斜撐式超越離合器摩擦力矩測試裝置

李慎華，閆素娜，李澤強(qiáng)，張少龍

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.北京控制工程研究所，北京 100091)

斜撐離合器是離合器的重要分支，在航空領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用于直升機(jī)主減速器以及固定翼飛機(jī)的起動(dòng)機(jī)[1]。斜撐離合器裝在主機(jī)內(nèi)，為使其隨時(shí)處于傳遞扭矩的姿態(tài)，斜撐塊的工作表面必須與內(nèi)、外套滾道的工作表面保持接觸狀態(tài)，帶狀彈簧的舌簧對(duì)楔塊側(cè)面的壓力導(dǎo)致斜撐塊與滾道之間存在一定的接觸應(yīng)力，當(dāng)接觸應(yīng)力過大時(shí)，在超越狀態(tài)下會(huì)加速斜撐塊與滾道的磨損，使離合器過早失效。目前，通過專用摩擦力矩儀對(duì)離合器摩擦力矩進(jìn)行測試,是控制斜撐塊與滾道接觸應(yīng)力大小最有效的方式。

1 斜撐離合器的結(jié)構(gòu)與工作原理

斜撐離合器是一種靠主、從動(dòng)部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度變化或回轉(zhuǎn)方向的變換自動(dòng)接合或脫開的離合器[2],基本的斜撐離合器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外套(通常作為從動(dòng)元件)、內(nèi)軸(通常作為主動(dòng)元件)、成組的斜撐塊、內(nèi)保持架、外保持架和帶狀彈簧等組成。

圖1 斜撐式超越離合器結(jié)構(gòu)示意圖

如果內(nèi)軸沿逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)速度ni試圖大于外套轉(zhuǎn)速ne時(shí)，因帶狀彈簧的張緊力和斜撐塊與滾道面的摩擦力，引起斜撐塊圍繞其自身的中心按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于斜撐塊尺寸b大于外套與軸之間的徑向距離a，于是斜撐塊便楔入內(nèi)軸與外套之間實(shí)現(xiàn)剛性連接，從而使內(nèi)軸與外套相互形成楔緊閉鎖來傳遞扭矩，離合器處于傳動(dòng)狀態(tài)。

如果外套沿順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)速ne試圖大于內(nèi)軸轉(zhuǎn)速ni時(shí)，在斜撐塊和滾道間的摩擦力克服彈簧的張緊力，引起斜撐塊圍繞其自身的中心按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，因斜撐塊尺寸c小于兩環(huán)間的徑向距離a，斜撐塊就脫離楔合狀態(tài)，內(nèi)軸與外套彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，離合器處于超越狀態(tài)。在超越狀態(tài)時(shí)，帶狀彈簧通過彈簧力迫使離合器的斜撐塊與兩環(huán)滾道保持接觸狀態(tài)[3]。

2 摩擦工況分析

2.1 斜撐塊的靜態(tài)受力分析

離合器安裝于主機(jī)內(nèi)后,在彈簧的作用下，斜撐塊會(huì)貼合在外套與內(nèi)軸的滾道上，兩滾道與斜撐塊間產(chǎn)生一定的接觸壓力，斜撐塊的靜態(tài)受力情況如圖2所示。

圖2 初始狀態(tài)時(shí)斜撐塊的受力情況

2.2 超越時(shí)離心力對(duì)斜撐塊的影響

超越狀態(tài)下，離合器不承受扭矩，影響斜撐塊受力的主要是彈簧力及斜撐塊自身的離心力。如圖3所示，斜撐塊的質(zhì)心位于接觸線(圖中虛線)的左側(cè)，當(dāng)離合器外套旋轉(zhuǎn)處于超越狀態(tài)時(shí)，由于離心力的作用使斜撐塊形成一個(gè)FcL的力矩，該力矩可降低斜撐塊在內(nèi)軸上的接觸壓力，當(dāng)離心力矩值Mc大于斜撐塊與外滾道產(chǎn)生的摩擦力矩M時(shí)，斜撐塊與內(nèi)軸脫開不再接觸，可降低斜撐塊與內(nèi)軸的磨損[4]。

圖3 離心力對(duì)斜撐塊的影響

推導(dǎo)得斜撐塊的離心力及離心力矩分別為

(1)

Mc=NFcL，

(2)

式中：Fc為每個(gè)斜撐塊的離心力，N；ms為單個(gè)斜撐塊的質(zhì)量，kg；Rs為旋轉(zhuǎn)中心到斜撐塊質(zhì)心的距離，mm；Mc為全部斜撐塊的離心力矩，N·mm；N為離合器中斜撐塊的數(shù)量；L為斜撐塊質(zhì)心到接觸線的距離，mm。

2.3 斜撐離合器減磨約束條件

由于離心力產(chǎn)生力矩Mc降低斜撐塊在內(nèi)軸滾道上的接觸壓力，從而減小測試摩擦力矩M，因此當(dāng)Mc>M時(shí)，斜撐塊與內(nèi)軸滾道分離。

根據(jù)(1)和(2)式可以得出超越離合器減磨設(shè)計(jì)的約束條件為

(3)

3 摩擦力矩測試裝置

3.1 測試原理

當(dāng)外滾道靜止不動(dòng)，內(nèi)滾道按超越方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，離合器與滾道之間的摩擦力矩為

M=NF1μR1，

(4)

式中：F1為斜撐塊內(nèi)圓弧面與內(nèi)軸間的接觸壓力，N；μ為鋼對(duì)鋼的摩擦因數(shù)；R1為內(nèi)套半徑，mm。

3.2 測試方法

摩擦力矩測試儀由儀器主體、精密軸系、力矩傳感器、力矩標(biāo)定機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元、測量控制電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(主流配置)等構(gòu)成。機(jī)械主體如圖4所示，主軸軸系用于支承離合器，驅(qū)動(dòng)部分通過調(diào)節(jié)外套轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)離合器旋轉(zhuǎn)，通過力矩傳感器實(shí)時(shí)采樣摩擦力矩。

圖4 機(jī)械主體結(jié)構(gòu)示意圖

斜撐式超越離合器摩擦力矩測試儀采用直接法，離合器通過測量工裝安裝在主軸上，測量工裝與固定在導(dǎo)軌上的力矩傳感器相連接。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，從而通過測量工裝帶動(dòng)離合器外套轉(zhuǎn)動(dòng)，由于摩擦力矩的存在，會(huì)帶動(dòng)內(nèi)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩傳感器阻礙離合器的內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)，與離合器的摩擦力矩保持動(dòng)態(tài)平衡，則力矩傳感器的輸出力矩即被測離合器的摩擦力矩。測量儀與計(jì)算機(jī)相連接，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測量過程的控制與數(shù)據(jù)采集及處理，在測量結(jié)束后對(duì)摩擦力矩測試結(jié)果、變動(dòng)曲線進(jìn)行評(píng)定、分析并描繪離合器整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的力矩動(dòng)態(tài)曲線，給出最大值、最小值和平均值。

該離合器摩擦力矩測試裝置有以下特點(diǎn)：

1)測量方法簡單，易于掌握，所用的力矩傳感器可以根據(jù)要求采購；

2)測量應(yīng)變的靈敏度高，測量范圍大；

3)可在高溫、低溫、高轉(zhuǎn)速、強(qiáng)磁場等特殊工況下進(jìn)行測量;

4)測量結(jié)果直接通過計(jì)算機(jī)處理，便于傳遞，數(shù)顯和自動(dòng)打印。

為了驗(yàn)證測量儀測值的準(zhǔn)確性，采用輸入標(biāo)準(zhǔn)力矩值與設(shè)備實(shí)際輸出力矩值相比較進(jìn)行判定，驗(yàn)證原理如圖5所示，標(biāo)準(zhǔn)盤與儀器主軸連接，以標(biāo)準(zhǔn)盤半徑和砝碼的質(zhì)量乘積作為標(biāo)準(zhǔn)力矩。測量結(jié)果見表1，由表中數(shù)據(jù)可知，測量誤差均小于允許誤差(±5%)，說明該測量儀的測量精度能夠滿足使用要求。

圖5 力矩驗(yàn)證原理示意圖

表1 標(biāo)準(zhǔn)力矩和測量力矩對(duì)比

4 結(jié)束語

通過對(duì)斜撐式超越離合器的摩擦工況進(jìn)行分析，討論了各約束條件對(duì)摩擦性能的影響，著重分析了斜撐塊離心力對(duì)空載摩擦力矩的影響及斜撐塊與內(nèi)滾道分離的臨界條件。設(shè)計(jì)了一種斜撐式超越離合器摩擦力矩測試裝置，通過對(duì)離合器摩擦力矩的批量測試，該摩擦力矩測量儀運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡便，易于維護(hù)，測量精度高，可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器超越摩擦力矩的測試，從而更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。