熱模鍛離合器摩擦盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

金魏，潘地磊，徐躍鑾，吉桂生

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 離合器結(jié)構(gòu)與原理

離合器是熱模鍛壓力機(jī)主要部件之一，用來保證熱模鍛壓力機(jī)在正常工作時(shí)按規(guī)定的結(jié)合頻率來驅(qū)動(dòng)曲軸連桿等部件運(yùn)動(dòng)，離合器主要通過摩擦盤上的摩擦塊來傳遞扭矩[1-2]。

如圖1 所示，大齒輪8 通過軸承等零件裝在曲軸1 上；活塞3 裝在氣缸2內(nèi)，氣缸2 與活塞3 之間由密封圈8 密封；氣缸2、內(nèi)齒圈9 通過螺栓連接在大齒輪8 上；外齒圈6 與內(nèi)齒圈9 通過齒嚙合；摩擦塊7 安裝在摩擦盤5上，摩擦盤5 與輪轂4 焊接，輪轂4 通過鍥鍵與曲軸1 連接。

圖1 離合器結(jié)構(gòu)原理

離合器動(dòng)作具體過程為：當(dāng)壓力機(jī)需要?jiǎng)幼鲿r(shí)壓縮空氣進(jìn)入氣缸2，活塞3 在壓縮空氣的作用下向左移動(dòng)，推動(dòng)外齒圈6 將摩擦塊7 壓緊在大齒輪8上，使之成為一個(gè)整體，大齒輪8 通過摩擦塊7 和摩擦盤5 實(shí)現(xiàn)對曲軸1 的驅(qū)動(dòng)。如此則離合器處于結(jié)合狀態(tài)，從而傳遞扭矩。當(dāng)氣缸2 排氣時(shí)，活塞3 在彈簧的彈力作用下向右移動(dòng)使得離合器脫開[3]。

2 常用摩擦盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖2 所示，在離合器動(dòng)作時(shí)，摩擦塊所承載的扭矩最終需要通過摩擦盤與輪轂傳遞到曲軸上。由于輪轂形狀較為復(fù)雜，通常采用鑄件，并且由于鑄造工藝限制難以把摩擦盤與輪轂鑄造成一個(gè)整體，通常采用焊接的方式把摩擦盤與輪轂連接在一起，在工作中摩擦塊、摩擦盤、輪轂形成整體。

圖2 焊接摩擦盤結(jié)構(gòu)

在實(shí)際情況中，由于焊接質(zhì)量不可控，且摩擦盤需要承受較大的扭矩，存在焊縫失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)焊縫失效時(shí)，摩擦盤無法傳遞扭矩，從而導(dǎo)致離合器失效，最終導(dǎo)致事故發(fā)生；且當(dāng)焊縫失效，該零件需要更換時(shí)，需要連輪轂一起更換，由于輪轂與曲軸用鍥鍵相連，拆卸比較困難，耗時(shí)耗力，更換零件成本較高。

3 摩擦盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在多年設(shè)計(jì)制造熱模鍛壓力機(jī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，主要對離合器摩擦盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一種新型的離合器用分體摩擦盤結(jié)構(gòu)，摒棄焊接方式，采用內(nèi)外齒內(nèi)嚙合方式連接，因其凸齒面與凹齒面相接觸，因此內(nèi)嚙合的齒面承載能力大大提高，其磨損也小于外嚙合齒輪傳動(dòng)，從而可傳遞較大扭矩。

如圖3 所示，該分體式摩擦盤結(jié)構(gòu)主要由輪轂1、壓板2、摩擦盤3 組成；在輪轂1 的外圈上加工有外齒，摩擦盤3 的內(nèi)圈上也加工有同輪轂1 同樣數(shù)量與模數(shù)的內(nèi)齒，通過內(nèi)外齒圈嚙合的方式，把輪轂1 與摩擦盤3 連接在一起，限制了輪轂1 與摩擦盤3周向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)能夠傳遞較大扭矩；當(dāng)摩擦盤3 上的內(nèi)齒與輪轂1 上的外齒嚙合時(shí)，在輪轂1 的左右兩側(cè)用螺釘安裝有壓板2，這樣限制了輪轂1 與摩擦盤3 軸向的竄動(dòng)，使這三個(gè)零件固聯(lián)成一個(gè)整體。

圖3 優(yōu)化后的摩擦盤結(jié)構(gòu)

以40000kN 熱模鍛為例，設(shè)計(jì)摩擦盤齒型參數(shù)具體如下：材料45鋼，齒輪模數(shù)m=12，齒數(shù)Z1=Z2=146，齒形角α=20°，齒寬B1=B2=80mm。離合器傳遞的扭矩T≈2.2×106N·m。

需要對齒輪彎曲應(yīng)力進(jìn)行校核，校核齒輪的彎曲應(yīng)力公式為:

式中：CW=2/zcosα=0.02；Mn1=T/146=1.5x104N·m；Kj=1.3；Kd=1.55；Y=0.5。

計(jì)算得出σw=105MPa＜[σw]，能夠滿足使用條件。

4 總結(jié)

分體式摩擦盤采用齒輪內(nèi)嚙合方式連接來傳遞摩擦扭矩，摒棄了整體摩擦盤焊接方式；嚙合齒輪在分體式摩擦盤中起到傳遞扭矩的作用，齒嚙合具有傳力平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。焊接過程不可控，可能會(huì)存在焊接缺陷，焊接缺陷降低了焊件的承載能力，易產(chǎn)生應(yīng)力集中引起焊件裂紋，最終斷裂。分體式摩擦盤的輪轂與摩擦盤為分體式結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要更換時(shí)，只需更換摩擦盤即可。

實(shí)踐證明，優(yōu)化后的離合器摩擦盤結(jié)構(gòu)簡單，加工裝配方便，能夠?qū)崿F(xiàn)快速頻繁離合，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，動(dòng)作穩(wěn)定。已經(jīng)在揚(yáng)力生產(chǎn)的HFP/HGP 多種型號(hào)的熱模鍛壓力機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，既節(jié)約成本，又取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。