離合器楔合失敗因素分析

萬載宏

摘要：本文通過對斜撐式超越離合器的原理和結構受力分析，找出影響斜撐式超越離合器可靠楔合的因素，得出在斜撐式超越離合器設計、制造、使用等方面的控制要素，用于指導排除斜撐式超越離合器契合失敗故障。

Abstract： Throughing analyze working principle and structure stress of sprag overrunning clutch ， find the influence factors of the clutch reliable wedge. Obtain the key control elements of designing ，manufacture and working condition ect.Guidance solving of the clutch unreliable wedge.

關鍵詞：斜撐式超越離合器;契合;斜撐塊;離合器初始楔角;離合器工作楔角

Key words： sprag overrunning clutch;wedge;sprag brace;initial wedge angle;working wedge angle

0 ?引言

斜撐式超越離合器作為航空傳動系統中的關鍵部件，需要在高速、重載、受力復雜的工況下穩(wěn)定可靠工作，一旦出現離合器不能可靠楔合，則會引起傳動機件損傷，甚至導致傳動系統失效等嚴重事故，由于目前國內還沒有國產化此類離合器，因此通過斜撐式超越離合器結構原理和受力分析，找出影響斜撐式超越離合器可靠楔合的因素和控制要素，既可用于指導排故，也有利于促進斜撐式超越離合器的國產化設計、制造和使用。

以某飛行器傳動齒輪箱為例，齒輪箱由大小2個傳動源、傳動元件（齒輪、軸、軸承等）、1個主2個副斜撐式超越離合器組成，帶轉多個負載。當齒輪箱小負載運行時由小傳動源通過一個副離合器內環(huán)帶轉外環(huán)大傳動源，同時通過另一個副離合器內環(huán)帶轉外環(huán)負載;當需要大負載工作時則大傳動源起動升轉，小傳動源停止工作降轉，即主離合器內環(huán)升轉（大傳動源），外環(huán)降轉（小傳動源），當主離合器內環(huán)升速超越外環(huán)降速瞬間時，主離合器楔合，內環(huán)帶轉外環(huán)，外環(huán)負載交由內環(huán)驅動;同時因小傳動源停轉使得二個副離合器內環(huán)降轉，與外環(huán)負載脫離。

該齒輪箱2個傳動源正常轉換的關鍵是主離合器能正常契合，由于齒輪箱裝于飛行器內，在空中復雜工況下，大傳動源轉速和主離合器受力不穩(wěn)定，影響了主離合器的正常楔合，導致內環(huán)繼續(xù)升轉，外環(huán)繼續(xù)降轉，當內外環(huán)轉差超過大于10%后才楔合，引起楔合時沖擊載荷過大，傳動軸和負載軸斷裂。下面就通過主離合器結構原理和受力分析，找出不能正常楔合帶動負載的影響因素。

1 ?結構原理

①斜撐式超越離合器主要由內/外環(huán)、斜撐塊、內/外保持架、彈簧波帶等組成（如圖1所示）;內/外環(huán)與斜撐塊為主要承載傳動零件;內/外保持架起導向作用，使斜撐塊在承載時相位一致，承載均勻;彈簧波帶的主要作用是使斜撐塊與內/外環(huán)時刻保持接觸，保證離合器隨時從超越狀態(tài)過渡到楔合狀態(tài)。

②離合器的內環(huán)為主動環(huán)，外環(huán)為被超越環(huán)，即脫離狀態(tài)的承載環(huán)，內外環(huán)均時針轉動;斜撐塊的內外凸輪面均是偏心圓弧面，內外環(huán)之間的環(huán)向間隙為b，斜撐塊的長軸尺寸a（最大升程）大于b，斜撐塊的短軸尺寸c（最小升程）則小于b。

2 ?受力分析

①脫離工作狀態(tài)（小負荷）：外環(huán)帶轉負載工作，外環(huán)轉速n外遠遠大于內環(huán)轉速n內，外環(huán)相對于內環(huán)順時針旋轉（內環(huán)相對于外環(huán)逆時針旋轉），斜撐塊與內、外環(huán)滾道之間的摩擦力F內、F外克服彈簧力，使斜撐塊圍繞自身中心C順時針轉動，由于a小于b，斜撐塊便位于內外環(huán)之間處于自由狀態(tài)，內、外環(huán)獨立旋轉，超越離合器處于非楔合狀態(tài)，外環(huán)的負載不能通過斜撐塊傳遞給內環(huán)，離合器處于超越脫離狀態(tài)。

②超越楔合狀態(tài)（大負荷）：當內環(huán)轉速上升，外環(huán)轉速下降，即內環(huán)超越外環(huán)帶轉負載時，內環(huán)轉速n內≥外環(huán)轉速n外，內環(huán)相對于外環(huán)順時針旋轉（外環(huán)相對于內環(huán)逆時針旋轉），在彈簧力和斜撐塊與內、外環(huán)滾道之間的摩擦力F內、F外作用下，克服內、外環(huán)傳遞扭矩負載時而作用在斜撐塊上的切向力Fq內、Fq外，使斜撐塊圍繞自身中心C逆時針轉動，由于a大于b，斜撐塊便楔緊于內外環(huán)之間，使內外環(huán)鎖閉，內環(huán)帶動外環(huán)轉動，外環(huán)的載荷便通過楔緊的斜撐塊傳遞給內環(huán)，離合器處于楔合工作狀態(tài)（如圖2所示）。

③超越楔緊瞬時受力分析：如果要保證斜撐式超越離合器正常工作，斜撐塊必須與內外環(huán)契合，斜撐塊與內、外環(huán)接觸點處的摩擦力F內、F外必須分別大于內、外環(huán)傳遞扭矩時作用在斜撐塊上的切向力Fq內、Fq外，即：F內>Fq內，F外>Fq外（不考慮彈簧力）。

摩擦力F內=μ內×N內;F外=μ外×N外。

切向力Fq內=tanγ×N內;Fq外=tanβ×N外。

由此得出：μ內>tanγ;μ外>tanβ。

通過圖3的幾何關系可以推算得出：

角β=arctan;角γ=β+ψ。

3 ?影響因素

通過以上公式可以看出：實現斜撐式超越離合器正常契合有兩個方面的因素，一是摩擦系數，二是離合器楔角，即角γ和角β，下面就這兩方面的影響因素進行分析。

3.1 摩擦系數

摩擦系數μ與接觸物體材料、接觸面情況、相對運動速度這三大因素有關，通過以上公式可以看出，理論上摩擦系數μ越大越有利于契合。

①接觸物體材料選擇：因為斜撐式超越離合器為高速重載的機械結構，轉速達20000轉/分鐘，受力結構與軸承類似，考慮到高速轉動下的承載能力和耐磨性，因此應選擇軸承鋼類材料，對于不同成份的軸承鋼而言，其摩擦系數μ差異不大。

②接觸面情況包括表面粗糙度、干濕度和溫度：表面粗糙度越大摩擦系數μ越大，表面粗糙度不僅對摩擦系數μ的影響很大，而且對大承載、高速轉動下的磨損和壽命影響更大，因此應在保證摩擦磨損、保障壽命的前提下，增加表面粗糙度以增大摩擦系數μ;干濕度和溫度在正常工作范圍內變化時，對軸承鋼類金屬材料之間的摩擦系數μ影響不大。

③相對速度可影響摩擦系數μ，對于不同材料相對速度對摩擦系數的影響是不同的，對于含Cr較高的軸承鋼而言（如GCr15鋼），摩擦系數隨法向載荷和滑動速度（相對轉速）的增加而降低，因此在保證載荷滿足使用條件下，降低相對速度可提高摩擦系數μ。

3.2 角γ和β

①斜撐式超越離合器的關鍵元件是斜撐塊，離合器剛楔合受力時形成的楔角為初始楔角ψ，通過以上公式可以看出：角γ和β與離合器初始楔角ψ密切相關，設計或選型離合器時，必須計算離合器的初始楔角ψ，保證離合器在加載楔合時μ內>tanγ和μ外>tanβ。初始楔角ψ主要由斜撐塊楔合受力時的內、外側型面半徑r內、

r外以及外環(huán)內徑R外、內環(huán)外徑R內所決定。

②離合器在加載過程中其楔角會發(fā)生變化，離合器在加載契合過程中形成的楔角為工作楔角ψ'，工作楔角ψ'會隨斜撐塊與內外環(huán)接觸切點Q/P位置變化而變化，因此加載契合過程中的工作楔角ψ'大小由斜撐塊內、外側型面上切點Q/P位置決定，而切點Q/P的位置又受斜撐塊內外側型面與內外環(huán)尺寸，斜撐塊與內外環(huán)之間磨損變形，以及傳載時受力大小和方向等因素影響。

1）斜撐塊內外側型面與內外環(huán)尺寸影響：初始楔角ψ和工作楔角ψ'決定了離合器的綜合性能，初始楔角ψ過小會影響離合器的脫開并在超越狀態(tài)下加速斜撐塊與內環(huán)的磨損，工作楔角ψ'過大會出現打滑和斜撐塊翻轉，使離合器不能自鎖楔合，因此初始楔角ψ和工作楔角ψ'是設計的關鍵參數，是實現斜撐式超越離合器正常工作的關鍵，因此應計算保證最小楔角ψ（不打滑或翻轉）的情況下，取較大楔角ψ（減小磨損），增加可靠性，提高承載力和壽命。

2）斜撐塊與內外環(huán)之間磨損變形影響：由于長時間在脫離工作狀態(tài)（小負荷）工作，離合器C處于超越脫離狀態(tài)，但在彈簧力作用下，高速旋轉運動會導致斜撐塊內、外側型面與內外環(huán)出現較大磨損，引起R內、R外和r內、r外尺寸變化，對工作楔角ψ'產生很大影響（內外環(huán)每磨損0.05mm，通過計算角度有明顯變化），從而導致tanγ和tanβ較大變化，影響正常楔合，因此重點考慮彈簧力、內外環(huán)轉速以及材料的耐磨性。

3）傳載時受力大小和方向影響：當內外環(huán)的同軸度不滿足要求時，會導致超越楔緊瞬時斜撐塊與內外環(huán)間徑向力N內和N外產生不必要的分力，從而改變斜撐塊與內、外環(huán)接觸點處的摩擦力F內和F外，公式μ內>tanγ和μ外>tanβ不成立，嚴重影響正常楔合，出現打滑或翻轉;超越楔緊瞬時相對速度和離合器的振動對傳載時的受力大小和方向影響極大，當內外環(huán)轉速發(fā)生波動時，導致內外環(huán)與斜撐塊的相對速度發(fā)生變化，從而改變受力方向，嚴重影響正常楔合，出現打滑或翻轉。

4 ?控制要素

通過以上的影響因素分析，可以得出斜撐式超越離合器可靠契合所需要控制的關鍵要素，防止契合失敗故障重復發(fā)生。

4.1 設計環(huán)節(jié)

①初始楔角ψ計算或選型不當，無法保證μ內>tanγ和μ外>tanβ，導致不能可靠契合;

②材料選擇和粗糙度設計時對摩擦系數μ考慮不周，尤其是粗糙度設計不妥，導致承載后斜撐塊磨損異常，工作楔角ψ'偏離初始楔角ψ太多，從而導致不能可靠契合。

4.2 制造環(huán)節(jié)

關鍵設計指標在制造時未滿足設計要求，重點是內外環(huán)的同軸度和內外環(huán)粗糙度，導致內外環(huán)徑向跳動或齒輪箱振動異常，引起傳載時受力方向改變，不能正常契合。

4.3 使用環(huán)節(jié)

①傳動源A升轉或E降轉速時出現脈動或波動，內環(huán)加速度或外環(huán)減速性不穩(wěn)定，引起斜撐塊與內外環(huán)相對速度方向改變，導致摩擦力方向改變，不能正常契合;

②齒輪箱工作環(huán)境受力復雜，減震等效果不滿足要求，導致飛行器異常振動傳遞給齒輪箱，導致受力方向改變突變，不能正常契合。

5 ?結束語

影響斜撐式超越離合器的可靠楔合有設計、制造和使用三方面的因素，關鍵的控制要素包括：為了工作楔角ψ'與初始楔角ψ一致，設計出磨損最小情況下的最大摩擦系數;為了受力方向不變，制造時提高內外環(huán)的同軸度;為了內外環(huán)與斜撐塊的相對速度方向不變，使用時減少內環(huán)加速和外環(huán)減速的不穩(wěn)定性，以及減小外力傳遞給離合器。

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