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.洛陽軸研科技股份有限公司，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；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

對于要求離合器具備隨時傳遞扭矩功能的機械，應將離合器的斜撐塊設計成離心接合型，因為此類離合器具有所有轉速下進行動態接合的能力，既能很大程度地減少啟動時間，又能提高啟動的可靠性。另外，離心接合型斜撐塊降低了對彈簧彈力的依賴，即使彈簧在使用過程中出現彈性衰減，斜撐塊仍能在離心力作用下與內圈接合，正常傳遞扭矩。針對離心力增加斜撐塊與內滾道的接觸應力，使斜撐塊磨損加快的問題，可在離合器內保持架上安裝阻尼簧片，外保持架上安裝阻尼卡來解決。

1 離心接合型離合器的結構

離合器在初始工作狀態，由于彈簧的作用力會使斜撐塊與內外圈接觸，斜撐塊與外圈接觸點是離合器在超越和傳扭時斜撐塊旋轉的支點(圖1)，該支點與外圈中心的連線為接觸線H。離心接合型斜撐塊的質心G位于接觸線H右側(當質心位于接觸線H左側時，離合器為離心脫開型)。

圖1 離心接合型斜撐塊的質心位置

2 離心接合超越離合器磨損特性分析

2.1 離心力對斜撐塊與內圈接觸應力的影響

斜撐塊的離心力為[1]

式中：m為單個斜撐塊的質量，kg；L為旋轉支點到斜撐塊質心的距離，mm；ne為離合器外圈轉速，r/min。

斜撐塊的受力示意圖如圖2所示。圖中，偏心距e為質心G到接觸線H的垂直距離。當外圈旋轉時，斜撐塊形成一個旋轉力矩Ms(Fc×e)，增加了斜撐塊在內圈上的接觸應力。離合器處于傳扭狀態時，該接觸應力能夠增加斜撐塊與內圈的摩擦力，使啟動時間更短;但是離合器處于超越狀態時，該接觸應力會加速斜撐塊與內圈的磨損。

1—外圈；2—外保持架；3—帶狀彈簧；4—內保持架；5—內圈

2.2 斜撐離合器差速函數的理論磨損系數

超越狀態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力、斜撐塊與內圈的相對轉速差有關,這2個參數隨著輸入和輸出元件之間差動速度的變化而變化。差動函數理論的磨損系數曲線如圖3所示，該曲線是基于假設磨損與接觸應力和轉速差的乘積成正比關系為前提，由斜撐離合器推導而來。

由圖3可知，當低速輸入高速輸出時，斜撐塊與內圈間滑動速度雖高，但由于與接觸應力成平方關系的離心力很小，斜撐塊與內圈接觸應力不大，斜撐塊的磨損不嚴重;隨著輸入速度增加，斜撐塊與內圈的滑動速度雖然減小，但由于離心力引起的斜撐塊與內圈的接觸應力加速更快，斜撐塊的磨損速度會明顯增加，當輸入速度/輸出速度為67%時，磨損系數達到最大值，斜撐塊的磨損最嚴重；此后，隨著輸入速度的增加，斜撐塊與內圈的滑動速度變成主要磨損因素，系統的磨損系數降低，斜撐塊磨損速度減弱，閉鎖接合狀態下斜撐塊不再發生磨損。

圖3 斜撐離合器差速函數的理論磨損系數曲線

2.3 磨損對偏心距的影響

影響偏心距e的因素包括外圈滾道直徑Di、內圈滾道直徑De、斜撐塊規格尺寸J和斜撐塊質心位置。磨損將導致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。但實際上離合器高速超越時，離合器組件的磨損主要發生在斜撐塊超越區域，由于離合器的超越區域和斜撐塊的質心都在接觸線H右側，故斜撐塊超越區的磨損使質心向左移動，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生在外圈快速加速和減速時，因為離合器及其組件在慣性力作用下會出現相對運動，使斜撐塊外圓弧面與外圈滾道發生磨損。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相對運動。阻尼卡通常采用冷軋的1CrNi7，SAE301不銹鋼制造，成形之后需進行熱處理，以消除殘余應力。

圖4 離合器摩擦阻尼元件

3.2 減少斜撐塊內工作圓弧面磨損的方法

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

由于把斜撐塊的磨損轉移到阻尼簧片上，而阻尼簧片與內圈存在較大的速度差，即使在接觸應力很小的情況下，阻尼簧片也可能出現早期磨損失效。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，經過熱處理，使其硬度達到35 HRC左右。此外，流體潤滑[3]效應也能夠減少內圈對阻尼簧片的磨損。

4 實例驗證

為了驗證阻尼卡與阻尼簧片對離心接合型離合器斜撐塊的減磨效果，選取結構相同的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機上進行相同條件下的磨損試驗。離合器工作時最高超越轉速為10 000 r/min，內圈相對斜撐塊的差動轉速為6 700 r/min；試驗時間為500 h。試驗結束后檢測內、外圈磨損量及斜撐塊內、外圓弧磨損臺階寬度，檢測結果見表1和表2。

對比表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磨損，證明阻尼卡能克服外圈迅速加速和減速時的慣性力，斜撐塊與外圈基本無相對運動；

2)在離合器內保持架安裝阻尼簧片后，內圈和斜撐塊內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 結束語

經實例證明，在離心超越結合離合器外保持架上安裝阻尼卡、內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。