水空兩用推進器齒式超越離合器接合特性研究

徐龍　胡志強　楊翊　王超

摘要：從水空兩用推進器對離合器的應用需求出發，設計了一種齒式超越離合器。通過仿真對離合器在不同結構參數下的接合特性進行優化分析，討論了輪齒端面倒角和變位系數對接合過程、脫開速度和接觸沖擊力的影響規律。仿真結果表明，增大端面倒角度數和變位系數，可加快接合、脫開速度，減小接觸沖擊力；當倒角度數和變位系數分別為44°和0.84時，接合特性最優。繼續增大倒角度數和變位系數，則接合、脫開速度變慢，接觸沖擊力變大。最后得到了接合特性指標最優的輪齒結構參數，并通過實驗驗證了仿真分析結果的正確性和有效性，仿真與實驗的接合特性指標相對誤差小于10%，證明了優化設計過程的有效性，設計結果滿足推進器使用要求。

關鍵詞：水空兩用推進器；超越離合器；接合特性；接觸沖擊力

中圖分類號：TH132.41

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.014

Study on Engagement Characteristics of Gear Overrunning Clutch of Aquatic-aerial Amphibious Propellers

XU Long1，2，3 HU Zhiqiang2，3 YANG Yi2，3 WANG Chao2，3

Abstract： Based on the application requirements of aquatic-aerial amphibious propellers for the clutch， a gear overrunning clutch was designed. The engagement characteristics of clutch under different structure parameters were optimized for analysis through simulation. The effects of end face chamfer and displacement coefficient of gear tooth on engagement processes， disengagement speed and contact impact force were discussed. The simulation results show that increase of the angle of end face chamfer and displacement coefficient may accelerate engagement and disengagement speed and reduce contact impact force. When the number of chamfers and the coefficient of displacement are as 44° and 0.84 respectively， the engagement characteristics are optimal. If they continue to increase， the engagement and disengagement speed becomes slower and the contact impact force becomes larger. Finally， the gear tooth structure parameters with the optimal engagement characteristic index are obtained， and the correctness and validity of the simulation analysis results were verified by experiments. And the relative errors of the engagement characteristic index of simulation and experiments are less than 10%. The effectiveness of the optimized design process is proven， and the design results meet the requirements for the use of the propellers.

Key words： aquatic-aerial amphibious propeller； overrunning clutch； engagement characteristics； contact impact force

0 引言

水空跨域海洋機器人又稱跨介質飛行器［1］，是一種可水空兩棲巡航并能自由穿越水氣界面的新概念海洋機器人［2］。為保證機器人的跨域航行性能，推進器需滿足空中高速、小轉矩和水下低速、大轉矩兩種工況，推進器的水空切換性能是其中的重難點［3-5］?；诤缆菪龢乃諆捎猛七M器采用雙電機、單螺旋槳的一體化設計方案實現空中和水下推進功能：在空中推進工況下，采用高速電機驅動螺旋槳轉動；在水下推進工況下，采用低速電機驅動螺旋槳轉動。為了實現水空兩種工況的推進切換，需要設計一種結構緊湊、輕巧的超越離合器。

超越離合器是一種用于主從動件之間動力傳遞與分離的裝置，國內外學者針對離合器接合特性開展了研究。CHESNEY等 ［6］對離合器操作理論進行了總結，發現楔塊質心位置的變化會影響離合器的接合特性。ROACH 等［7］通過理論分析對楔塊式、滾柱式及棘輪式等離合器進行評估，并對接合特性進行了研究。NAGLER等［8］提出了一種改進接合觸點的超越離合器，發現使用改進的設計標準可提高接合能力。卿茂輝［9］設計了一款楔塊式超越離合器，研究了楔角變化對接合特性的影響規律。嚴宏志等［10］采用分解法和坐標變換建立了楔塊重心位置模型，用ADAMS軟件建立了斜撐離合器動力學模型，研究了不同重心位置的楔塊對接觸力及離合器接合、脫開性能的影響規律。

綜上，針對離合器的優化設計研究多采用數值模型和仿真的方法，會忽略一些實際應用時工況的影響。本文根據水空兩用推進器新需求，具體分析齒式超越離合器的結構參數對接合特性的影響，得到端面倒角和變位系數的最優設計參數，以優化離合器的接合特性。

1 齒式超越離合器設計與建模

水空兩用推進器離合器的設計目的是使低速電機在水下與螺旋槳接合運轉，在空氣中與螺旋槳脫開。本文以離合器的嚙合過程為切入點對其進行結構設計和動力學建模，得到滿足實際工況的離合器虛擬樣機模型。

1.1 齒式超越離合器結構設計

水空兩用推進器采用雙電機結構?？紤]到結構的緊湊性等因素，兩臺電機采用軸向平行布局，也就是將用于水下推進的低速電機與空氣中推進的高速電機平行布置。水空兩用推進器采用基于齒輪組的超越離合器。離合器由從動部件（螺旋槳）、主動齒輪、電機軸、連接銷軸四部分組成。推進器結構如圖1所示，齒輪組離合器結構如圖2所示。

水空兩用推進器在水下運轉時的轉速范圍為300～3000 r/min。在此工況下，僅低速電機工作，驅動電機軸旋轉，帶動穿過電機軸內部的銷軸沿主動齒輪殼體上的螺旋滑槽移動［11］。銷軸在速度差下通過離心力和慣性力使主動齒輪上移，使得主動齒輪與從動部件嚙合。推進器停止運轉時，低速電機反轉，銷軸在速度差下通過慣性力和電機驅動力使主動齒輪脫開嚙合。低速電機傳動的齒輪組均采用直齒圓柱齒輪［12］。在推進器水下運轉過程中，高速電機不上電，但在螺旋槳的帶動下低速旋轉。

水空兩用推進器在空氣中運轉時的轉速范圍為6000～20 000 r/min。在此工況下，高速電機工作，驅動螺旋槳運轉，主動齒輪處于分離狀態。為了提高主動齒輪的分離自鎖穩定性，低速電機可反向運轉。

1.2 設計參數

本文主要針對螺旋槳輪齒的端面倒角和主動齒輪的變位系數X開展齒輪結構參數的優化設計。對于端面倒角，主要優化倒角度數θ；針對深度的取值，對齒輪組進行強度理論計算和仿真校核，得知在齒厚為3 mm的情況下最大深度可取1 mm，倒角度數最大可取60°。故對倒角度數和變位系數的約束條件為

（1）

式中，Zmin為標準齒輪不根切最小齒數，取17；Z為變位齒輪齒數，取11；故計算出系數X的下限值為0.35。

將倒角度數θ和變位系數X作為仿真試驗因子，以同步穩定運轉、脫開到獨立旋轉的三個階段下的接合、脫開時間和接觸沖擊力為仿真試驗響應。在設計空間（約束范圍）內，采用拉丁超立方抽樣法［13］選取81組均勻樣本點，得到81組不同倒角度數和變位系數的組合。

1.3 齒式超越離合器動力學建模

利用ADAMS動力學軟件建立動力學模型。離合器的零部件均為剛體，并對模型添加自由度約束。主從動件依次設置接觸力，采用接觸沖擊函數來模擬三維接觸并求解接觸力，接觸沖擊函數表達式為

（2）

式中，IMPACT（）函數為接觸沖擊函數，是一種基于Hertz理論的函數，其含義為：用只抗壓縮的非線性的彈簧阻尼方法近似計算出單邊碰撞力；STEP（）為階躍函數，是一種特殊的連續時間函數，即從0跳變到1的過程，屬于奇異函數；x為兩物體的距離，x-為相對速度；x1為x的自由距離；k為接觸表面的剛度系數；e為碰撞力指數；cmax為最大阻尼系數；d為接觸表面的臨界相互滲透量。

離合器工作時，螺旋槳需要克服流體阻力矩運轉。螺旋槳在流體中旋轉，螺旋槳所需的轉矩T為

T=Kρω2D5（3）

式中，K為轉矩系數（流體仿真得到）；ρ為流體密度；ω為螺旋槳轉速；D為螺旋槳直徑。

將轉矩T添加到螺旋槳的阻尼作用力上，設置主從動件采用的材料為錫青銅和硬質氧化鋁合金，可得到式（2）、式（3）中的參數設置，具體見表1。

動力學分析時，忽略離合器在制造和安裝過程中產生的誤差。根據實際工況，施加約束條件如下：①主從動件的運動副均為旋轉運動;②對主動齒輪與銷軸、螺旋槳施加接觸約束；③對主動齒輪與電機軸施加圓柱副，對電機軸施加旋轉運動。

2 仿真與分析

2.1 離合器接合特性分析

離合器接合特性體現在接合、脫開時間和接觸沖擊力大小。對傳動比i為8.6的齒輪組離合器進行動力學仿真，得到轉速隨時間變化如圖3所示，接觸力如圖4所示。圖3中，B、D點為完成接合與脫開時間點；AB段對應時長代表接合時間，CD段對應時長代表脫開時間。

由結果可知，螺旋槳在接合后出現了劇烈的轉速波動和較大的接觸沖擊力。分析其原因如下。

（1）未經過優化的齒輪組接合時會出現多次軸向碰撞后仍無法成功接合的現象，會增加離合器接合、脫開所需的時間。且軸向碰撞次數越多，接合過程越不穩定，產生的接觸沖擊力會越大。為改善齒輪組的接合特性，對輪齒端部進行倒角修形，將螺旋槳輪齒下端切削成三角形，切削度數不同則接合特性不同。

（2）由于主動齒輪的齒數小于17，會產生根切，進而減弱輪齒接觸強度和抗彎強度，導致輪齒損傷和發生變形；反映到離合器的接合特性上會減慢接合、脫開速度，降低接合過程的穩定性，使接觸沖擊力變大。為改善齒輪組的接合特性，對主動齒輪采用正變位，即變位系數X大于0；正變位后既避免了根切，又提高了輪齒的強度，進而提高了接合過程的穩定性。

綜上，本文著重研究輪齒結構參數對接合特性的影響，將基于輪齒端面倒角度數θ和變位系數X開展離合器的優化設計。

2.2 仿真結果分析

結構參數的其他數值不變，將81組樣本參數組合代入結構模型中仿真計算接合、脫開時間和接觸沖擊力。將結果數據整理得到結構參數對接合、脫開時長和接觸沖擊力的影響，如圖5、圖6所示。可得：θ約44°、X約0.84時，接合、脫開速度最快，接觸沖擊力最小。

通過控制變量法對兩設計變量深入分析。首先分析變位系數X不變、改變倒角度數θ對接合特性的影響，選取三組仿真結果如圖7所示。第一組為采用接合特性最優的變位系數0.84時，倒角度數為44°的主從動件轉速隨時間變化曲線。其余兩組倒角度數取值采用二分法的思想，取0°～44°和44°～60°的中值22°和52°進行分析，其接合特性指標見表2。

由表2可得：當θ為22°時，轉速波動現象明顯。θ增大至44°時，轉速波動消失，且接合與脫開速度變快。再微增θ，轉速波動現象出現，故可得出：θ約44°時，接合后轉速平穩，離合器接合特性指標最好。

圖8所示為接觸力仿真結果，0.6 s后的接觸力為恒定值1.86 N?？傻茫害葹?4°時，接觸沖擊力最小，繼續增大θ則接觸沖擊力變大，說明倒角度數對接合特性的影響較大。

對變位系數進行接合特性分析。分析倒角度數θ不變、改變變位系數X對接合特性的影響，選取三組仿真結果如圖9所示。第一組為采用接合特性最優的倒角度數44°時，變位系數為0.84的主從動件轉速隨時間變化曲線。其余兩組變位系數取值采用二分法的思想，取0.35～0.84和0.84～1的中值0.595和0.92進行分析，其接合特性指標見表3。可得： X為0.595時，接合過程出現了明顯的轉速波動現象；X增至0.84后，轉速波動現象消失，接合、脫開過程平穩。當X增至0.92時，又出現了轉速波動現象，穩定性下降。

圖10所示為接觸力仿真結果，0.6 s后的接觸力為恒定值1.86 N。

由以上數據可得：X為0.84時，接觸沖擊力最小，繼續增大X則接觸沖擊力變大；接合特性指標受端面倒角度數θ和變位系數X的影響較大。由仿真結果得出：θ為44°、X為0.84時的離合器接合特性為最優。

3 實驗驗證與分析

3.1 離合器樣機研制與實驗

根據上文分析結果試制的水空兩用推進器和離合器樣機實物如圖11所示。

為檢驗仿真分析結果的準確性，研制了不同設計參數下的離合器樣機，進一步研究離合器的接合特性。具體方案如下： 主動齒輪端和螺旋槳通過低速電機和高速電機控制器來調節轉速。接觸沖擊力通過安裝在測試殼體上的ATI六維力傳感器來采集。

對于螺旋槳和主動齒輪端的轉速數據，采用組合有電壓、電流及轉速傳感器的數據采集板卡采集。離合器和推進器性能實驗原理如圖12所示。離合器和推進器樣機實驗照片見圖13。

3.2 結果與分析

針對端面倒角度數θ對接合特性影響的實驗結果如圖14所示。實驗的參數組合與2.2節相同，不同參數下主動齒輪的驅動轉速相同，如圖14b所示。圖中a、b和c點代表完成接合時間點，a1、b1和c1代表結束脫開時間點。圖14c所示為接觸力實驗結果。

由實驗結果可知，當倒角度數為22°、44°和52°時，離合器的接合時間分別約為0.21 s、0.093 s和0.31 s，脫開時間分別為0.6 s、0.142 s和0.38 s，接觸沖擊力分別為-3.91 N、0.265 N和-0.28 N，呈現明顯的先減小后增大趨勢。44°時接合、脫開速度最快，沖擊力最小。這與2.2節的影響規律一致。

針對變位系數X對接合特性影響的實驗結果如圖15所示。實驗的參數組合與2.2節對應，不同參數下主動齒輪的驅動轉速相同，如圖15b所示。圖15c所示為接觸力實驗結果。

由實驗結果可知，當變位系數為0.595、0.84和0.92時，離合器的接合時間分別約為0.49 s、0.093 s和0.3 s，脫開時間分別為0.76 s、0.142 s和0.61 s，接觸沖擊力分別為-14.01 N、0.265 N和-5.34 N，呈現明顯的先減小后增大趨勢。變位系數為0.84時接合、脫開速度最快，沖擊力最小。這與2.2節的影響規律一致。

根據仿真與實驗的分析結果，得到接合特性最優時端面倒角度數和變位系數分別為44°和0.84。其仿真與實驗的接合特性對比見表4。可以看出，仿真與實驗的相對誤差小于10%。且在仿真與實驗的分析過程中，倒角度數和變位系數對離合器接合特性的影響規律較吻合。這表明仿真結果對實際設計具有很高的參考價值。

4 結論

本文設計了一種齒式超越離合器，基于動力學理論建立了離合器的結構模型，應用動力學仿真軟件對離合器的結構和各工況下的動力學特性進行了仿真分析，得到了輪齒的結構參數對接合特性的影響規律。最后通過樣機實驗驗證了仿真設計結果的正確性，證明了通過優化輪齒端面結構和變位系數可以改善齒式超越離合器的接合特性。具體結論如下：

（1）當端面倒角度數和變位系數分別為44°和0.84時，齒式超越離合器的接合特性最優。

（2） 實驗結果驗證了仿真分析結果的正確性和有效性，仿真與實驗的相對誤差小于10%，證明了優化設計過程的有效性。

參考文獻：

［1］MAIA M M， SONI P， DIEZ F J. Demonstration of an Aerial and Submersible Vehicle Capable of Flight and Underwater Navigation with Seamless Air-water Transition［J］. ArXiv， 2015， 15（7）：19-32.

［2］鮑楊春. 跨介質航行器流體動力外形組合仿生設計與氣動特性分析［D］.長春：吉林大學， 2019.

BAO Yangchun. Combinatorial Biomimetic Design of Fluid Dynamic Shape and Analysis of Aerodynamic Characteristics for Cross-media UAV［D］. Changchun：Jilin University， 2019.

［3］朱莎. 水空兩用無人機動力系統設計與研究［D］. 南昌：南昌航空大學， 2012.

ZHU Sha. The Design and Research of Power System in Water-air UAV［D］. Nanchang：Nanchang Hangkong University， 2012.

［4］王同蘇. 深海無人潛器高效推進器的設計研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學， 2012.

WANG Tongsu. Research on Efficient Thruster of Deep Sea Unmanned Submersible［D］. Harbin：Harbin Engineering University， 2012.

［5］郜天柱，胡志強，楊翊，等. 水空兩棲涵道風扇推進器推力理論分析及實驗驗證［J］. 機器人， 2019， 41（2）：222-231.

GAO Tianzhu， HU Zhiqiang， YANG Yi， et al. Theoretical Analysis and Experimental Verification on Thrust of Aquatic-aerial Amphibious Ducted Fan Propeller［J］. Robot， 2019， 41（2）：222-231.

［6］CHESNEY D R， KREMER J M. Generalized Equations for Sprag One-way Clutch Analysis and Design［J］. SAE Transactions， 1998， 107（6）：1582-92.

［7］ROACH G M， HOWELL L L. Evaluation and Comparison of Alternative Compliant Overrunning Clutch Designs［J］. Journal of Mechanical Design， 2002， 124（3）：485-491.

［8］NAGLER N， LOHRENGEL A. Improved Design Criterion for Frictionally Engaged Contacts in Overrunning Clutches［J］. Forschung im Ingenieurwesen—Engineering Research， 2021， 85（4）：1053-1063.

［9］卿茂輝. 對數型面楔塊斜撐離合器接合特性及磨損壽命分析［D］.長沙：中南大學， 2014.

QING Maohui. Analysis on Engagement Characteristics and Wear Life of Sprag Clutch of the Logarithmic Surfaces Wedge［D］. Changsha：Central South University，2014.

［10］嚴宏志，王志標，朱楚，等.楔塊重心位置對斜撐離合器性能的影響［J］.中國機械工程，2021，32（3）：253-260.

YAN Hongzhi， WANG Zhibiao， ZHU Chu， et al. Effects of Gravity Center Position of Sprags on Sprag Clutch Performance［J］. China Mechanical Engineering，2021，32（3）：253-260.

［11］孔繁征. 一種渦噴發動機啟動離合器：CN211116279U［P］.2020-07-28.

KONG Fanzheng. A Turbojet Engine Starting Clutch：CN211116279U［P］.2020-07-28.

［12］李樹軍，劉杰，王丹，等.機械原理［M］.北京：科學出版社，2009：134-153.

LI Shujun， LIU Jie， WANG Dan， et al. Mechanical Principle［M］. Beijing：Science Press， 2009：134-153.

［13］張琳， 魏超， 胡紀濱.高速多片濕式離合器低帶排轉矩參數優化設計［J］. 汽車工程， 2020， 42（8）：1074-1081.

ZHANG Lin， WEI Chao， HU Jibin. Optimization Design of Low Drag Torque Parameters of High-speed Multi-plate Wet Clutch［J］. Automotive Engineering， 2020， 42（8）：1074-1081.

（編輯 陳 勇）

作者簡介：

徐 龍，男，1995年生，碩士研究生。研究方向為跨域海洋機器人推進器設計與優化、超越離合器設計、優化及性能。發表論文1篇。

胡志強（通信作者），男，1980年生，研究員、博士研究生導師。研究方向為海洋機器人總體設計等。獲中國科學院杰出科技成就獎（集體）1項，發表論文70余篇。E-mail：hzq@sia.cn。

收稿日期：2022-07-13