熱模鍛離合器摩擦盤結構優(yōu)化設計

金魏，潘地磊，徐躍鑾，吉桂生

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225000）

1 離合器結構與原理

離合器是熱模鍛壓力機主要部件之一，用來保證熱模鍛壓力機在正常工作時按規(guī)定的結合頻率來驅動曲軸連桿等部件運動，離合器主要通過摩擦盤上的摩擦塊來傳遞扭矩[1-2]。

如圖1 所示，大齒輪8 通過軸承等零件裝在曲軸1 上；活塞3 裝在氣缸2內，氣缸2 與活塞3 之間由密封圈8 密封；氣缸2、內齒圈9 通過螺栓連接在大齒輪8 上；外齒圈6 與內齒圈9 通過齒嚙合；摩擦塊7 安裝在摩擦盤5上，摩擦盤5 與輪轂4 焊接，輪轂4 通過鍥鍵與曲軸1 連接。

圖1 離合器結構原理

離合器動作具體過程為：當壓力機需要動作時壓縮空氣進入氣缸2，活塞3 在壓縮空氣的作用下向左移動，推動外齒圈6 將摩擦塊7 壓緊在大齒輪8上，使之成為一個整體，大齒輪8 通過摩擦塊7 和摩擦盤5 實現對曲軸1 的驅動。如此則離合器處于結合狀態(tài)，從而傳遞扭矩。當氣缸2 排氣時，活塞3 在彈簧的彈力作用下向右移動使得離合器脫開[3]。

2 常用摩擦盤結構特點

如圖2 所示，在離合器動作時，摩擦塊所承載的扭矩最終需要通過摩擦盤與輪轂傳遞到曲軸上。由于輪轂形狀較為復雜，通常采用鑄件，并且由于鑄造工藝限制難以把摩擦盤與輪轂鑄造成一個整體，通常采用焊接的方式把摩擦盤與輪轂連接在一起，在工作中摩擦塊、摩擦盤、輪轂形成整體。

圖2 焊接摩擦盤結構

在實際情況中，由于焊接質量不可控，且摩擦盤需要承受較大的扭矩，存在焊縫失效的潛在風險；當焊縫失效時，摩擦盤無法傳遞扭矩，從而導致離合器失效，最終導致事故發(fā)生；且當焊縫失效，該零件需要更換時，需要連輪轂一起更換，由于輪轂與曲軸用鍥鍵相連，拆卸比較困難，耗時耗力，更換零件成本較高。

3 摩擦盤結構優(yōu)化設計

在多年設計制造熱模鍛壓力機經驗的基礎上，主要對離合器摩擦盤結構進行優(yōu)化設計。設計一種新型的離合器用分體摩擦盤結構，摒棄焊接方式，采用內外齒內嚙合方式連接，因其凸齒面與凹齒面相接觸，因此內嚙合的齒面承載能力大大提高，其磨損也小于外嚙合齒輪傳動，從而可傳遞較大扭矩。

如圖3 所示，該分體式摩擦盤結構主要由輪轂1、壓板2、摩擦盤3 組成；在輪轂1 的外圈上加工有外齒，摩擦盤3 的內圈上也加工有同輪轂1 同樣數量與模數的內齒，通過內外齒圈嚙合的方式，把輪轂1 與摩擦盤3 連接在一起，限制了輪轂1 與摩擦盤3周向轉動，同時能夠傳遞較大扭矩；當摩擦盤3 上的內齒與輪轂1 上的外齒嚙合時，在輪轂1 的左右兩側用螺釘安裝有壓板2，這樣限制了輪轂1 與摩擦盤3 軸向的竄動，使這三個零件固聯成一個整體。

圖3 優(yōu)化后的摩擦盤結構

以40000kN 熱模鍛為例，設計摩擦盤齒型參數具體如下：材料45鋼，齒輪模數m=12，齒數Z1=Z2=146，齒形角α=20°，齒寬B1=B2=80mm。離合器傳遞的扭矩T≈2.2×106N·m。

需要對齒輪彎曲應力進行校核，校核齒輪的彎曲應力公式為:

式中：CW=2/zcosα=0.02；Mn1=T/146=1.5x104N·m；Kj=1.3；Kd=1.55；Y=0.5。

計算得出σw=105MPa＜[σw]，能夠滿足使用條件。

4 總結

分體式摩擦盤采用齒輪內嚙合方式連接來傳遞摩擦扭矩，摒棄了整體摩擦盤焊接方式；嚙合齒輪在分體式摩擦盤中起到傳遞扭矩的作用，齒嚙合具有傳力平穩(wěn)、結構緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點。焊接過程不可控，可能會存在焊接缺陷，焊接缺陷降低了焊件的承載能力，易產生應力集中引起焊件裂紋，最終斷裂。分體式摩擦盤的輪轂與摩擦盤為分體式結構，當需要更換時，只需更換摩擦盤即可。

實踐證明，優(yōu)化后的離合器摩擦盤結構簡單，加工裝配方便，能夠實現快速頻繁離合，結構穩(wěn)定可靠，動作穩(wěn)定。已經在揚力生產的HFP/HGP 多種型號的熱模鍛壓力機上得到廣泛應用，既節(jié)約成本，又取得良好的社會經濟效益，具有廣泛的應用前景。