斜撐式超越離合器用楔塊的分類及成型方法

李繼鋒 宗曉明 李澤強

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

超越離合器是機械傳動的基礎件之一，它是一種靠主、從動部件的相對速度變化或旋轉方向的變換而具有自行離合功能的組件。超越離合器按其工作原理分為棘爪式和摩擦式兩類。棘爪式超越離合器是利用棘輪棘爪、滑銷、牙嵌等接合元件來傳遞扭矩。摩擦式超越離合器按照楔緊元件的不同，常用的有滾柱式超越離合器和斜撐式超越離合器兩種結構形式，其分別利用滾柱或楔塊作為楔緊元件來傳遞扭矩。

斜撐式超越離合器是繼滾柱式超越離合器之后開發的一種新型離合器，它的工作取決于放置在內環和外環之間的楔緊元件——楔塊，使其回轉時可以在一個方向上傳遞轉矩，而在另一個方向上具有相對空轉的功能。斜撐式超越離合器以楔塊來代替滾柱，內、外環多采用圓形滾道。與滾柱式超越離合器相比，具有承載能力大、可靠性高、反向解脫輕便、結構緊湊、加工方便和適合批量生產等特點，在機械傳動中得到廣泛的應用。

目前，國內對斜撐式超越離合器的研究起步較晚，研究比較分散，也沒有專業化的生產廠家，超越離合器的關鍵設計參數和加工工藝還沒掌握，產品的可靠性較低，大多軍、民領域用產品被國外廠家占據。而國外已有很多專門從事該類型超越離合器設計的公司，如德國Stieber、Ringspann 和GMN，美國Formsprag，日本NSK 均能生產各種規格、性能可靠、可滿足不同工況條件的軍、民品用產品，產品已經實現系列化和標準化。因此，開展斜撐式超越離合器的研究，縮小與國外的差距具有重要的意義。

楔塊作為斜撐式超越離合器中的關鍵零件，不但形狀特殊，尺寸精度要求高，其形狀設計和成型加工精度，都直接決定著超越離合器的功能實現和使用壽命。本文對楔塊從不同角度進行分類探討，并闡述了楔塊常用的成型加工方法，為楔塊的選型和加工制造提供參考，具有實際應用意義。

1 楔塊的特點

楔塊作為超越離合器中重要的楔緊元件，具有幾何形狀復雜、尺寸精度要求高等特點。楔塊設計的核心在于選擇恰當的初始位置的接觸角，初始接觸角設計過小，離合器容易嚙合，但難以脫開，而初始接觸角設計過大，離合器承載大，但離合器難以嚙合。一旦預定合適的初始接觸角后，各種通用規格楔塊的外形基本上得以確定，一般不得隨意更改楔塊外形。而且楔塊的加工制造通過常規方法難以實現，需采用特殊的加工工藝。

楔塊的材料應同時滿足強度及耐磨損的需求，通常選用軸承鋼和高溫鋼等材料，硬度一般在60 HRC以上，工作型面表面粗糙度Ra為0.2～0.4 μm。此外，在一套超越離合器中，楔塊均需單獨測量和分組，同一組中其直線度和高度尺寸差通常應在0.01 mm以內，以便使所有楔塊的應力和磨損分布更均勻，提高離合器的壽命。

2 楔塊的分類

2.1 按尺寸規格

目前，國外的離合器生產廠家已經專業化、產品實現系列化和標準化。按內、外環滾道之間形成環形空間的徑向尺寸大小，國外幾家大的離合器廠家分類出4 種通用規格的楔塊，其規格分為6.3 mm、8.33 mm、9.5 mm 和12.7 mm，基本覆蓋了常用的內、外環滾道的直徑范圍和工作扭矩。表1 所示為目前通用規格楔塊的特性，包括了楔塊的尺寸規格、內、外環滾道徑向尺寸的允許公差、推薦內環直徑和楔塊長度等參數，在離合器設計時，可根據具體工況，計算選擇相應參數。

表1 通用規格楔塊的特性

2.2 按截面形狀

斜撐式超越離合器所用的楔塊大都有特殊的截面形狀，常用的楔塊截面形狀如“8”字形、桃形、“D”字形、中凸形和防“翻轉”形等，如圖1 所示。設計離合器時，可根據具體使用要求選用不同截面形狀的楔塊。

圖1a 所示“8”字形楔塊主要應用于雙保持架結構的全相位型超越離合器。該型超越離合器可以保證全部楔塊總是保持同樣的相對角向位置，即離合器在超越或嚙合時楔塊轉動能夠保持很好的一致性，從而使得承載均勻，該類型楔塊在斜撐式超越離合器中應用最為廣泛。

圖1b 所示桃形楔塊多用于摩托車和高壓開關用超越離合器。

圖1c 所示“D”字形和圖1d 所示中凸形楔塊，適用于滿裝楔塊的超越離合器，在同樣結構尺寸下，可以安置更多楔塊，因此能承受更大的傳遞扭矩。

圖1e 所示防“翻轉”楔塊，采用該類型楔塊的離合器稱為強制連續約束型超越離合器，因為在其側面具有特殊幾何形狀的凸緣，在過載條件下，楔塊上的凸緣互相鄰接，因而形成一個不能“翻轉”的整體結構，楔塊只會與內、外環滾道發生打滑，使用更加安全可靠。

2.3 按質心位置

超越離合器在高速超越旋轉時，楔塊會產生離心力。根據楔塊質心與接觸線m 的位置不同，楔塊分為離心嚙合型和離心脫開型。其中，接觸線m 是指楔塊外凸輪工作型面與外環滾道的接觸點同內、外環滾道圓心的連線。

圖2 所示為楔塊的質心位置圖，圖2a 所示為離心嚙合型楔塊工作示意圖，圖2b 所示為離心脫開型楔塊工作示意圖。離心嚙合型楔塊的質心G 是位于接觸線m 的右側，此時形成的離心力矩可以很好的實現楔塊與內、外環在高轉速下的動態接合能力，但在超越過程中楔塊與滾道的磨損會增大。而離心脫開型楔塊的質心G 位于接觸線m 的左側，當外環超越旋轉時，楔塊在離心力作用下會形成一個離心力矩，該力矩減小了楔塊與內環之間的接觸壓力，從而減少了離合器在高速旋轉下，楔塊與內環滾道的摩擦和磨損。

因此，離心嚙合型和離心脫開型楔塊的特性總結如下:

(1)離心嚙合型:在不同轉速下動態迅速嚙合性能好，但超越時摩擦和磨損較大，適合用于長期嚙合為主的工況條件。

(2)離心脫開型:在離合器高速超越時，摩擦和磨損小，但不適用于內、外環均為高轉速下的嚙合，適合用于內環或外環一方靜止下的長期超越的工況條件。

2.4 按工作型面

作為超越離合器楔緊元件的楔塊，其工作型面分為外凸輪工作型面和內凸輪工作型面，外凸輪工作型面與外環滾道接觸，內凸輪工作型面與內環滾道接觸，如圖3 所示。其中，外凸輪工作型面一般為單圓弧，而內凸輪工作型面可采用多種型面類型，如偏心圓弧、阿基米德螺線、對數螺線等。因此，按工作型面類型的不同，楔塊可分為偏心圓弧型面楔塊、阿基米德螺線型面楔塊和對數螺線型面楔塊。

偏心圓弧型面楔塊，內凸輪工作型面可以采用單圓弧、兩個或兩個以上圓弧合成，該類型楔塊在超越離合器中應用最為廣泛。阿基米德螺線型面楔塊的楔角隨著極角的增大而減小，在負載下，楔角的變化與極徑ρ、外凸輪工作型面半徑r0、內環滾道半徑R0和外環滾道半徑R0有關。而對數螺線型面楔塊的楔角不隨著極角的變化而變化，在負載下，楔角變化只與外凸輪工作型面半徑r0、內環滾道半徑Ri和外環滾道半徑R0相關，具有楔角穩定性好、載荷均勻、抗負載能力強和動力學性能好等特點。

楔塊的工作型面對超越離合器的楔合性能有著重要影響。楔塊工作型面的設計影響著超越離合器的楔角、溜滑角和凸輪升程，其工作型面的形狀及參數設計是否合理直接關系到離合器的工作性能。

3 楔塊的常用成型方法

楔塊的加工精度對超越離合器的使用性能有決定性影響，其成型方法是離合器加工中的關鍵技術。目前，楔塊的常用成型方法主要采用拉拔、線切割和擠壓。

3.1 拉拔成型

拉拔是利用外力作用于被拉金屬的前端，將金屬坯料從小于坯料斷面的模孔中拉出，以獲得相應的形狀和尺寸制品的一種塑性加工方法。由于拉拔多在冷態下進行，因此也叫冷拔。拉拔生產的工具與設備簡單，維護方便，在一臺設備上可以生產多種規格和品種的制品。

通常楔塊的拉拔成型過程如圖4。

通過對楔塊的坯料經過一系列的模具多道拉拔成型，既保證了其橫截面輪廓及尺寸，又具有理想的金屬流線。對于截面形狀不同的楔塊，拉拔道次隨楔塊的形狀與復雜程度進行調整。但拉拔由于成型道次多，每道拉拔后均需退火，退火工序多，一般成材率較低。此外，由于楔塊的截面呈非對稱狀態，拉拔結束后會產生較為嚴重的彎曲和扭曲變形，因此，需要對最后一道拉拔完成后的坯料進行校直，以保證切斷后每個楔塊的直線度滿足成品要求。

國外主要采用的為拉拔成型方法，這種方法生產效率高、表面光潔、成本低、質量一致性高，適用于大批量生產。國內還需要對楔塊的拉拔模具、拉拔工藝和校直技術等進行研究，提高楔塊的質量和成品合格率，建立專用生產線，才能真正解決楔塊的批量生產。

3.2 線切割成型

目前國內超越離合器的生產還未達到系列化和批量化，部分生產廠家對楔塊的成型采用線切割加工，為保證工作型面的表面粗糙度，線切割成型后再進行磨加工，來修磨工作型面成型，這種方法雖然加工精度高，但效率低、成本高，因此，只適用于小批量，高精度生產要求。

3.3 擠壓成型

擠壓作為金屬塑性成型技術的重要成型方法，通過改變擠壓模孔的形狀既可得到各種不同形狀的制品。隨著高強度模具材料的發展，冷擠壓取得迅速發展。擠壓成型產品具有尺寸精度高、表面光潔、提高金屬材料的抗變形能力以及生產的成品率較高等特點。

擠壓成型工藝在楔塊的成型方法中，國內尚處于探索階段，如何提高成型能力與表面質量是該工藝在楔塊成型中亟待解決的問題，該工藝在楔塊成型中的應用具有較大的潛力。

4 結語

從不同角度對斜撐式超越離合器用楔塊進行了分類，從尺寸規格、截面形狀、質心位置以及工作型面的角度對楔塊進行了探討，分析了不同種類楔塊的工作特點，為離合器設計與應用過程中楔塊的選擇提供了依據。此外，對楔塊的常用加工成型方法進行了探討，可為楔塊的加工制造提供參考。

［1］《航空發動機設計與手冊》總編委會.航空發動機設計手冊第13 冊“減速器”［M］.北京:航空工業出版社，2001.

［2］段廣漢，舒森茂，王傳賢，等.離合器結構圖冊［M］.北京:國防工業出版社，1985.

［3］成大先.機械設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2007.

［4］吳凱.高速斜撐式離合器楔塊工作型面及動力學特性研究［D］.長沙:中南大學，2011.