滾珠式傳感安全離合器的設計

陳云

（安徽國防科技職業學院機械工程系，安徽六安 237011）

滾珠式傳感安全離合器的設計

陳云

（安徽國防科技職業學院機械工程系，安徽六安 237011）

利用Solidworks軟件對滾珠式傳感安全離合器進行了三維實體建模，建立了力學分析模型，給出了力與扭矩的關系式及接觸強度校核方法.

安全離合器；滾珠；傳感器；力學分析；強度校核

安全離合器[1]常用在動力傳動的主、被動側之間，當發生過載故障時（扭矩超過設定值），它便會產生分離，從而有效保護驅動機械（如電機、減速機、伺服馬達）以及負載.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，它們廣泛應用于印刷機械、包裝機械、制冷設備、自動化生產線、分割器、螺桿擠出機、冶金機械、機械橡膠設備及數控設備行業等.目前國內對傳統安全離合器的研究較多，而對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構，并提出了該離合器的設計方法.

1 結構及工作原理

1.1 滾珠式傳感安全離合器的結構

滾珠式傳感安全離合器主要由調節螺母、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可以控制關閉動力源的傳感限位開關.

使用Solidworks軟件對滾珠式傳感安全離合器進行準確的三維造型，如圖1所示.圖2為傳感限位開關的安裝位置示意圖，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：當輸出動力端的軸所受負載較小時，碟形彈簧[2]不產生壓縮變形，滾珠不發生打滑，與主動端及從動端的牙槽接觸，安全離合器的作用相當于聯軸器；當負載震動、超載或機械故障而導致所需扭矩超過設定值（極限扭矩）時，碟形彈簧被壓縮，滾珠在弧形槽上打滑，脫離主動端（從動軸停止轉動，限制傳動系統所傳遞的扭矩），同時，移位法蘭做軸向移動，促使傳感器限位開關關閉動力源.當過載情形消失后恢復聯結，這樣就防止了機械損壞，避免了昂貴的停機損失.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 傳感限位開關安裝位置圖

圖3 滾珠與兩個牙槽接觸的局部放大圖

圖5 單個滾珠受力圖

圖4 滾珠打滑過程

2 滾珠式傳感安全離合器的設計

2.1 力學模型及受力分析

離合器所能傳遞的極限扭矩是由設計給定的，其計算關鍵在于確定碟簧作用于滾珠的壓緊力與扭矩的關系.根據離合器的結構及工作原理，取滾珠為研究對象對其進行力學分析，如圖5所示，從動軸轉動時，滾珠在輸入端（連接法蘭）牙槽中受到4個力的作用，圓周力Fy（從動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、碟簧對單個滾珠的軸向壓力P1.滾珠與牙槽分離前，其受力表達式為：

式中：P為單個碟簧的載荷（N）；Pz為碟簧組的載荷（N），若是n個碟簧疊合組合，則Pz=nP;Z為滾珠數目（個）；Fy為單個滾珠傳遞的圓周力（N）；Ff為牙槽對滾珠的滑動摩擦力（N）；α為接觸角；μ為工作面摩擦系數，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 強度校核

取滾珠與牙槽（圓弧形）接觸面進行疲勞強度校核.異形曲面互相接觸時，未受力的初始接觸情況主要是線接觸和點接觸，當滾珠與牙槽圓弧面相互擠壓時，產生赫茲應力，兩者的接觸可以近似看成球與凹球面的接觸，接觸區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.

根據彈性力學[3]知識，接觸區呈橢圓形時，最大接觸應力σHmax為

式中：F為接觸處的法向載荷（N），F=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軸器，在設備過載時可以有效地保護減速機、電機等動力源，避免造成重大的經濟損失.

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

3）內置精密滾珠機構，可在過載瞬間使主被動傳動脫開.

4）安裝有過載檢測傳感器，可以在過載時瞬間關閉動力源.

5）滾珠式傳感安全離合器的設計關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系，并且選用恰當的接觸強度公式校核滾珠與牙槽間的接觸應力.

6）滾珠式傳感安全離合器的設計方法可以作為滾子式安全離合器的設計參考.

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

[2]陸文遂.碟形彈簧的計算設計與制造[M].上海：復旦大學出版社，1990：19-20.

[3]徐芝綸.彈性力學[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：機械設計.