離心接合型超越離合器磨損特性分析及解決方法

李慎華，郭鑫，韓濤，郭振偉，楊立光

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

對(duì)于要求離合器具備隨時(shí)傳遞扭矩功能的機(jī)械，應(yīng)將離合器的斜撐塊設(shè)計(jì)成離心接合型，因?yàn)榇祟?lèi)離合器具有所有轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動(dòng)態(tài)接合的能力，既能很大程度地減少啟動(dòng)時(shí)間，又能提高啟動(dòng)的可靠性。另外，離心接合型斜撐塊降低了對(duì)彈簧彈力的依賴(lài)，即使彈簧在使用過(guò)程中出現(xiàn)彈性衰減，斜撐塊仍能在離心力作用下與內(nèi)圈接合，正常傳遞扭矩。針對(duì)離心力增加斜撐塊與內(nèi)滾道的接觸應(yīng)力，使斜撐塊磨損加快的問(wèn)題，可在離合器內(nèi)保持架上安裝阻尼簧片，外保持架上安裝阻尼卡來(lái)解決。

1 離心接合型離合器的結(jié)構(gòu)

離合器在初始工作狀態(tài)，由于彈簧的作用力會(huì)使斜撐塊與內(nèi)外圈接觸，斜撐塊與外圈接觸點(diǎn)是離合器在超越和傳扭時(shí)斜撐塊旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)(圖1)，該支點(diǎn)與外圈中心的連線為接觸線H。離心接合型斜撐塊的質(zhì)心G位于接觸線H右側(cè)(當(dāng)質(zhì)心位于接觸線H左側(cè)時(shí)，離合器為離心脫開(kāi)型)。

圖1 離心接合型斜撐塊的質(zhì)心位置

2 離心接合超越離合器磨損特性分析

2.1 離心力對(duì)斜撐塊與內(nèi)圈接觸應(yīng)力的影響

斜撐塊的離心力為[1]

式中：m為單個(gè)斜撐塊的質(zhì)量，kg；L為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)到斜撐塊質(zhì)心的距離，mm；ne為離合器外圈轉(zhuǎn)速，r/min。

斜撐塊的受力示意圖如圖2所示。圖中，偏心距e為質(zhì)心G到接觸線H的垂直距離。當(dāng)外圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，斜撐塊形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩Ms(Fc×e)，增加了斜撐塊在內(nèi)圈上的接觸應(yīng)力。離合器處于傳扭狀態(tài)時(shí)，該接觸應(yīng)力能夠增加斜撐塊與內(nèi)圈的摩擦力，使啟動(dòng)時(shí)間更短;但是離合器處于超越狀態(tài)時(shí)，該接觸應(yīng)力會(huì)加速斜撐塊與內(nèi)圈的磨損。

1—外圈；2—外保持架；3—帶狀彈簧；4—內(nèi)保持架；5—內(nèi)圈

2.2 斜撐離合器差速函數(shù)的理論磨損系數(shù)

超越狀態(tài)下離合器斜撐塊的磨損是離合器使用中最主要的失效形式,磨損程度與工作圓弧面的接觸應(yīng)力、斜撐塊與內(nèi)圈的相對(duì)轉(zhuǎn)速差有關(guān),這2個(gè)參數(shù)隨著輸入和輸出元件之間差動(dòng)速度的變化而變化。差動(dòng)函數(shù)理論的磨損系數(shù)曲線如圖3所示，該曲線是基于假設(shè)磨損與接觸應(yīng)力和轉(zhuǎn)速差的乘積成正比關(guān)系為前提，由斜撐離合器推導(dǎo)而來(lái)。

由圖3可知，當(dāng)?shù)退佥斎敫咚佥敵鰰r(shí)，斜撐塊與內(nèi)圈間滑動(dòng)速度雖高，但由于與接觸應(yīng)力成平方關(guān)系的離心力很小，斜撐塊與內(nèi)圈接觸應(yīng)力不大，斜撐塊的磨損不嚴(yán)重;隨著輸入速度增加，斜撐塊與內(nèi)圈的滑動(dòng)速度雖然減小，但由于離心力引起的斜撐塊與內(nèi)圈的接觸應(yīng)力加速更快，斜撐塊的磨損速度會(huì)明顯增加，當(dāng)輸入速度/輸出速度為67%時(shí)，磨損系數(shù)達(dá)到最大值，斜撐塊的磨損最嚴(yán)重；此后，隨著輸入速度的增加，斜撐塊與內(nèi)圈的滑動(dòng)速度變成主要磨損因素，系統(tǒng)的磨損系數(shù)降低，斜撐塊磨損速度減弱，閉鎖接合狀態(tài)下斜撐塊不再發(fā)生磨損。

圖3 斜撐離合器差速函數(shù)的理論磨損系數(shù)曲線

2.3 磨損對(duì)偏心距的影響

影響偏心距e的因素包括外圈滾道直徑Di、內(nèi)圈滾道直徑De、斜撐塊規(guī)格尺寸J和斜撐塊質(zhì)心位置。磨損將導(dǎo)致Di增大、De和J減小，使斜撐塊初始楔角增大，即引起偏心距e增大。但實(shí)際上離合器高速超越時(shí)，離合器組件的磨損主要發(fā)生在斜撐塊超越區(qū)域，由于離合器的超越區(qū)域和斜撐塊的質(zhì)心都在接觸線H右側(cè)，故斜撐塊超越區(qū)的磨損使質(zhì)心向左移動(dòng)，偏心距e減小[2]。

3 減少離合器組件磨損的方法

3.1 減少斜撐塊外工作圓弧面磨損的方法

斜撐塊的外工作圓弧面和外圈滾道的磨損均發(fā)生在外圈快速加速和減速時(shí)，因?yàn)殡x合器及其組件在慣性力作用下會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使斜撐塊外圓弧面與外圈滾道發(fā)生磨損。因此，可在離合器外保持架上安裝阻尼卡(圖4)，以最大程度地克服外圈加速和減速引起的慣性力，從而使斜撐塊外圓弧面與外圈滾道基本無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。阻尼卡通常采用冷軋的1CrNi7，SAE301不銹鋼制造，成形之后需進(jìn)行熱處理，以消除殘余應(yīng)力。

圖4 離合器摩擦阻尼元件

3.2 減少斜撐塊內(nèi)工作圓弧面磨損的方法

為了減少斜撐塊在超越時(shí)的磨損，在離合器內(nèi)保持架安裝阻尼簧片(圖4)，內(nèi)圈對(duì)阻尼簧片的摩擦力可以在離合器超越時(shí)克服或減小離心力和彈簧力的合力，從而減小斜撐塊和內(nèi)圈之間的接觸應(yīng)力，減少其相對(duì)磨損。

由于把斜撐塊的磨損轉(zhuǎn)移到阻尼簧片上，而阻尼簧片與內(nèi)圈存在較大的速度差，即使在接觸應(yīng)力很小的情況下，阻尼簧片也可能出現(xiàn)早期磨損失效。由于這種磨損不可避免，故阻尼簧片的材料選擇非常重要，通常采用鈹青銅或25#鈹銅合金，經(jīng)過(guò)熱處理，使其硬度達(dá)到35 HRC左右。此外，流體潤(rùn)滑[3]效應(yīng)也能夠減少內(nèi)圈對(duì)阻尼簧片的磨損。

4 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證阻尼卡與阻尼簧片對(duì)離心接合型離合器斜撐塊的減磨效果，選取結(jié)構(gòu)相同的10套離心接合型離合器，安裝、未安裝阻尼卡和阻尼簧片的各5套，在超越離合器性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行相同條件下的磨損試驗(yàn)。離合器工作時(shí)最高超越轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，內(nèi)圈相對(duì)斜撐塊的差動(dòng)轉(zhuǎn)速為6 700 r/min；試驗(yàn)時(shí)間為500 h。試驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)內(nèi)、外圈磨損量及斜撐塊內(nèi)、外圓弧磨損臺(tái)階寬度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

對(duì)比表1和表2可以看出：

1)在外保持架安裝阻尼卡后，斜撐塊外圓弧面和外圈無(wú)磨損，證明阻尼卡能克服外圈迅速加速和減速時(shí)的慣性力，斜撐塊與外圈基本無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；

2)在離合器內(nèi)保持架安裝阻尼簧片后，內(nèi)圈和斜撐塊內(nèi)圓弧面磨損均明顯減小。

表1 安裝阻尼卡和阻尼簧片的離合器磨損情況

表2 未安裝阻尼卡和阻尼簧片的離合器磨損情況

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)例證明，在離心超越結(jié)合離合器外保持架上安裝阻尼卡、內(nèi)保持架上安裝阻尼簧片的方法，能明顯減小離合器斜撐塊的磨損，提高離合器的壽命。