滾珠式傳感安全離合器的設(shè)計(jì)

陳云

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽六安 237011）

滾珠式傳感安全離合器的設(shè)計(jì)

陳云

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽六安 237011）

利用Solidworks軟件對(duì)滾珠式傳感安全離合器進(jìn)行了三維實(shí)體建模，建立了力學(xué)分析模型，給出了力與扭矩的關(guān)系式及接觸強(qiáng)度校核方法.

安全離合器；滾珠；傳感器；力學(xué)分析；強(qiáng)度校核

安全離合器[1]常用在動(dòng)力傳動(dòng)的主、被動(dòng)側(cè)之間，當(dāng)發(fā)生過載故障時(shí)（扭矩超過設(shè)定值），它便會(huì)產(chǎn)生分離，從而有效保護(hù)驅(qū)動(dòng)機(jī)械（如電機(jī)、減速機(jī)、伺服馬達(dá)）以及負(fù)載.常用的有摩擦片式安全離合器、圓柱彈簧鋼球式安全離合器，它們廣泛應(yīng)用于印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、制冷設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線、分割器、螺桿擠出機(jī)、冶金機(jī)械、機(jī)械橡膠設(shè)備及數(shù)控設(shè)備行業(yè)等.目前國內(nèi)對(duì)傳統(tǒng)安全離合器的研究較多，而對(duì)新型安全離合器的研究甚少，本文介紹了一種新型滾珠式傳感安全離合器結(jié)構(gòu)，并提出了該離合器的設(shè)計(jì)方法.

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 滾珠式傳感安全離合器的結(jié)構(gòu)

滾珠式傳感安全離合器主要由調(diào)節(jié)螺母、碟形彈簧、滾珠、連接法蘭、移位法蘭、保持架等部件組成，20個(gè)滾珠圓周均布，滾珠不僅與連接法蘭上的凹槽（牙槽）接觸，而且還與保持架上的凹槽（牙槽）接觸，這樣滾珠就起到了傳遞扭矩的媒介作用.另外，靠近移位法蘭處接一個(gè)可以控制關(guān)閉動(dòng)力源的傳感限位開關(guān).

使用Solidworks軟件對(duì)滾珠式傳感安全離合器進(jìn)行準(zhǔn)確的三維造型，如圖1所示.圖2為傳感限位開關(guān)的安裝位置示意圖，圖3為滾珠與連接法蘭及保持架牙槽接觸的局部放大圖.

1.2 滾珠式傳感安全離合器的工作原理

圖1 滾珠式傳感安全離合器的三維造型圖

滾珠式傳感安全離合器的工作原理為：當(dāng)輸出動(dòng)力端的軸所受負(fù)載較小時(shí)，碟形彈簧[2]不產(chǎn)生壓縮變形，滾珠不發(fā)生打滑，與主動(dòng)端及從動(dòng)端的牙槽接觸，安全離合器的作用相當(dāng)于聯(lián)軸器；當(dāng)負(fù)載震動(dòng)、超載或機(jī)械故障而導(dǎo)致所需扭矩超過設(shè)定值（極限扭矩）時(shí)，碟形彈簧被壓縮，滾珠在弧形槽上打滑，脫離主動(dòng)端（從動(dòng)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，限制傳動(dòng)系統(tǒng)所傳遞的扭矩），同時(shí)，移位法蘭做軸向移動(dòng)，促使傳感器限位開關(guān)關(guān)閉動(dòng)力源.當(dāng)過載情形消失后恢復(fù)聯(lián)結(jié)，這樣就防止了機(jī)械損壞，避免了昂貴的停機(jī)損失.滾珠式傳感安全離合器從正常工作到過載，滾珠打滑過程如圖4所示.

圖2 傳感限位開關(guān)安裝位置圖

圖3 滾珠與兩個(gè)牙槽接觸的局部放大圖

圖5 單個(gè)滾珠受力圖

圖4 滾珠打滑過程

2 滾珠式傳感安全離合器的設(shè)計(jì)

2.1 力學(xué)模型及受力分析

離合器所能傳遞的極限扭矩是由設(shè)計(jì)給定的，其計(jì)算關(guān)鍵在于確定碟簧作用于滾珠的壓緊力與扭矩的關(guān)系.根據(jù)離合器的結(jié)構(gòu)及工作原理，取滾珠為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，如圖5所示，從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠在輸入端（連接法蘭）牙槽中受到4個(gè)力的作用，圓周力Fy（從動(dòng)端牙槽給滾珠的支反力分力）、牙槽弧面法線方向的正壓力FR、滾珠與牙槽弧面間的摩擦力Ff、碟簧對(duì)單個(gè)滾珠的軸向壓力P1.滾珠與牙槽分離前，其受力表達(dá)式為：

式中：P為單個(gè)碟簧的載荷（N）；Pz為碟簧組的載荷（N），若是n個(gè)碟簧疊合組合，則Pz=nP;Z為滾珠數(shù)目（個(gè)）；Fy為單個(gè)滾珠傳遞的圓周力（N）；Ff為牙槽對(duì)滾珠的滑動(dòng)摩擦力（N）；α為接觸角；μ為工作面摩擦系數(shù)，μ=tgρ（ρ取5～6°）.

解式（1）、（3）、（4）并整理可得：

如果離合器傳遞的極限扭矩為Tj，滾珠分度圓直徑為Dm，則

2.2 強(qiáng)度校核

取滾珠與牙槽（圓弧形）接觸面進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核.異形曲面互相接觸時(shí)，未受力的初始接觸情況主要是線接觸和點(diǎn)接觸，當(dāng)滾珠與牙槽圓弧面相互擠壓時(shí)，產(chǎn)生赫茲應(yīng)力，兩者的接觸可以近似看成球與凹球面的接觸，接觸區(qū)一般呈橢圓形或圓形，滾珠與牙槽接觸的剖面圖如圖6所示，其中H為牙槽深度.牙槽模量及泊松比分別為μ1、E1，滾珠的彈性模量及泊松比分別為μ2、E2.

根據(jù)彈性力學(xué)[3]知識(shí)，接觸區(qū)呈橢圓形時(shí)，最大接觸應(yīng)力σHmax為

式中：F為接觸處的法向載荷（N），F(xiàn)=Fy·cosρ/sin(α+ρ)；α為接觸角；ρ為摩擦角，取5～6°；

R為牙槽弧道的曲率半徑；r為滾珠半徑.

3 結(jié)語

圖6 滾珠與圓弧形牙槽接觸的剖面圖

1）安全離合器是近些年才推廣使用的一種扭矩限制聯(lián)軸器，在設(shè)備過載時(shí)可以有效地保護(hù)減速機(jī)、電機(jī)等動(dòng)力源，避免造成重大的經(jīng)濟(jì)損失.

2）滾珠式傳感安全離合器的打滑扭矩（極限扭矩）可以通過調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，且數(shù)值可以直接從螺母上讀出，因此，打滑扭矩簡單易調(diào)、易讀.

3）內(nèi)置精密滾珠機(jī)構(gòu)，可在過載瞬間使主被動(dòng)傳動(dòng)脫開.

4）安裝有過載檢測傳感器，可以在過載時(shí)瞬間關(guān)閉動(dòng)力源.

5）滾珠式傳感安全離合器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于確定碟簧作用于滾珠的壓緊力與離合器極限扭矩之間的關(guān)系，并且選用恰當(dāng)?shù)慕佑|強(qiáng)度公式校核滾珠與牙槽間的接觸應(yīng)力.

6）滾珠式傳感安全離合器的設(shè)計(jì)方法可以作為滾子式安全離合器的設(shè)計(jì)參考.

[1]田樹偉，張培豐.彈簧鋼球式安全離合器在鉆機(jī)中的應(yīng)用[J].探礦工程，1999（6）：23-24.

[2]陸文遂.碟形彈簧的計(jì)算設(shè)計(jì)與制造[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1990：19-20.

[3]徐芝綸.彈性力學(xué)[M].2版.北京：人民教育出版社，1982：285-302.

A Design of Ball-Safe Clutch with Sensor

CHEN Yun
(Department of Mechanical Engineering,Anhui National Defense Vocational College,Lu'an 237011,China)

Using Solidworks software,this paper draws the model of ball-safe clutch with sensor.According to theoretical mechanics and elasticity method,mechanical analysis model is built,a relationship between force and torque is given,and calibration method about contact strength is proposed.

safe clutch;ball;sensor;mechanical analysis;strength check

TH133.4

A

1008-2794（2012）10-0076-03

2012-09-14

陳云（1983—），男，安徽銅陵人，助理講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì).