離心脫開型斜撐離合器脫開轉速計算及試驗驗證

李澤強,李繼鋒,趙偉樺 ,盧敏,孫曜兵

(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重點實驗室,河南 洛陽 471039;3.南京航空航天大學 機電學院,南京 210016)

離心脫開型斜撐離合器作為高速傳動部件,被廣泛應用于飛機傳動系統、渦輪起動機等航空產品中,其主要功能是使主動軸與從動軸按工況需求及時正確地接合與分離[1],以渦輪起動機為例,在起動機帶動發動機過程中,離心脫開型斜撐離合器處于楔合傳動狀態,起動機帶動發動機升速,當轉速達到發動機起動速度后,要求起動機與發動機脫離, 離合器需在要求轉速范圍內快速脫開;如果離合器不能完全脫開將導致磨損加劇,溫度升高,使用壽命降低,進而影響飛行器的綜合性能。因此,研究斜撐離合器的脫開轉速對避免高溫磨損,延長斜撐離合器的工作壽命,保證飛行器安全具有重要意義。

文獻[1]建立離心脫開型超越離合器彈流潤滑模型,采用多重網格分析方法進行數值求解,分析了進油溫度、速度對超越離合器彈流潤滑性能的影響;文獻[2]針對離心力增加楔塊磨損問題,分析了離心力對離心接合楔塊的影響;文獻[3]通過研究楔塊對斜撐式超越離合器的動力學特性進行了分析,著重研究了楔塊的質心位置對離合器力學性能的影響;文獻[4]基于赫茲接觸理論建立了斜撐式超越離合器的模型并求解了相關參數,研究了質心位置對其動力學行為的影響;文獻[5]對斜撐式超越離合器的楔合時間、楔塊彈出等特性進行了較為詳細的研究;文獻[6]研究了不同約束條件對斜撐式超越離合器摩擦性能的影響,設計了一種斜撐式超越離合器摩擦力矩測試裝置;文獻[7]對斜撐離合器疲勞及過載試驗方法進行研究,并提出了判定標準;文獻[8]選取滾柱式超越離合器典型的超越和楔合工況進行分析,得到了超越過程中的彈簧響應特性及楔合時間、沖擊載荷等接觸特性參數。

上述文獻對超越離合器做了一定研究,但針對離心脫開型斜撐離合器脫開轉速的研究罕有發現。因此,本文建立離心脫開型斜撐離合器力學分析模型,推導斜撐離合器脫開轉速的理論計算公式,并通過試驗進行驗證,以期為離心脫開型斜撐離合器的設計、選型和應用提供參考。

1 離心脫開型斜撐離合器的結構

在離合器初始接觸狀態,彈簧作用力下楔塊與內、外圈的接觸關系如圖1所示,圖中:CW為楔塊與外圈的接觸點(楔塊外圓弧與外圈的切點);CN為楔塊與內圈的接觸點(楔塊內圓弧與內圈的切點);OG為楔塊的質心;Ct為彈簧與楔塊的接觸點;點O為內、外圈的旋轉中心;OCW為接觸線(楔塊與外圈的接觸點和離合器旋轉中心的連線)。點CW是離合器在超越和傳扭時楔塊旋轉的支點, 根據斜撐離合器工作狀態下楔塊離心力對點CW的作用力矩使楔塊接合(楔塊質心在接觸線OCW右側)或脫開(楔塊質心在接觸線OCW左側)的趨勢分為離心接合型和離心脫開型。

圖1 楔塊與內、外圈的接觸關系

根據斜撐離合器、楔塊、內圈、外圈、彈簧等的幾何和接觸關系,建立離合器離心脫開轉速力學模型,如圖1所示。

2 脫開轉速理論分析

在離心超越旋轉時,楔塊將以點CW轉動,脫開轉速主要影響因素為楔塊的重力、離心力和彈簧力,系統對離合器的摩擦力對脫開轉速影響較小,暫不考慮。對單個楔塊在離合器離心脫開臨界時刻進行受力分析,如圖2所示,由于此時楔塊與內圈接觸但無相互作用力,因此點CN位置楔塊不受作用力,臨界離心脫開時單個楔塊受到彈簧力Ft、離心力FL、外圈接觸力FW和重力G共4個力。

由于外圈接觸力FW通過點CW,對其不產生力矩,因此,楔塊臨界脫開時的力矩平衡方程為

∑M=Mt+ML+MG=0,

(1)

Mt=FtLt,

(2)

ML=FLLL,

(3)

MG=GLG,

(4)

式中:Mt,ML,MG分別為彈簧力Ft、離心力FL及重力G對點CW的力矩;Lt為楔塊所受彈簧作用力Ft對點CW的作用力臂;LL為離心力FL對點CW的作用力臂;LG為重力G對點CW的作用力臂。

斜撐離合器的彈簧結構為螺旋彈簧首尾相接構成圓環狀,單個楔塊所承受的彈簧力Ft可以參考文獻[9]的方法測量得到。

定義楔塊脫開方向(圖中繞點CW順時針方向)為正力矩,反方向為負力矩,由于楔塊繞離合器旋轉中心圓周均勻分布,楔塊位置不同,其重力對點CW的力臂及力矩不同,力矩方向也不同,針對離合器楔塊圓周均勻分布的特點,取4個特殊位置楔塊姿態進行分析,如圖3所示。4個特殊位置楔塊臨界脫開受力圖如圖4所示,A處和B處重力作用線通過點CW,不產生力矩,C處和D處重力對點CW的力矩最大,C處重力矩為正而D處重力矩為負,脫開轉速應為所有楔塊均脫開的轉速,因此,應按D處楔塊姿態進行脫開轉速計算。

(a) A處 (b) B處

按D處楔塊姿態分析,重力矩和彈簧力矩均為負力矩,(1)式可變形為

ML=Mt+MG,

(5)

FLLL=FtLt+GLG,

(6)

單個楔塊高速旋轉下的離心力FL為

(7)

則離合器離心脫開轉速為

(8)

式中:ω為離合器旋轉的角速度,rad/s;r為楔塊質心距離合器旋轉中心的半徑,m;m為單個楔塊的質量,kg;g為重力加速度,m/s2;n為離合器轉速,r/min。

3 典型型號實例計算

以某離心脫開型斜撐離合器為例計算其離心脫開轉速,其結構為強制連續約束型,由保持架、楔塊和彈簧3個零件組成,結構如圖5所示。

圖5 某斜撐離合器結構示意圖

斜撐離合器主要參數如下:內滾道直徑為29.2 mm;外滾道直徑為41.8 mm;單個楔塊的質量m為0.001 91 kg;單個楔塊所承受的彈簧力Ft為1.57 N;彈簧力力臂Lt為1.1 mm;離心力力臂LL為0.03 mm;重力力臂LG為3.23 mm;楔塊質心距離合器旋轉中心的半徑r為0.018 m。將上述參數代入(8)式可得該型號斜撐離合器脫開轉速n理論計算值為12 590 r/min。

4 試驗驗證

為驗證理論計算方法的符合性和正確性,通過試驗對該型號斜撐離合器離心脫開轉速進行測試驗證。

4.1 試驗原理

為驗證離心脫開型斜撐離合器的脫開轉速,提出了一種測試方法,原理如圖6所示,斜撐離合器安裝于內、外圈中間,將內圈和扭矩傳感器連接并固定,外圈連接驅動系統,在離合器超越旋轉方向按照要求的加速度進行升速和降速,通過扭矩傳感器檢測的摩擦力矩值判斷離合器是否與內圈脫開,程序自動記錄轉速和摩擦力矩值。

圖6 脫開轉速試驗原理

超越離合器高速性能試驗機如圖7所示。驅動部分為同步高速電動機,最高轉速為50 000 r/min;扭矩傳感器為靜態扭矩傳感器,根據電阻應變原理將扭矩轉換成電信號,扭矩傳感器量程為0～1 N·m,精度為±0.001 N·m,采樣頻率為10 kHz。

圖7 超越離合器高速性能試驗機

試驗中典型的摩擦力矩值變化曲線如圖8所示,起動時摩擦力矩較大,隨后降低并趨于相對穩定的狀態(a～b段),隨著轉速增大,在某一轉速下再次下降并趨于相對穩定(c～d段),此時的轉速為離合器的脫開轉速;在轉速下降的過程中,摩擦力矩值又會突然增加并趨于相對穩定的狀態(e～f段),此時的轉速為離合器的再接合轉速。

圖8 轉速及摩擦力矩變化曲線

4.2 試驗過程

為驗證理論計算的準確性,取3套(編號為1#～3#)本文第3節所述的離合器進行脫開和再接合轉速試驗,每套進行20次試驗。

將離合器、內圈、外圈安裝于試驗機中,內、外圈分別與兩端的扭矩傳感器、驅動電動機連接,外圈端電動機以每秒500 r/min的速度增量從0升速至15 000 r/mim,保持10 s后以每秒500 r/min的速度減量開始降速,通過檢測升速和降速過程中的摩擦力矩值確定斜撐離合器的脫開和再接合,進而得到斜撐離合器的脫開轉速和再接合轉速。

4.3 試驗結果

試驗結果見表1:1#離合器平均脫開轉速為12 764 r/min,平均再接合轉速為12 441 r/min;2#離合器平均脫開轉速為12 832 r/min,平均再接合轉速為12 461 r/min;3#離合器平均脫開轉速為12 810 r/min,平均再接合轉速為12 398 r/min。

表1 脫開轉速和再接合轉速

理論上同一斜撐離合器的脫開轉速和再接合轉速相同,但實測值顯示兩者相差240～535 r/min,主要原因可能為試驗機測試系統在脫開時采集的是c點對應的轉速(圖8),實際在b～c段之間就已經脫開,記錄的轉速偏高,同理在再接合時采集的是e點對應的轉速,實際在d～e段之間就已經再接合,記錄的轉速滯后。

從試驗結果來看,實測升速時平均脫開轉速比理論計算值高220 r/min左右,減速時平均再接合轉速比理論計算值低190 r/min左右,計算值基本處于脫開轉速與再接合轉速實測值之間,說明理論計算較為準確,在斜撐離合器設計時可以作為脫開轉速的初步估算方法。

5 結束語

本文建立了離心脫開型斜撐離合器脫開轉速的理論計算模型并進行了試驗驗證,結果表明,理論計算值與試驗值基本一致,驗證了理論計算的正確性。因此,該理論計算方法可作為斜撐離合器脫開轉速的估算方法,試驗方法也可作為脫開轉速的驗證方法。