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    高转速楔块式超越离合器研究.pdf

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    高转速楔块式超越离合器研究.pdf

    [新 设 备 新 材 料 新 方 法 ]收 稿 日 期 2009208228;修 回 日 期 2009209212作 者 简 介 孔 炜 1971 - ,男 ,北 京 人 ,工 学 博 士 ,高 级 工 程 师 ,北 京 新 兴 超 越 离 合 器 有 限 公 司 技 术 部 经 理 ,中 国 机 械 工 程 学 会高 级 会 员 ,中 国 发 明 协 会 会 员 ,北 京 市 注 册 科 技 咨 询 师 ,主 要 从 事 超 越 离 合 器 、 逆 止 器 产 品 研 制 ,专 注 于 机 械 动 态 设 计 和 系 统 辨识 及 建 模 方 面 的 研 究 。高 转 速 楔 块 式 超 越 离 合 器 研 究孔 炜 1 , 朱 春 梅 2 1. 北 京 新 兴 超 越 离 合 器 有 限 公 司 , 北 京 102206; 2. 北 京 信 息 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院 , 北 京 100192 摘 要 楔 块 式 超 越 离 合 器 是 机 电 传 动 系 统 的 重 要 功 能 部 件 。 传 统 保 持 架 结 构 的 超 越 离 合 器 在 高 转 速 工 况 下 ,存 在 楔 块容 易 翻 转 、 磨 损 大 和 制 造 工 艺 性 差 等 缺 点 。 在 分 析 传 统 保 持 架 结 构 的 基 础 上 ,对 新 型 高 转 速 保 持 架 结 构 楔 块 超 越 离 合 器主 要 零 件 结 构 、 工 作 原 理 和 特 点 进 行 了 研 究 ,并 对 新 型 超 越 离 合 器 的 工 作 性 能 进 行 了 测 试 。关 键 词 机 械 传 动 ;超 越 离 合 器 ;楔 块 ;高 转 速 ;保 持 架中 图 分 类 号 TH133. 4 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 100522895 2009 0620079203Study of the H igh2speed Sprag O verrunn ing C lutchKONG W ei1 , ZHU Chun2mei21. Beijing Xinxing Overrunning clutch Co. L td KCK Clutch , Beijing 102206, China;2. College ofMechanical and Electrical Engineering, Beijing Information Science overrunning clutch; sp rag; high2speed; cage0 引 言超 越 离 合 器 是 随 着 机 电 一 体 化 产 品 的 发 展 而 出 现的 基 础 件 ,它 是 用 于 原 动 机 和 工 作 机 之 间 或 机 器 内 部主 动 轴 与 从 动 轴 之 间 实 现 动 力 传 递 与 分 离 功 能 的 重 要部 件 。 它 是 利 用 主 、 从 动 部 分 的 速 度 变 化 或 旋 转 方 向的 变 换 ,具 有 自 行 离 合 功 能 。 在 食 品 、 包 装 、 印 刷 等 设备 的 机 械 传 动 系 统 中 得 到 广 泛 的 应 用 [ 122 ]。1 超 越 离 合 器 的 发 展 概 况滚 珠 式 超 越 离 合 器 的 应 用 历 史 较 早 ,据 文 献 报 道于 1878年 就 以 “ 换 向 电 动 机 ” 为 题 载 入 专 利 中 。 滚 柱式 超 越 离 合 器 的 工 作 可 靠 性 差 、 承 载 能 力 低 、 星 轮 加 工困 难 、 工 艺 性 差 ,已 很 少 使 用 ,而 采 用 更 为 优 越 的 楔 块式 超 越 离 合 器 [ 3 ]。楔 块 式 超 越 离 合 器 是 一 种 新 型 结 构 ,由 德 国 人 于1916年 发 明 。 它 以 承 载 能 力 大 、 自 锁 可 靠 、 解 脱 轻 便 、结 构 紧 凑 ,在 机 械 传 动 系 统 中 得 到 广 泛 应 用 。国 外 有 很 多 规 模 较 大 的 离 合 器 制 造 商 ,如 美 国FORMSPRAG公 司 专 项 研 制 大 力 矩 、 高 转 速 、 特 殊 功 能用 途 的 超 越 离 合 器 。 另 外 德 国 的 STIEBER、R INGSPANN、 英 国 RENOLD、 美 国 MORSE、 日 本 TSUB2AKI等 都 是 超 越 离 合 器 行 业 的 知 名 公 司 。我 国 对 楔 块 式 超 越 离 合 器 的 研 发 较 晚 , 20世 纪 70年 代 由 于 新 开 发 产 品 和 引 进 产 品 的 国 产 化 要 求 ,促 使对 楔 块 超 越 离 合 器 的 研 制 。 历 经 30多 个 春 秋 ,我 国 自行 研 制 和 生 产 的 楔 块 式 超 越 离 合 器 能 满 足 一 般 工 况 的生 产 和 科 研 要 求 。 例 如 北 京 某 超 越 离 合 器 有 限 公 司制 定 了 超 越 离 合 器 的 国 家 行 业 标 准 ZB /TJ19025290和 JB /T913022002。 有 CKA, CKB , CKZ, CKF和 CKX第 27卷 第 6期2009年 12月 轻 工 机 械L ight Industry M ach inery Vol. 27 No. 6Dec. 2009 等 20余 种 系 列 , 1 000多 种 型 号 。但 是 对 于 高 转 速 工 况 下 的 楔 块 式 超 越 离 合 器 ,由于 楔 块 与 内 环 间 的 摩 擦 和 磨 损 及 其 发 热 ,使 离 合 器 早期 失 效 ,使 用 寿 命 较 短 ,无 法 满 足 要 求 [ 426 ]。 因 此 ,对 高转 速 楔 块 超 越 离 合 器 研 制 与 开 发 将 使 我 国 超 越 离 合 器发 展 提 高 到 一 个 新 的 水 平 。2 传 统 保 持 架 超 越 离 合 器 的 结 构 和 问 题传 统 的 保 持 架 式 结 构 的 超 越 离 合 器 JB /T913022002中 的 CKX系 列 ,由 楔 块 、 弹 性 波 带 、 内 保 持 架 和外 保 持 架 等 组 成 ,如 图 1所 示 。图 1 楔 块 式 超 越 离 合 器 图图 2为 楔 块 式 离 合 器 结 构 外 形 及 工 作 原 理 图 ,单向 离 合 器 是 置 于 内 套 和 外 套 之 间 ,装 配 时 应 注 意 不 能装 反 ,否 则 就 不 起 作 用 。图 2 超 越 离 合 器 原 理 图楔 块 具 用 一 独 特 的 端 面 形 状 , A A 方 向 的 尺 寸大 于 B B方 向 的 尺 寸 。 当 外 套 相 对 于 内 套 作 顺 时 针方 向 转 动 时 ,楔 块 以 轴 B B的 尺 寸 介 于 内 外 套 自 由转 动 ;而 作 逆 时 针 转 动 时 ,则 楔 块 将 内 外 套 锁 在 一 起 ,不 允 许 外 套 向 逆 时 针 方 向 转 动 或 只 能 内 外 套 一 起转 动 [ 7 ]。这 种 结 构 存 在 的 问 题 是 1 楔 块 之 间 的 间 距 较 大 ,同 样 圆 周 尺 寸 楔 块 数 量较 少 ;2 楔 块 的 “ 鞋 型 ” 结 构 截 面 瘦 长 ,在 高 转 速 、 过 载条 件 下 使 得 楔 块 容 易 翻 转 ,造 成 失 效 ;3 弹 性 波 带 是 细 长 而 薄 的 波 状 弹 簧 ,其 各 个 孔 间距 有 严 格 的 尺 寸 和 形 状 要 求 ,工 艺 、 热 处 理 过 程 复 杂 ,质 量 很 难 控 制 ,批 量 生 产 一 致 性 差 ;4 大 孔 径 的 保 持 架 在 加 工 过 程 中 ,变 形 问 题 难 以解 决 ,造 成 高 转 速 下 的 动 不 平 衡 。3 新 型 保 持 架 超 越 离 合 器 的 结 构 和 特 点针 对 传 统 解 决 保 持 架 式 超 越 离 合 器 的 问 题 ,北 京 某超 越 离 合 器 有 限 公 司 经 过 多 年 研 究 ,采 用 计 算 机 动 力 学仿 真 和 载 荷 识 别 技 术 试 验 研 究 等 研 究 途 径 ,成 功 地 研 制了 一 种 新 型 的 保 持 架 超 越 离 合 器 ,并 进 行 了 产 品 系 列化 ,如 图 3所 示 。 该 产 品 已 经 在 很 多 进 口 设 备 中 广 泛 使用 ,使 高 转 速 工 况 下 的 设 备 传 动 可 靠 性 有 很 大 提 高 。图 3 新 型 保 持 架 超 越 离 合 器新 型 高 转 速 超 越 离 合 器 主 要 由 3个 关 键 零 件 ,如图 4所 示 。图 4 高 转 速 超 越 离 合 器楔 块 是 超 越 离 合 器 中 最 关 键 的 零 件 。 高 转 速 和 由此 产 生 的 高 温 工 况 都 会 直 接 造 成 对 楔 块 寿 命 和 性 能 的影 响 。 因 此 ,高 转 速 超 越 离 合 器 的 设 计 关 键 是 楔 块 的设 计 ,包 括 楔 块 外 形 的 设 计 和 硬 度 耐 磨 性 的 提 升 。 楔块 设 计 的 核 心 在 于 选 择 恰 当 的 初 始 接 合 位 置 的 楔 角 ,而 且 必 须 小 到 足 以 克 服 油 膜 的 厚 度 ,并 且 对 离 合 器 在超 越 工 作 状 态 所 产 生 的 磨 损 留 有 裕 度 [ 8 ]。楔 块 的 材 料 选 择 轴 承 钢 。 为 了 提 高 楔 块 硬 度 ,对08 轻 工 机 械 L ight IndustryMachinery 2009年 第 6期楔 块 进 行 了 氮 化 热 处 理 ,氮 化 物 扩 散 成 一 层 具 有 硬 度值 达 HRC70的 良 好 耐 磨 表 面 。 提 高 了 超 越 磨 损 寿 命和 接 合 疲 劳 寿 命 。楔 块 的 装 配 过 程 中 ,在 任 一 给 定 的 离 合 器 中 ,楔 块需 单 独 测 量 和 分 组 ,同 一 组 中 其 高 度 方 向 尺 寸 差 应 在一 定 范 围 内 ,以 便 所 有 楔 块 的 应 力 和 磨 损 分 布 得 更均 匀 [ 9 ]。新 型 高 转 速 超 越 离 合 器 的 结 构 特 点 是 1 接 合 平 稳 、 无 冲 击 、 空 行 程 短 ;2 接 触 点 曲 率 半 径 大 、 楔 块 数 量 多 、 承 载 能 力 大 ,传 递 转 矩 是 原 来 传 统 结 构 的 2~ 3倍 ;3 楔 块 截 面 呈 “ 桃 形 ” ,稳 定 性 好 ,不 易 翻 转 ;4 自 锁 可 靠 、 反 向 解 脱 轻 便 ;5 结 构 紧 凑 、 同 样 承 载 转 矩 下 ,外 形 尺 寸 小 ;6 特 殊 的 楔 块 形 状 和 热 处 理 ,具 有 高 转 速 、 高 耐磨 、 耐 高 温 性 能 ;7 结 构 工 艺 性 好 ,制 造 成 本 低 ,便 于 批 量 生 产 。4 超 越 离 合 器 性 能 试 验超 越 离 合 器 测 试 系 统 由 超 越 离 合 器 测 试 装 置 、 传感 器 、 动 态 电 阻 应 变 仪 、 多 通 道 高 速 数 据 采 集 仪 、 计 算机 组 成 ,如 图 5所 示 。超 越 离 合 器 测 试 装 置 是 用 两 台 三 相 异 步 电 机 分 别模 拟 主 动 端 和 从 动 端 ,主 动 电 机 与 离 合 器 的 内 环 相 连 ,从 动 电 机 与 离 合 器 外 环 相 连 。 当 主 动 电 机 启 动 时 ,通过 超 越 离 合 器 带 动 外 环 电 机 运 转 。 当 外 环 电 机 达 到 一定 转 速 后 ,内 环 电 机 停 止 运 转 ,离 合 器 自 动 分 离 ,外 环电 机 与 内 环 电 机 自 动 脱 开 。试 验 离 合 器 的 主 要 技 术 指 标 是 1 外 形 尺 寸 57. 76 mm 74. 42 mm235. 4 mm 内径 外 径 2宽 度 ;2 转 速 5 000 r/m in;3 转 矩 850 N m;4 工 作 温 度 120 ℃ ;5 润 滑 方 式 封 闭 式 油 润 滑 。通 过 3套 离 合 器 样 品 试 验 ,进 行 了 磨 合 试 验 、 性 能试 验 和 超 越 试 验 。 每 套 试 验 件 累 计 运 行 时 间 约 50m in,其 中 包 括 1次 磨 合 试 验 、 3次 疲 劳 考 核 试 验 。 还对 离 合 器 进 行 了 静 态 扭 矩 试 验 。以 上 试 验 过 程 中 ,离 合 器 工 作 状 况 良 好 。 试 验 结束 后 ,经 无 损 探 伤 ,离 合 器 各 零 件 特 别 是 楔 块 无 异 常 损坏 现 象 。5 结 论 与 展 望高 转 速 超 越 离 合 器 是 具 有 高 技 术 含 量 、 高 附 加 值图 5 超 越 离 合 器 性 能 测 试 系 统的 机 械 零 部 件 。 目 前 主 要 制 造 商 是 美 国 和 日 本 的 公司 ,我 国 进 口 成 本 高 、 周 期 长 ,维 修 困 难 ,军 事 用 途 的 离合 器 的 甚 至 难 以 进 口 。 国 外 公 司 十 分 关 注 我 国 自 主 研发 高 转 速 超 越 离 合 器 的 动 态 和 进 展 ,美 国 的 FORMS2PRAG公 司 和 日 本 的 TSUBAKI公 司 都 曾 到 北 京 某 超越 离 合 器 有 限 公 司 考 察 。新 型 高 转 速 超 越 离 合 器 的 自 主 研 制 成 功 与 国 产化 、 系 列 化 ,提 高 了 我 国 通 用 零 部 件 的 设 计 和 制 造 水平 ,缩 短 了 与 国 外 先 进 水 平 的 差 距 ,具 有 显 著 的 经 济 效益 和 社 会 效 益 。参 考 文 献 [ 1 ] 孔 庆 堂 . 楔 块 式 超 越 离 合 器 的 特 点 与 设 计 [ J ]. 机 械 制 造 , 199312 30235.[ 2 ] 实 用 机 械 设 计 手 册 编 写 组 . 实 用 机 械 设 计 手 册 下 册 [M ]. 2版 .北 京 机 械 工 业 出 版 社 , 1995 40266.[ 3 ] 孔 炜 . 楔 块 式 超 越 离 合 器 的 性 能 及 其 应 用 [ J ]. 新 技 术 新 工 艺 ,1998 4 23224.[ 4 ] 薛 渊 ,陆 念 力 ,王 树 春 . 滚 柱 式 超 越 离 合 器 的 自 锁 失 效 分 析 及 设 计对 策 [ J ]. 吉 林 大 学 学 报 工 学 版 , 2006 5 35239.[ 5 ] 罗 一 新 ,李 俊 湘 . 四 滚 柱 式 超 越 离 合 器 外 环 接 触 应 力 计 算 [ J ]. 力学 与 实 践 , 1995, 17 2 42244.[ 6 ] 谢 明 ,杨 桦 . 四 滚 柱 式 超 越 离 合 器 系 统 模 糊 可 靠 度 计 算 [ J ]. 公 路交 通 科 技 , 2005 4 76278.[ 7 ] 黄 家 裕 ,钮 心 宪 . 超 越 离 合 器 的 力 学 分 析 [ J ]. 交 通 部 上 海 船 舶 运输 科 学 研 究 所 学 报 , 2000, 23 2 75283.[ 8 ] 黄 靖 远 ,孙 吉 平 ,高 志 ,等 . 链 环 式 超 越 离 合 器 高 速 超 越 特 性 研 究[ J ]. 机 械 工 程 学 报 , 2003 7 1162119.[ 9 ] 孙 吉 平 ,高 志 ,黄 靖 远 ,等 . 链 环 式 超 越 离 合 器 自 锁 条 件 及 数 学 模型 [ J ]. 清 华 大 学 学 报 , 2003 8 103121036.18 [新 设 备 新 材 料 新 方 法 ] 孔 炜 ,等 高 转 速 楔 块 式 超 越 离 合 器 研 究

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