱和彈簧組成，通過對外星輪設計特殊的凹槽結構實現了在沒有保持架的情況下，滾柱和彈簧在安裝時不脫落。圖2為滾柱式超越離合器結構圖。

2 失效分析

在雙驅動和雙速驅動系統工作過程中，發現傳動箱中超越離合器未能正常傳遞動力。通過拆解檢查，發現超越離合器中外星輪個別過梁出現斷裂、多數彈簧發生嚴重扭曲變形和斷裂現象。圖3和圖4分別為該超越離合器中外星輪和彈簧失效狀態。

經分析，導致上述現象主要有原因以下幾種。

（1）驅動裝置功率較大，在起動瞬間對傳動箱中超越離合器存在極大的慣性沖擊，加之超越離合器在設計初其扭矩儲備系數小，抗沖擊能力差。

（2）驅動裝置停機瞬間，超越離合器中外星輪在慣性力下仍會保持旋轉，此時滾柱在離心力作用下，會過度壓縮彈簧直至彈簧壓并，在頻繁的沖擊壓縮下，彈簧發生塑性變形和疲勞，最終致使彈簧失去彈力。

（3）超越離合器中的彈簧失去作用后，滾柱在慣性力下會直接沖擊作用在外星輪的過梁上，致使其發生沖擊斷裂。

3 結構優化

為解決該滾柱式超越離合器在使用過程出現的故障，提高可靠性，對其結構進行優化設計。

（1）在現有結構尺寸不變的條件下，通過增加超越離合器中滾柱數量，增大離合器的傳遞扭矩，從而提高其抗沖擊載荷能力。表1為滾柱式超越離合器優化后設計參數。

已知傳動箱中超越離合器所需傳遞扭矩T=102 N·m，考慮在傳扭過程中沖擊載荷較大，取儲備系數，可得超越離合器的計算扭矩。

超越離合器額定扭矩計算公式如下：

滾柱與內圈滾道接觸應力：≤

式中，E為材料彈性模量；FN為滾柱與內圈滾道正壓力；d為滾柱直徑；

Lwe為滾柱有效長度；R為內圈的外半徑；Z為滾柱數量；α為楔角；為許用接觸應力，離合器額定楔緊次數為106，取3 200 MPa。

經計算得出優化后超越離合器額定扭矩 N·M≥TC。優化前超越離合器中滾柱數Z=16，額定扭矩 N·M，相比之下，通過優化結構設計參數，超越離合器的承載能力增加20%左右。

（2）優化超越離合器中外星輪的結構設計。目前外星輪的結構設計中，滾柱在慣性力的作用下，會一直壓縮彈簧直至彈簧壓并為止，對彈簧的使用壽命影響很大。優化后的結構設計中，外星輪上設計有“限位部分”，通過限制滾柱在慣性力的作用下的后退距離，保護彈簧始終在允許壓縮范圍內，不會出現彈簧壓并現象，從而提高了彈簧以及整個超越離合器的使用壽命。圖5所示為滾柱式超越離合器結構優化前后對比圖。

（3）改進超越離合器中彈簧結構形式。由原來的異形螺旋彈簧改為K字形彈簧。異形螺旋彈簧的抗慣性沖擊能力相對較差，且在多次沖擊振動后易發生塑性變形。而K字形彈簧更安全可靠，且對滾柱的整體受力較均勻，有利于保證超越離合器在楔緊時所需的彈簧力以及在超越脫開時的耐沖擊力。圖6為彈簧優化前后結構形式。

4 試驗驗證

為驗證優化后滾柱式超越離合器的承載能力和使用性能，對超越離合器進行了相應的試驗驗證。

（1）超越離合器承扭試驗：實際驗證超越離合器的扭矩承載能力。圖7為離合器承扭試驗裝置示意圖。

（2）超越離合器性能試驗：實際驗證超越離合器在雙驅動和雙速驅動系統中的楔緊和脫開功能以及動力切換性能。圖8為雙驅動和雙速驅動系統試驗臺。

按照優化改進后的方案，試制出10套超越離合器進行試驗考核，試驗情況如下：

（1）抽取其中2套超越離合器進行承扭試驗，得出試驗件承扭均超過350 N·m而未發生打滑失效，滿足離合器在傳動箱中的傳遞扭矩要求。

（2）在雙驅動和雙速驅動系統試驗臺上，10套超越離合器楔緊和脫開功能正常，動力自動切換順利且性能穩定，可靠地實現了雙驅動和雙速驅動功能。

試驗結果表明，滾柱式超越離合器的優化改進合理有效，解決了在使用中出現的故障，產品性能滿足使用要求。

5 結語

該文通過對某雙驅動和雙速驅動系統中傳動箱用滾柱式超越離合器在使用中出現的故障進行失效分析，從超越離合器的承載能力、外星輪以及彈簧的結構上進行優化設計，并對優化后的超越離合器進行了承扭試驗和系統性能試驗驗證。試驗結果表明，通過優化設計有效提高了超越離合器的承載能力和使用性能。

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