楔塊式雙向逆止器設計研究

李繼鋒，席仕平，李澤強

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039）

1 引言

逆止器是機械設備實現(xiàn)自動控制的基礎件，其主要功能是阻止機構出現(xiàn)同正常運轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)運動[1-3]。通常狀態(tài)下，出于安全或功能上的要求，許多機構或裝置不允許出現(xiàn)動力反向傳遞的狀況，因此，逆止器的自動反向停止功能將是最好的保障。

逆止器按結構原理可分為電磁閘瓦式、棘輪式、帶式、滾柱式和楔塊式五種類型，其中楔塊式逆止器應用最為廣泛[4-6]。楔塊式逆止器是一種隨速度或旋轉(zhuǎn)方向的變化而自動楔緊或脫開的新型逆止器，其結構主要由外圈、內(nèi)圈、楔塊、支撐軸承和輸入、輸出半軸組成。在傳動系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，逆止器處于自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)；而當傳動系統(tǒng)因故障出現(xiàn)反轉(zhuǎn)趨勢時，在反向瞬間，逆止器立即平穩(wěn)進入逆止狀態(tài)，確保運行安全。與傳統(tǒng)的棘輪式、滾柱式逆止器相比，楔塊式逆止器具有承載能力大、尺寸小、結構緊湊、逆止可靠和使用壽命長等特點[7]。

在常規(guī)逆止器單一逆止功能的基礎上，雙向逆止器在機械系統(tǒng)中可同時起傳遞動力和控制運動兩種作用，其特點是當外圈不動，主動軸正反旋轉(zhuǎn)均可實現(xiàn)傳扭；而當主動軸停止轉(zhuǎn)動后，從動軸不需要任何控制方式就能實現(xiàn)雙方向制動，而且沒有間隙，可以保證機械傳動的準確性和安全性。

楔塊式雙向逆止器具有逆止力矩大、安全可靠、解脫輕便、定位準確和使用壽命長等優(yōu)點，因此廣泛應用于機床、印刷、包裝、冶金、起動運輸、各種非標設備和試驗臺等機械傳動系統(tǒng)中。作為一種防逆轉(zhuǎn)機構，楔塊式雙向逆止器也可單獨使用實現(xiàn)精確定位、傳遞力矩或切斷力矩的傳遞，是提高機械自動化水平的首選產(chǎn)品。根據(jù)使用要求，本文設計了一種楔塊式雙向逆止器。

2 研究與方法

2.1 楔塊式雙向逆止器結構和工作原理

楔塊式雙向逆止器的結構如圖1所示，由外殼、輸入和輸出半軸、楔塊、彈簧和軸承及彈性擋圈組成。其工作原理：輸入半軸接主動軸，輸出半軸接從動軸，外殼固定，當主動軸順時針或逆時針轉(zhuǎn)動時，輸入半軸通過楔塊帶動輸出半軸同步轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對從動軸正向雙向傳遞扭矩，而當從動軸受外力矩作用時，輸出半軸在楔塊與殼體內(nèi)滾道的楔合作用下，順時針和逆時針都不能轉(zhuǎn)動，即主動軸順時針或逆時針都不能轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)逆向雙向自鎖[8]。

圖1 楔塊式雙向逆止器結構示意圖

2.2 雙向逆止器結構設計

雙向逆止器結構如圖2所示。楔塊式雙向逆止器設計技術要求包括：可實現(xiàn)正向雙向傳動，逆向雙向自鎖，正向傳動不得卡滯，空載摩擦力矩越小越好；逆向受力后須自鎖，但受力結束后須自釋放靈活，不得卡死。

具體設計指標：①正向輸入恒定力矩50 N·m，轉(zhuǎn)速200 r/min，逆止力矩120 N·m；②使用壽命為逆止3 500次；③潤滑脂使用溫度范圍為-40℃～+120℃。

為了滿足上述使用要求，本文重點針對雙向逆止器關鍵結構（即楔塊和彈簧）參數(shù)進行了設計。

1）楔塊設計。楔塊是實現(xiàn)雙向逆止器自鎖的關鍵部件，其結構如圖2a）所示。楔塊材料選用GCr15軸承鋼，楔塊兩端的圓弧柱面半徑為r，與之嚙合的滾道半徑為R，要求r≤R，本文設計楔塊圓弧面半徑r=35 mm，外殼內(nèi)滾道半徑R=40 mm。

楔塊的初始接觸角α為只有彈簧力作用下，楔塊兩端的圓弧柱面與嚙合滾道面接觸，楔塊兩端的圓弧接觸面的中心連線與楔塊一端圓弧接觸面中線和圓心的連線之間的夾角，如圖3b）所示。隨著楔塊圓弧柱面半徑和滾道面半徑增大，則逆止器的接觸角α也會增大，接觸角α過大會導致逆止器在逆向受力結束后出現(xiàn)楔塊卡死的現(xiàn)象。

為了保證雙向逆止器在逆向受力后須自鎖，受力結束后須自釋放靈活，不得卡死的設計要求，楔塊設計的初始接觸角α一般取3°～5°。

2）彈簧設計。該雙向逆止器中所用彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧，其作用是為楔塊在逆止時提供一定的初始力，安裝位置如圖2b）所示。彈簧力的大小對于保證逆止器的正常工作至關重要。彈簧力過小，楔塊楔合時有可能出現(xiàn)打滑，導致逆止失效；彈簧力過大，會造成楔塊脫開時摩擦力矩過大，磨損加劇，溫度上升，進而導致使用壽命降低。

圖2 雙向逆止器結構圖

彈簧設計時，初始壓縮量通?？刂圃谄渥杂砷L度的20%～30%，彈簧材料優(yōu)選碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼或琴鋼絲，而且為保證其性能，材料必須經(jīng)過時效處理。在本文設計中，彈簧材料選用65Mn，彈簧的自由長度為15 mm，線徑為0.8 mm，中徑為8 mm，有效圈數(shù)n=6，彈簧裝入逆止器中，壓縮量為5 mm，彈簧還要克服楔塊的自重，楔塊的質(zhì)量為75 g，則根據(jù)彈簧負荷的計算公式，得出彈簧作用到楔塊上的力為6.5 N。

2.3 計算分析

1）逆止力矩分析。根據(jù)設計指標要求的逆止力矩對雙向逆止器尺寸進行設計，并對其逆止力矩進行計算校核。雙向逆止器在逆止狀態(tài)下，受力分析如圖3a）所示，其中FC為輸出端與楔塊之間的接觸力；Ft為彈簧給楔塊的預緊力，F(xiàn)N1與FN2分別為楔塊與外工作面接觸處的正壓力，f1和f2分別為楔塊與外殼工作面間的切向力[9]。由于逆止器是對稱結構，逆止器在左右逆止時受力狀況相同，因此僅需對任一逆止方向進行計算校核即可。

在對逆止力矩進行分析時，首先對模型進行簡化，與所受逆止力矩相比，彈簧力的大小可以忽略不計，因此模型可以簡化為如圖3b）所示。

圖3 雙向逆止器在逆止工況下的受力情況及受力簡化圖

圖3b）中R為外殼內(nèi)滾道半徑，L為輸出半軸的逆止力臂，e為偏心距。當楔塊的自身形狀確定后，其與外套的接觸點A、B即可確定，其實際工作偏心距e也同時確定。FA、FB分別為逆止工況下楔塊在與外殼接觸位置A、B處受到的合力，F(xiàn)A、FB與A、B兩點連線的夾角分別為β、γ；βf、γf分別為A、B兩點處的摩擦接觸角，TNZ為額定逆止力矩。在本文設計中，各參數(shù)值見表1。

表1 各參數(shù)設計取值

根據(jù)圖3b）受力分析情況，可以得到以下平衡方程：

進一步，F(xiàn)A、FB在水平和垂直方向的分力分別為

通過計算得到FA=15545.6 N，F(xiàn)B=14 941.3 N，F(xiàn)AX=14 860 N，F(xiàn)AY=4 364.5 N，F(xiàn)BX=14 860 N，F(xiàn)BY=1 548.1 N。

2）有限元分析驗證。為了研究楔塊式雙向逆止器在逆止工況下的應力分布情況，利用ANSYS Workbench對逆止工況進行模擬分析。為了便于研究，假設楔塊和外殼之間的接觸摩擦為庫侖摩擦，并忽略溫升和磨損對零件性能的影響。逆止器簡化結構如圖4所示，其中外殼固定，楔塊和外殼之間的接觸設置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1，通過輸出半軸施加120 N·m的力矩。在網(wǎng)格劃分時，對關鍵接觸區(qū)域的網(wǎng)格進行重點細化，其中關鍵零件楔塊共生成14 645個單元、24 230個節(jié)點。

圖4 楔塊式雙向逆止器三維模型

在模擬結果中插入Force Reaction，得到楔塊與外殼接觸區(qū)域A、B處的作用力見表2。通過對比可以看出，理論計算結果和ANSYS模擬結果相差不大，平均誤差率為9.2%。

表2 各參數(shù)設計取值單位：N

為防止逆止器出現(xiàn)表面剝落或破壞等失效現(xiàn)象，需要對逆止器在承受額定逆止力矩情況下的應力進行分析校核。在逆止狀態(tài)下，外殼等效應力分布情況如圖5所示。從圖中可以看出，外殼在與楔塊圓弧面接觸的兩個區(qū)域存在應力集中現(xiàn)象。在與楔塊A端接觸的區(qū)域存在一條應力集中帶，峰值應力為601.5 MPa；與楔塊B端接觸的區(qū)域應力值較小，最大值為267.5 MPa。外殼材料選用GCr15，其屈服權限范圍為1 665~1 815 MPa，因此滿足強度要求。

楔塊等效應力分布情況如圖6所示。可以看出，楔塊在與外殼接觸的兩圓弧面及與輸出半軸的接觸區(qū)域存在應力集中現(xiàn)象，B端應力小于A端應力，B端等效應力最大值為920 MPa，彈簧孔區(qū)域應力峰值為940.2 MPa。應力峰值1 618 MPa位于A端圓弧面靠下區(qū)域，三處應力峰值均低于GCr15軸承鋼的屈服極限范圍為1 665~1 815 MPa，因此滿足逆止力矩120 N·m的設計要求。

圖6 楔塊等效應力分布模擬結果

2.4 試驗驗證

1）試驗方案。為了驗證本文所設計雙向逆止器的正向雙向傳扭、逆向雙向逆止功能以及逆止力矩是否滿足設計要求，設計了如下試驗方案：雙向逆止器組件外殼通過箱體固定在試驗臺上；通過調(diào)整安裝方向，雙向逆止器輸入、輸出軸孔可分別與試驗臺驅(qū)動電機相連接。試驗臺如圖7所示，試驗臺驅(qū)動電機可實現(xiàn)最大5 000 N·m加載，最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min。試驗過程中力矩、轉(zhuǎn)速和角度信號由力矩傳感器檢測并輸出。

圖7 雙向逆止器試驗臺

逆止器組件輸入軸孔與驅(qū)動電機相連接，通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動方向的改變可驗證逆止器組件的正向雙向傳扭功能。逆止器組件輸出軸孔與驅(qū)動電機相連接，通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動方向的改變可驗證逆止器組件的反向雙向逆止功能。循環(huán)加載圖譜如圖8所示，最大加載力矩120 N·m，循環(huán)加載次數(shù)取1.5倍使用壽命，即5 250次。

圖8 循環(huán)加載圖譜

2）試驗結果分析。通過試驗驗證，雙向逆止器組件滿足正向雙向傳扭，逆向雙向逆止功能。5 000次雙向逆止循環(huán)加載試驗過程中輸出軸孔的角度變化如圖9所示，從圖中可以看出，該逆止器逆止可靠，最大逆止角度為3°，未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。在循環(huán)加載達到3 500次和5 250次時對逆止器進行拆解，對楔塊兩端面進行觀察拍照發(fā)現(xiàn)，接觸區(qū)域出現(xiàn)摩擦痕跡，如圖10所示，屬于正常使用現(xiàn)象，未出現(xiàn)剝落、磨損等失效現(xiàn)象。

圖9 循環(huán)加載過程中角度變化

圖10 楔塊接觸面摩擦亮帶

3 結論

以楔塊式雙向逆止器為研究對象，根據(jù)提供的接口尺寸和技術指標要求，對雙向逆止器的關鍵零件楔塊和彈簧進行了詳細設計，通過理論計算和有限元仿真對逆止器的逆止受力進行了計算和驗證，得到以下結論：

1）該雙向逆止器具備正向雙向傳動，反向雙向自鎖功能，逆止器的關鍵結構參數(shù)設計滿足逆止力矩120 N·m設計要求。

2）有限元仿真結果與理論計算結果一致性良好，應力峰值出現(xiàn)在楔塊與輸出半軸接觸側的圓弧面下端處，楔塊等效應力最大值1 618 MPa，與之接觸的外殼區(qū)域應力最大值601.5 MPa。

3）經(jīng)試驗驗證，該雙向逆止器具備正向雙向傳扭、逆向雙向逆止功能，滿足逆止力矩120 N·m設計要求，逆止時最大轉(zhuǎn)角3°，逆止5 250次接觸區(qū)域出現(xiàn)摩擦帶，未出現(xiàn)剝落、磨損等失效現(xiàn)象。