楔块式单向超越离合器的设计

作者简介：张 锋，男，１ ９ ６ ２ 年生，陕西科技大学造纸工程学院， 副教授 从事机械设计与制造方面的教学和科研工作。
Mining & Processing Equipment
楔块式单向超越离合器的设计 两圆弧工作面切面之间的垂直距离称为楔块的公称规 格。如表 １ 所示为我们所研制使用的鞋形块形状的 ４ 种规格。每种规格的楔块适用一定大小的离合器。 １．２．３ 楔块的重心位置对离合器性能的影响 楔块的重心位置对于在高速运转条件下的楔块式 单向离合器设计尤为重要。这是因为楔块的离心载荷 是速度平方的函数即 ðn Fe = ms R ×10 − 3 30 F ｅ —— 每个楔块离心力 m ｓ —— 楔块重量，ｋｇ R —— 旋转中心到楔块重心的距离，ｍｍ n —— 离合器内或外环的转速，ｒ ／ ｍｉｎ 离心载荷可以使楔块产生对内环滚道 （ 或外环滚 道） 表面脱离接触或压紧接触的力矩。 在高速超越和 低速楔合运转条件下有利于减少楔块的磨损。对于高 速超越和高速楔合运转条件下则会影响楔块式单向离 合器的接合性能甚至失效。 式中
∆ i = pi ×
１．３．３ 下式计算
Ri E
2 Ri2 + Rid R2 − R2 − v i id
１．３ 楔块式单向离合器的力学分析
楔块式单向离合器力学分析主要是对其主要零件 楔块、内外环在承载时内部应力及变形的计算。分析 中采用了如下假设条件： （ １ ） 内外环的变形及应力计算建立在厚壁圆筒理 论基础上，有效长度应为楔块的实际长度； （ ２ ） 楔块的径向载荷 可转换为等效流体载荷 （面载荷） ； （ ３ ） 所有的楔块均 载。 １．３．１ 力与变形 楔块式单向离合器楔 块的承载受力示意图见图 ２ 所示。对于楔块与内环 滚道的接触按赫兹 ２ 轴平 行的圆柱体凸面接触的公 式来计算接触应力，而对 于外环滚道的接触则按凹 面接触来计算。 楔块的接触应力为 图 ２ 楔块的接触应 式中
2 2 Ro Ro + Rod − v 2 2 E Ro − Rod
１．３．３ 楔块式单向离合器的额定扭矩 楔块式单向离合器的额定扭矩通过异型滚子 （楔 块） 的接触表面疲劳强度来衡量，所以单向离合器反 复作用的额定扭矩是指接触表面不能产生打滑和有害 的塑性变形，在离合 １０６ 次后对于异形楔块和内外圈 滚道面不发生疲劳剥落的极限力矩，因接触面产生的 内应力是外圈一侧比内圈一侧大，所以在计算额定扭 矩时应以内圈一侧的压应力为条件，若使用中伴随着 振动的产生，将使用最大扭矩做为额定扭矩，这是很 重要的条件。
i f i = pi R2 − R2 i id
2R2

式中
pi =
nN i 2 ðlRi
Rid —— 内环内孔半径
在外部压力 p i 的作用下，内滚道的变形 ∆i (mm) 可 由下式计算
楔块与内外环间赫兹应力所引起的压缩变形量Δ H o 、ΔH i 为
No ∆H o = N o C 2 − C1 ln 4.482 2 Ni ∆H i = N i C 2 − C1 ln 4 . 482 2
2
式中
2(1 − v ) （赫兹影响系数 ｍｍ ／ Ｎ） C = ðlE
５． 保持架 ６． 楔块 承 １２． 弹簧 ７． 油杯 ８． 撑簧 １１． 轴
x y
９４ ９４
通 用
e =
−1 θ = sin
x2 + y 2
e cos( α + Ω) Ri + ri
J = R0 − Ri R0 = r0 + ( Ri + ri ) cos θ − e sin(α + Ω) ϕ = tan
2
第 ３３ 卷 ２００５ 年第 １２ 期
2 ðlE (Ri + ri ) C3 = C1 + ln （楔块与内环间的赫 2 v 3 2 ( 1 − ) × 4 . 448 22
兹影响系数 ｍｍ ／ Ｎ） １．３．２ 内环周向应力与变形 由于楔块的切向和法向压缩载荷，内环产生压缩 应力。假定内环为受外压作用的圆筒其应力可按下式 计算
−1
Ri sin θ R0 − Ri cos θ
λ = ϕ + θ 工作时，由双圆弧工作面的楔块随着载荷增大， 其径向分力增大，内外环滚道弹性变形增大。于是楔 块相应转过一定的角度Ω 与内外环滚道之间的接触点 随之改变，楔角也随之改变。楔角的设计以不产生打 滑为条件，如钢对钢的摩擦系数按 ０．１ 计算， 其摩擦 角为 ５° ４０＇，最大楔角应小于此值。推荐起始楔角 （即 刚进入接合状态时的楔角） 为 ２° ３０＇ ，最大承载时的 工作楔角为 ４° ３ ０ ＇，对于要求不高或用于定位分度的 离合器也可增大到 ６ ° 。 １．２．２ 楔块的形状和规格 楔块的基本形状是由 ２ 个具有一定的曲率半径的 偏心圆弧形成的异形块体，其截面形状有拳形块、鞋 形块、桃 形块、φ 形块等多计
论文编号：１００１－３９５４（２００５）１２－００９４－９６
楔块式单向超越离合器的设计
张
１ ２
锋１
任德睦 ２
陕西咸阳 ７１２０８１
陕西科技大学造纸工程学院
咸阳超越离合器有限公司 如果内环相对于外环逆时针方向转动时，在楔块与内 外环之间的摩擦力就会使得楔块以顺时针方向绕其中 心旋转以反作用于弹簧的伸张力。因为楔块的 “c ” 尺寸比跑道间的径向距离小，楔块不能楔紧处于松脱 状态，内外环可以分别自由的转动不传递扭矩 （ 超越 状态） 。在超越状态时弹簧力使得楔块滚子与两跑 道 保持接触。楔块式单向离合器正常的工作过程是：超 越－自动的动态楔入－静态接合－自动脱离 （解楔）－ 超越。
−1 α = tan
１ 楔块式单向超越离合器的结构 设计
１．１ 楔块式单向超越离合器的基本结构及工 作原理
楔块式单向超越离合器其工作依赖于楔块的摩擦 角，使其楔在两滚道之间以实现传递扭矩、间歇分 度、防止逆转功能。基本型楔块式单向超越离合器包 含一个圆形外跑道 （内环），一个圆形内跑道 （外环）， 一个或两个楔块保持架，还有弹簧以及合适的轴承用 以提供支撑和保 持两跑道处于同 心位置。一种楔 块式单向超越离 合器的剖面图如 图 １ 所示。楔块 是由 ２ 个不同心 的圆弧组成工作 面，与内外滚道 圆弧面接触。当 内环相对于外环 顺时针方向转动 时，摩擦力和弹 簧力就会趋向于 使楔块以逆时针 方向绕其中心旋 转。因为楔块滚 子 尺 寸 “ b ” 超 过了两跑道间的 径 向 距 离 ， 则 楔 １、１０． 孔卡 ２． 外环 ３． 内环 ４、９． 油封 块楔入内外环之 间并锁定内外环 一起旋转传递扭 矩 （ 楔合状态） 。
赫兹影响系数 ｍｍ ／ Ｎ）
９５ ９５
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第 ３３ 卷 ２００５ 年第 １２ 期
钻头磨削机的设计
论文编号：１００１－３９５４（２００５）１２－００９６－９７
钻头磨削机的设计
张洛明 余曼霞 韩丽丽 孟令启
郑州大学机械工程学院 河南郑州 ４５００５２ 加工刀具。在大多数情况下，麻花钻的修磨主要是由 经验丰富的工人靠手工操作完成。不仅效率很低，而 且人工修磨的钻头的主切削刃的前后角度都很难保证 精确。这样在使用时不但钻孔精度受到影响，钻头也 容易折断。特别是钻深孔 （ L ／ d ＞１０） 或钻床主轴刚度 不足时，由于主切削刃修磨的不一致，会产生非对称 的径向切削力，使钻头中心摆动，造成孔加工精度下 降 （孔径扩大、偏斜等）。如果后刀面修磨的不合理， 甚至使工作后角变成负值。这不仅会使钻削速度降 低，还会使后刀面严重磨损，钻头端部升温加快，轴 向切削力急剧增大，严重时会折断钻头。若钻头折断 在深孔中，还可能导致零件报废。 另一方面，手工修磨都是开放式作业，砂轮外 露，磨屑飞溅。既不安全，又对作业环境带来粉尘污 染，不利于文明生产。我们设计的全封闭式高精度钻 头磨削机，即可以保证修磨精度，大大提高效率，又 可保证操作人员安全，其内部的粉尘收集装置可有效 收集磨屑等，不会造成粉尘污染。
1
２．２ 楔块圆弧工作面的磨损
楔块式单向超越离合器属于摩擦式超越离合器。 离合器中的楔块与内外环滚道构成高副接触，楔块圆 弧工作面的磨损属于不可避免的正常磨损，只能力求 减缓，提高离合器的使用寿命。楔块圆弧工作面的磨
2 ðlE ( Ro − ro ) C 2 = C1 + ln （楔块与外环间的 2 3 2 ( 1 − v ) × 4 . 448 22
H rｉ J
表１
楔块规格
Dｉ ｍｉｎ L ｍｉｎ ｍａｘ
ｍｍ Ｍａｘ
图１
楔块式单向超越离合器 结构及工作原理
Pｍｉｎ
种形式。 ６．３５ ３．２５ ６．２９９ ７．３６６ １２．７ ３８．１ ６．３５ １９．０５ 楔块的规 ８．３８ ４．５ ８．３３ ８．６４ ２５．４ １０１．６ ８．３８ ２０．３２ 格以楔块 ９．５２５ ５．０３ ９．５０ ９．１１４ ５０．８ １５２．３ ９．５３ ２５．４ 零转角时 １２．７ ６．７３１ １２．６５ １１．１７６ １１４．３ ２２８．６ １２．７ ３８．１
通 用
N o E Ro − ro σo = 2ðl (1 − v 2 ) Ro ro σi = N i E Ri + ri 2 ðl (1 − v 2 ) Ri ri
２ 楔块式单向超越离合器的主要 失效型式
２．１ 楔块滚转翻倾
当楔块式单向超越离合器遇到极大外加载荷或冲 击载荷时，楔块会从正常楔合位置滚转到翻倾位置， 即楔块的最大升程超过内环、外环滚道的空间而倒向 另一侧，从而使离合器失效。滚转翻倾过程是在巨大 转矩作用下，内外环滚道间径向尺寸被撑大超过楔块 的最大升程。其主要影响因素有离合器内外环和楔块 承载时的径向变形量、制造的较大的尺寸误差以及同 轴度误差。
楔
块式单向离合器属于机电一体化产品中机械
传动的基础件，是一种随速度或旋转方向的
１．２ 楔块式单向超越离合器的楔块设计
１．２．１ 楔角的设计 楔块是离合器中的关键零件，不但形状特殊，尺 寸精度高而且它的两个工作面在离合器中直接承受扭 矩的作用。因此，其工作面曲线形状及参数设计是否 合理，直接关系到离合器的性能。 楔块与滚道结合状 态下几何参数间的关系如图 ２ 所示。一般内楔角λ大 于外楔角 φ ，故在设计时只考虑内楔角 λ 。具体设计 公式如下
变 化 而 自 动 结 合 或脱开的新型超越离合器，用途广 泛。在传统的机械传动中，采用的多是棘轮式，滚柱 式，以及扭力弹簧式结构的单向离合器。它们传递的 扭矩容量小，轮廓尺寸大，重量大。给设备的设计及 空间布置带来了诸多不便，随着技术的进步与工业的 发展，对设备的外观紧凑性，可靠性等提出了更高的 要求。楔块式单向离合器就是为了适应这些要求而研 制开发的。
外环周向应力与变形
假定外环为在内压作用下的圆筒，其应力可按
2 Ro Ro2 + Rod + v 2 2 E Ro − Rod
f o = po ×
R od —— 外环的外径，ｍｍ 在内压 p o 作用下，外环内滚道的变形 ∆o (mm) 由下
式计算
∆ o = po ×