单向离合器的设计

单向离合器的设计
一、了解超越离合器的主要功能、一般特点及其分类
1、超越离合器的主要功能：
超越离合器是靠主从动部分的相对速度变化或回转方向变换能自动结合或脱开的离合器。

超越离合器有嵌合式与摩擦式之分；摩擦式又分为滚柱式与楔块式。

单向超越离合器只能在一个方向传递转矩，双向超越离合器可双向传递转矩。

超越离合器的从动件可以在不受摩擦力矩的影响下超越主动件的速度运行。

带拨爪的超越离合器，拨爪为从动件。

2、超越离合器的一般特点：
（1）改变速度：在传动链不脱开的情况下，可以使从动件获得快、慢两种速度；
（2）防止逆转：单向超越离合器只在一个方向传递转矩，而在相反方向转矩作用下则空转；
（3）间歇运动：双向超越离合器与单向超越离合器适当组合，可实现从动件做某种规律的间歇运动。

3、超越离合器的分类
超越离合器可分为棘轮式超越离合器、滚柱式超越离合器和楔块式超越离合器。

其中，棘轮式超越离合器又可分为内齿棘轮式超越离合器和外齿棘轮式超越离合器；滚柱式超越离合器又可分为单向滚柱式、带拨爪单向滚柱式和带拨爪双向滚柱式超越离合器；楔块式超越离合器又可分为单向超越离合器、双向超越离合器和非接触式单向超
越离合器。

二、接下来将主要研究单向滚柱式超越离合器的设计：
1、单向滚柱式超越离合器的机构简图为：
图1
2、单向滚柱式超越离合器的特点及应用：
滚柱3受弹簧4的弹力，始终与外环1和星轮2接触。

滚柱在滚道内自由转动，磨损均匀，磨损后仍能保持圆柱形，短时过载滚柱打滑不会损坏离合器。

星轮加工困难，装配精度要求较高。

星轮与外环运动关系比较多元化。

外环1主动（逆时针转）时：当n1=n2,离合器接合；
当n1<n2，离合器超越。

星轮2主动（顺时针转）时：当-n2=-n1,离合器接合；
当12n n -<-，离合器超越。

滚柱式超越离合器的结构简单、制造容易，溜滑角小，主要用于机床和无级变速器等的传动装置中。

三、滚柱式单向超越离合器的设计计算
图2
注：表1中公式均摘自《机械设计手册》第2卷第六篇第三章第
307页，化学工业出版社，第五版。

1、设计计算
表1
表2
表3：滚柱数及尺寸参数参考值
注：表2和表3均摘自《机械设计手册》第5版第2卷
(注：以下公式均摘自《滚柱式超越离合器的设计》，钮心宪，交通部上海船舶运输科学研究所学报） 2、楔角α的各主要结构要素的关系如下：
r
R r
C ++=cos
arc α 其中:C 为内星轮的平面高度, R =D/2 , r = d/2 。

C , R , r 的选择应满足设计楔角的要求。

此外, 滚柱数Z 及滚柱长度b 也应选择。

这些结构参数是相互制约的, 需经优化计算方可确定。

Z 可取3-12 , 特殊结构可取得更大, 但常用为3-5 。

R/ r 可取5-9 , 但8 较为常用。

如果将滚子直径稍加增大, 使R/ r 降至6 .5-7 .0 , 则可提高内爪寿命2-3 倍。

3、接触强度的计算
如果不考虑弹簧压力及滚动摩擦, 则滚子的正压力N 为:
α
ZR T N t
2=
接触应力σc 可用赫茨公式计算, 如果滚子与内爪的弹性模数E 相同, 则对平面内星轮式可有:
br
NE
c 418
.0=σ 如干摩擦系数取0 .2 , 泊桑系数取0 .3 , 则接触处的最大剪应力τmax 为:
α
στrbZR E
T br NE t c 2.0412
.034.0max === 如α以“度”表示, 则有:
α
τrbZR E
T t 5
.1max = 应使][max ττ≤
t T 不应该用平均值或额定值, 应由下式计算:
321t )(T k k k T n +=
其中:
n T ———额定扭矩;
1k ———由原动机形式决定的动力系数, 可参照表4决定; 2k ———由从动机形式决定的动力系数, 可参照表5决定; 3k ———由离合器精度决定的反映各滚子受力不均匀的系数, 对平
面内星轮式可取1.1-1.5 。

加工精度高时,3k 取较小值。

表4：由原动机形式决定的动力系数
表5：由从动机形式决定的动力系数
当离合器楔合次数较少时, 许用剪应力[ τ] 可由下式确定:
c R ）—128(][=τ MPa
其中:Rc ———材料的洛氏硬度。

当楔合频繁时, 许用剪应力可用齿面的许用应力, 楔合次数与[ τ] 的关系为:
6
7
110]
[][Q ττ=
其中:
[ τ] ———710次之许用剪应力; [ 1τ] ———Q 次之许用剪应力; Q ———总楔合次数。

也可由滚柱的比压力来估算接触强度。

比压力P 定义为:
F
N =
P 式中F 为滚柱的投影面积, F =2rb 。

许用比压力[ P] 可取42-49 MPa , 如取[ P] =44 MPa , 则有:
α••••≤R Z F 22T t
接触应力的计算一般以内星轮为对象, 因内星轮的接触应力大于外
圈, 且每次楔合接触点的位置不变。

但内星轮的变形较均匀, 而外圈因其一端常有法兰, 会产生不均匀变形, 使接触应力不均匀, 在设计中应予注意。

4、外圈强度校核
外圈在工作时受有拉力及弯矩, 通常对其合成应力σ进行校核, 可不与接触应力叠加。

］［）Ｓ
Ｒ＋ｆ（ｆＢＳＮ１
２
１σσ≤=
其中:
[ σ] ———许用应力, 可取700 ～ 800 MPa N ———滚子压力, B ———外圈宽度; S ———外圈厚度; R1 ———外圈平均半径;
f 1 f 2 ———与滚子数有关的系数, 由表6查得。

外圈厚度的经验取值为:S =(0 .8 -1 .2)d ;如外圈压入另 一机件, 则S =(1 ～ 1 .6)d ;大尺寸的离合器S 取小值, 反之取 大值。

表6：与滚子有关的系数f 1、 f 2 、 f 3
5、外圈刚度的计算
外圈变形后使楔角变化, 但楔角变化的计算工作量很大, 为简化计, 可计算滚子接触点的变形量Δr , 以此变形量作为外圈内径之增大量, 推算楔角的变化, 应小于1°。

这一推算偏于安全, 因两滚子之间的外圈是向内变形的。

33
1
r f EJ
R T t =∆
其中：
J-外圈之惯性, 对矩形为BS/12 ; f 3 ———系数。

见表6 。

6、公差
选择超越离合器零部件公差的原则为:
（1）各零部件极限偏差的综合作用应保证楔角偏差Δε在-1°～ +0 .5°之间;各零部件有比较接近的公差等级;
（2）在进行高精度等级加工时, 应能更接近设计的名义楔角。

建议用表7 的公差。

表中e 为内星轮及外圈轴承的不同心度。

如采用GB 4661-89 标准圆柱滚子, 公差为+0 .005/ -0 .010 。

公差确定后尚须校核在极限偏差下, 当滚子处于极限位置时, 仍与外圈有一定间隙。

否则可能咬死, 特别在同心度变差时容易发生。

表7：公差
7、设计计算程序
具体的设计计算程序请参考：《滚柱式超越离合器的设计》，钮心宪，交通部上海船舶运输科学研究所学报。

四、超越离合器主要零件的材料和热处理
超越离合器的材料要求具有较高的硬度和耐磨性。

对于滚柱，还要求心部具有韧性，能承受冲击载荷而不碎裂。

具体见表4。

表4
注：表4摘自《机械设计手册》第5版第2卷
五、滚柱式超越离合器压紧弹簧的选择
滚柱式超越离合器根据星轮型式的不同,又可分为内星轮型与外星轮型两种,其中除滚柱、座圈和星轮外还采用了压紧弹簧。

压紧弹簧的作用是:
(1)将滚柱压向座圈与星轮之间楔形槽的狭窄部分,以保持滚柱与座圈、星轮之间的接触,由于弹簧压力较小,因此在超越运转时不致于产生楔紧作用。

(2)在滚柱楔紧过程中,可以最大限度地缩短、甚至完全避免空行程(从超越运转过渡到接合运转所经过的行程称为空行程),以提高动作灵敏性,并减少接合时的冲击。

(3)保证各滚柱之间受载均匀。

在压紧弹簧装置的设计中,最主要的参数是压紧弹簧的压力PS与它的安装角e。

这两个参数的选择是否正确合理,往往会直接影响到滚柱式超越离合器的工作性能与使用寿命。

滚柱式超越离合器压紧弹簧压力的具体计算参考《江苏工学院学报》1987年第8卷第3期林世裕的《滚柱式超越离合器压紧弹簧压力的计算》。

弹簧的具体选择与计算参考《机械设计手册》第3卷第11篇第2章第15页到第34页，化工出版社，第五版。