斜撑式超越离合器楔角的计算分析_李慎华

Ψ/( °) 1． 241 6 1． 316 0 1． 440 9
W/( °) 3． 220 2 3． 387 7 3． 652 3
V/( °) 4． 461 8 4． 703 7 5． 093 3
某型号离合器的工作条件及结构参数为: 转 速 no = 20 000 r / min，功率 Pw = 1 120 kW，设计扭 矩 T = 535 N·m，Re = 30． 556 2 mm，Red = 38． 735 mm，Ri = 22． 225 mm，Rid = 15． 875 mm，n = 36，b = 4． 495 8 mm，l = 16． 891 mm; re = 4． 521 2 mm，ri = 4． 495 8 mm，α = 49． 821°，Z = 0． 746 8 mm。
初始楔角计算 结 果 为: Ω = 16 ． 544 5 ° ，Ψ = 0 ． 641 9 ° ，W = 1 ． 711 7 ° ，V = W + Ψ = 2 ． 353 6 ° 。
通过上面提供的参数，利用 Palmgren［2］给出 的钢对钢的线性变形公式和 Hertz 公式［3］，分别计 算离合器加载到设计扭矩时的斜撑块变形量和接 触宽度，从而可知 Re ，Ri ，ri 和 re 的变化情况。
LI Shen － hua，CHEN Huai － gang
( Luoyang Bearing Science ＆Technology Co． ，Ltd． ，Luoyang 471039，China)
Abstract: The structure and working principle of sprag overrunning clutch are introduced，and the self － locking conditions and initial wedge angle of the clutch are deduced，which provide the theoretical foundation for design of the clutch． Finally，the influence of wear of inner and outer ring on working wedge angle is analyzed． Key words: sprag overrunning clutch; initial wedge angle; working wedge angle; sway brace; self － lock
为了对离合器的超越和传动状态都提供最佳 的楔角，在设计斜撑块时要充分考虑各种参数对楔 角的影响，对参数进行优化处理，满足加载到设计
离合器存在安全隐患，由于在工作中内、外环会同 时磨损，所以建议内环或外环的磨损量大于 0． 10 mm 时，更换新的内环或外环。
扭矩后 μ ＞ tan V。碳素钢静态摩擦系数 μ = 0． 12，
如图 1 所示，如果外环按逆时针方向的转速 n1 试图大于内环转速 n2 时，因弹簧力作用于斜撑 块，斜撑块与 外 环 接 合 面 的 摩 擦 力 将 使 斜 撑 块 围 绕其自身的 中 心 产 生 逆 时 针 方 向 转 动，由 于 斜 撑 块结构尺寸 b( 最大升程) 大于两环之间的径向距 离 a，于是斜撑块便楔入内、外环之间，从而使两环 闭锁，离合 器 处 于 传 动 状 态。 如 果 内 环 按 逆 时 针 方向的转速 n2 试图大于外环转速 n1 时，在斜撑块 和内、外环之间的摩擦力克服弹簧力，引起斜撑块 围绕其自身 的 中 心 按 顺 时 针 方 向 转 动，因 斜 撑 块 结构尺寸 c ( 最小升程) 小于 a，斜撑块就脱离楔 紧，内、外环彼此独立运动，离合器处于超越状态， 此时弹簧迫使斜撑块与两环脱开。
=
(
Re
－
re)
2
+
Z2
－
(
Ri
+
ri)
2
，
2Z( Re － re)
所以
Ω
=
arcsin
(
Ri
+
ri) 2 － ( Re 2Z( Re －
－ re) re)
2
－
Z2
－
α。
由正弦定理得
AB sin Ψ
=
sin
(
OB 90° +
Ω
+
α)
，
李慎华，等: 斜撑式超越离合器楔角的计算分析
·3·
则
Ψ
=
arcsin
Zcos ( ( Ri
Ω + α) + ri)
。
如图 2 所示，过 Q 点作 OT 的垂线，垂足为 E。
在△OQE 中，QE = Risin Ψ，OE = Ricos Ψ。 在△QET 中
W = arctan Risin Ψ
，
Re － Ri cos Ψ
V
=
W
+
Ψ
=
ຫໍສະໝຸດ Baidu
arctan
Ri sin Ψ Re － Ri cos
斜撑式超越离合器的工作状态取决于斜撑块 的成组摩 擦 元 件。 斜 撑 块 是 关 键 元 件，离 合 器 依 靠其在内、外 环 之 间 的 楔 紧 作 用 来 传 递 扭 矩。 离 合器的楔角 主 要 由 外 环 内 半 径，内 环 外 半 径 及 斜 撑块内、外 凸 轮 半 径 决 定。 初 始 楔 角 是 离 合 器 刚 启动时所形成的楔角; 工作楔角是离合器在加载 过程中所形成的楔角。初始楔角和工作楔角决定 了斜撑式超越离合器的综合性能。初始楔角过小 会影响离合器的脱开并在超越状态下加速斜撑块 和内环的磨损，使离合器过早失效; 工作楔角过大 会出现打滑和斜撑块翻转，使离合器不能自锁。
射线 OA 和 OB 相交，分别形成斜撑块与外环和内 环的楔角 W 和 V。
图 2 斜撑块的几何关系
如果要 保 证 斜 撑 式 超 越 离 合 器 正 常 工 作，初
始楔角应当使
F内 ＞ Fq1 ，
( 1)
F外 ＞ Fq2 。
( 2)
否则，斜撑块不能自锁，离合器不能正常传递扭矩。
斜撑块与内、外环接触处的摩擦力为
收稿日期: 2010 － 12 － 06; 修回日期: 2011 － 01 － 25
μ———静摩擦系数 ρ———综合曲率半径，mm δ———变形量，mm Ω———斜撑块转角，( °)
1 结构及工作原理
超越离合 器 是 一 种 靠 主、从 动 部 分 的 相 对 运 动速度变化或回转方向的变换自动接合或脱开的 离合器。按照 工 作 原 理，超 越 离 合 器 可 分 为 嵌 合 式( 棘爪式) 和摩擦式。斜撑式超越离合器属于摩 擦式，其基本结构如图1 所示。主要由外环( 通常
2 斜撑块自锁条件与楔角的计算
2． 1 自锁条件 斜撑块与内、外环间的几何关系如图 2 所示。
选择适当初始楔角是实现斜撑式超越离合器正常 工作的关键。与滚柱离合器不同的是在斜撑式离 合器中有 2 个不等的楔角，一个在内环接触点( 即 切点 Q) 处，另一个在外环接触点( 即切点 T) 处。 图 2 中从内、外环的旋转中心 O 通过斜撑块表面 曲率半径的中心 A 和 B 点作两条射线 OA 和 OB， OA 和 OB 之间形成的夹角为 Ψ，直线 QT 同时与
离合器正常工作。
2． 2 楔角的推导
在△OAB 中，∠OAB = 90° + Ω + α，OB = Ri +
ri ，OA = Re － re。AB 为斜撑块的中心距，令 AB =
Z。由余弦定理得
cos
∠OAB
=
OA2 2
+ ×
AB2 － OB2 OA × AB
，
即 cos ( 90° + Ω + α)
符号说明
a———接触面半宽，mm B———斜撑块宽度，mm F 内 ，F 外 ———斜撑 块 与 内、外 环 接 触 点 处 的 摩 擦力，N Fq1 ，Fq2 ———由于施加扭矩而作用在斜撑块上 的切向力，N l———斜撑块长度，mm n———斜撑块个数 N1 ，N2 ———楔紧开始时斜撑块与内、外环间产 生的径向力，N re ———斜撑块外侧型面半径，mm ri ———斜撑块内侧型面半径，mm R e ———外环内半径，mm R ed ———外环外半径，mm R i ———内环外半径，mm R id ———内环内半径，mm Z———斜撑块中心距，mm α———中心角，( °)
W/( °) 3． 188 8 3． 362 8 3． 639 1
V/( °) 4． 414 4 4． 662 1 5． 060 4
5 结束语
初始楔角的计算是超越离合器设计的关键， 楔角的大小 要 满 足 离 合 器 工 作 状 态 的 需 要，既 在 超越时不能 发 生 自 锁，楔 紧 同 步 转 动 时 又 不 能 脱 开。通常在保 证 离 合 器 不 打 滑 的 条 件 下，应 取 较 大的楔角，以提高承载能力，延长使用寿命。
表 1 内环 Ri 磨损后的工作楔角
即 tan V ＜ 0． 12，所以 V ＜ 6． 8°。考虑到安全系数，一 般加载到设计扭矩后取 V = 4° ～ 5°［1］。所以取离合 器自锁条件为 V≤5°。
Δ1 / mm 0． 05 0． 10 0． 20
Ω/( °) － 10． 368 9 － 14． 604 7 － 22． 846 3
斜撑块变形量为 δ = 3． 84 × 10 Q － 5 0． 9 / l0． 8 。 斜撑块接触面半宽为
表 2 外环 Re 磨损后的工作楔角
Δ2 / mm 0． 05 0． 10 0． 20
Ω/( °) － 9． 611 3 － 13． 885 7 － 22． 180 7
Ψ/( °) 1． 225 6 1． 299 2 1． 421 3
F内 = μN1 ，
( 3)
F外 = μN2 。
( 4)
内、外环作用在斜撑块上的切向力为
Fq1 = N1 tan V，
( 5)
Fq2 = N2 tan W。
( 6)
由( 1) ～ ( 6) 式得，要使离合器正常工作需同
时满足 μ ＞ tan V，μ ＞ tan W。由图 2 几何关系知，V
＞ W，则只要保证 μ ＞ tan V，即可保证斜撑式超越
1—外套( 主动元件) ; 2—外保持架; 3—弹簧; 4—斜撑块; 5—内保 持架; 6—内环( 从动元件)
图 1 斜撑式超越离合器结构示意图
·2·
《轴承》2011． №． 4
作主动元件) 、内环( 通常作从动元件) 、成组的斜 撑块、内保持架、外保持架及弹簧等组成。
斜撑式超越离合器有 2 种类型: 全相位型和强 制连续约束型。全相位型外形结构相对简单，内、 外凸轮由单一圆弧构成，加工难度相对强制连续约 束型较小，在发动机的减速器和启动系统得到广泛 应用; 强制连续约束型的斜撑块内凸轮圆弧通常由 多个圆弧啮合而成，加工难度大，但安全性能高，在 接合与脱开的传动系统中得到广泛应用。
合器的设计提供理论依据，最后分析了内、外环的磨损对工作楔角的影响。
关键词: 斜撑式超越离合器; 初始楔角; 工作楔角; 斜撑块; 自锁
中图分类号: TH133． 4
文献标志码: B
文章编号: 1000 － 3762( 2011) 04 － 0001 － 03
Calculation and Analysis on Wedge Angle of Sprag Overrunning Clutch
Ψ
+
arcsin
Zcos ( ( Ri
Ω + α) + ri)
。
3 实例分析
－ 16． 299 4°，Ψ1 = 1． 143 6°，W1 = 2． 990 5°，V1 = W1 + Ψ1 = 4． 134 2°，结果满足自锁条件。
4 内、外环磨损对工作楔角的影响
斜撑式超越离合器的楔角主要取决于外环内 半径，内环外半径及斜撑块内、外凸轮半径。因此 内、外环磨 损 时 会 对 工 作 楔 角 产 生 很 大 的 影 响。 表 1，表 2 分别列出了上述实例当内环 Ri 的磨损 Δ1 = 0． 05，0． 10，0． 20 mm 和 外 环 Re 磨 损 Δ2 = 0． 05，0． 10，0． 20 mm 后工作楔角的变化情况。从 表中可以看 出，内 环 磨 损 比 外 环 磨 损 导 致 工 作 楔 角变化稍大，当内环或外环磨损量为 0． 20 mm 时，
ISSN1000 － 3762 轴承 2011 年4 期 CN41 － 1148 / TH Bearing 2011 ，No． 4
1 －3
产品设计与应用
斜撑式超越离合器楔角的计算分析
李慎华，陈怀刚
( 洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)
摘要: 介绍了斜撑式超越离合器的结构及工作原理，推导了该离合器的自锁条件与初始楔角，为斜撑式超越离