新型張環式超越離合器的工作原理及自鎖與超越條件

杜 力 彭斯洋 魏 東 宋澤良 吳振宏1.制造裝備機構設計與控制重慶市重點實驗室，重慶, 400067.重慶理工大學機械工程學院，重慶,400054

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新型張環式超越離合器的工作原理及自鎖與超越條件

杜 力1,2彭斯洋2魏 東2宋澤良2吳振宏2
1.制造裝備機構設計與控制重慶市重點實驗室，重慶, 4000672.重慶理工大學機械工程學院，重慶,400054

提出一種新型張環式超越離合器，其自鎖構件呈環狀，與輸出構件成低副面接觸，與傳統的高副式超越離合器相比承載能力有所提高。對該張環式超越離合器自鎖及超越條件進行分析，并研究了其自鎖條件對滾柱磨損的敏感性，研究表明，在該項性能上該超越離合器優于滾柱式超越離合器。最后對新型張環式超越離合器進行了仿真及實驗驗證。

張環式超越離合器；低副面接觸；自鎖及超越條件；仿真及實驗

0 引言

超越離合器是隨輸入、輸出構件的相對轉速或相對旋轉方向變化能夠自行離合的一類機械式離合器，在紡織、化工、礦山機械、汽車、船舶、航天等諸多領域應用廣泛[1]。由于超越離合器特殊的使用要求與功能特征，其工作環境往往是機械系統中最惡劣的，這就使其成為整個機械系統的一個薄弱環節，因此超越離合器的性能好壞對整機系統的工作可靠性、傳動效率以及使用壽命等起著決定性的作用[2]。

目前應用最廣泛的超越離合器主要是滾柱式和楔塊式超越離合器。滾柱及楔塊與內外環均成高副接觸狀態，其承載能力、效率、對滾柱及楔塊的磨損敏感性等綜合性能不甚理想[3-4]。

文獻[5-6]分別在滾柱式和楔塊式超越離合器的基礎上進行了低副化改造，得到了全低副滾柱式和楔塊式超越離合器。這些低副化改造是通過在滾柱和芯軸之間增加弧塊以及在楔塊與外環之間增加異形弧塊來實現的，從而使超越離合器具有全低副式的結構，在一定程度上提高了超越離合器的承載能力，但依然存在缺陷：一是使得超越離合器的結構復雜程度增加，制造成本上升；二是改造使得超越離合器的徑向尺寸增大，從而導致其結構不夠緊湊；三是由于弧塊的質量及彈性元件的剛度等因素，在高頻(一般為25 Hz及以上)等應用條件下，超越離合器的開合特性反而有所下降[2]，并且對磨損和制造誤差的敏感性依然沒有顯著降低。

國外對超越離合器的研究起步較早，并且大都為實際應用研究。LIU等[7]考慮滾柱變形等因素，分析了滾柱式超越離合器的滑動摩擦原理與摩擦因數的分布，為滾柱式超越離合器的能耗分析、動力學分析及優化設計提供了理論依據；CHEON[8]通過研究，證實了超越離合器對齒輪傳動過程中的非線性扭轉振動具有一定的削弱作用。

本文在總結前人研究成果的基礎上，開發了一種承載能力強、工藝性優良、響應靈敏的新型超越離合器——張環式超越離合器。

1 張環式超越離合器的工作原理

1.1 張環式超越離合器結構及工作過程

1.外環 2.左環 3.芯軸 4.彈簧頂銷 5.滾柱 6.右環 7.轉動銷圖1 張環式超越離合器結構簡圖Fig.1 The structure sketch of expanding-ring type overrunning clutch

圖2 張環式超越離合器控制構件結構簡圖Fig.2 The structure sketch of control link of expanding-ring overrunning clutch

張環式超越離合器的總體結構如圖1所示，主要由外環1、左環2、芯軸3、彈簧頂銷4、滾柱5、右環6、轉動銷7等組成，其中，芯軸為輸入構件，外環為輸出構件，左右環為自鎖構件，滾柱為控制構件。右環的包角由開口量E(圖2)的取值決定，左右環通過轉動銷7連接，左右環的厚度相等且與滾柱直徑相等，轉動銷中心處于左右環連接處倒圓中心位置。左右環外圓面與外環內表面、左右環內圓面與芯軸的外圓面均取間隙配合，考慮到內外環對超越離合器響應的影響，間隙過大，響應會較慢，但若采用過度配合，由于過度量有可能會出現過盈配合，導致因過盈效應而不能響應，所以，選擇內外環為間隙量為0的間隙配合。

張環式超越離合器工作過程如下：

當外環靜止，芯軸沿圖1所示結構逆時針旋轉，或者芯軸相對于外環有逆時針相對旋轉趨勢時，為超越離合器的正向工作過程，其正向工作過程分為楔緊、接合和穩定運行三個階段。此時彈簧頂銷的作用力遠小于滾柱與左右環及芯軸的作用力，可忽略不計。芯軸首先帶動滾柱與左右環兩端接觸并使其有張開的趨勢，消除滾柱與左右環之間以及左右環與外環之間的間隙使之與外環成面接觸，此為楔緊過程，合理設計彈簧頂銷的預緊力可加快此過程；然后，由于通過轉動銷7連接的左右環受力情況均滿足自鎖條件，使外環與左右環自鎖，但由于外環的速度小于芯軸的輸入轉速，因此外環有一個加速的過程，并最終與芯軸轉速相等，此為超越離合器的接合行程；當外環、左右環、芯軸等的轉速相等時，超越離合器的各構件等速轉動，超越離合器進入穩定運行階段。

當外環靜止，芯軸沿圖1所示順時針方向旋轉，或者芯軸相對于外環順時針旋轉時，為超越離合器的反向超越過程。此時，滾柱的受力狀態發生改變，表現為：①滾柱與芯軸的接觸表面脫離，此時滾柱的受力狀態變為滾柱與頂銷以及左右環兩端壓力；②左右環松緊端發生變化。在此條件下環的兩端受力不滿足自鎖條件，離合器不能自鎖，左右環在外環的內表面發生打滑，運動停止，此為超越離合器的超越行程。

1.2 張環式超越離合器自鎖數學模型建立

超越離合器在接合狀態時要求構件不出現強度破壞的前提下，輸入輸出構件都必須保持接合狀態，且這種接合狀態不依賴外力形成的摩擦力矩，故其工作原理必然是自鎖[9]。

如圖1所示，取左右環任意一塊(后文稱之為剛環)進行分析，從機構運動副的角度看，剛環與外環之間為面接觸狀態，相對運動姿態為轉動，封閉形式為力封閉(兩端壓力)，其基本運動副關系為轉動副。

圖3 張環式超越離合器基本模型Fig.3 Basic model of expanding-ring type overrunning clutch

可見，張環式超越離合器的自鎖是轉動副的自鎖，結合轉動副的自鎖原理，要求各個剛環所受合力位于摩擦圓以內，對任意一塊剛環i可建立圖3所示的力學模型，求解可得其自鎖的數學模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，F1i、F2i分別為第i塊剛環兩端實際所受的力；R為外環的內半徑；F11、F2n分別為n塊首尾相連的張環式超越離合器的第1塊剛環首端實際所受的力和第n塊剛環尾端實際所受的力；R1i、R2i分別為剛環兩端受力位置半徑；δ1i、δ2i分別為剛環兩端理論上所受力與實際所受力之間的夾角；φ1i、φ2i為摩擦角；μv為當量摩擦因數；θi為剛環的包角。

結合張環式超越離合器的工作原理可知：在張環式超越離合器的工作過程中其正向行程要求自鎖，故其自鎖深度應小于等于自鎖閾值；反向行程要求避免自鎖，故其自鎖深度大于自鎖閾值。

1.3 張環式超越離合器的自鎖條件

由式(1)～式(4)知，求取張環式超越離合器的自鎖條件的關鍵在于分別求解其自鎖閾值與自鎖深度，如圖4所示，分別建立自鎖構件與控制構件的力學模型。根據圖4中的力學模型再結合式(1)～式(4)，可求解張環式超越離合器的自鎖條件：

圖4 自鎖狀態下自鎖閾值的計算模型Fig.4 The computation model of self-locking threshold in self-locking condition

(5)

α1=α-α2=α-β1

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

δ22=α3+φ=α3+arctanf

(11)

(12)

(13)

R12=R21=R0+r12

(14)

(15)

δ12=δ21=0°

(16)

θ1=π+β1

(17)

θ2=π-β2

(18)

式中，f為靜摩擦因數；r12為滾柱半徑(左右環厚度的一半)；R0為芯軸半徑；φ為摩擦角；α為楔角。

通過式(5)～式(18)求解出式(1)～式(4)的相關參數，再將計算出的參數代入式(1)～式(4)中，根據1.2節中的自鎖閾值K的計算公式，就可以求得自鎖閾值。

圖5 自鎖狀態下自鎖深度的力學模型Fig.5 The model of mechanics of self-locking depth inself-locking state

根據1.2節的分析，結合圖5的力學模型可知，自鎖深度的計算公式為

(19)

綜上可知：當內外環尺寸一定時，自鎖閾值及自鎖深度都是開口量E的函數。為驗證上述結論，以初始條件R0=43 mm、R=55 mm進行計算機求解，可分別得到自鎖閾值及自鎖深度隨開口量E(該條件下為保證滾柱與右環的豎直端面接觸，開口量應滿足15.2 mm≤E≤17.9 mm)的變化關系，如圖6所示，當15.2 mm≤E≤17.9 mm時，該超越離合器自鎖深度始終小于自鎖閾值，說明在該范圍內均能夠可靠自鎖，這能大大減小該超越離合器的加工制造難度，也是該超越離合器結構的一個優勢所在。

圖6 某初始條件自鎖狀態下自鎖閾值與自鎖深度變化曲線Fig.6 Curves of self-locking threshold and self-locking depth under self-locking condition of initial condition

此結構的另外一個優勢是自鎖條件對滾柱磨損的敏感性較低。眾所周知，超越離合器能正常工作的首要條件是自鎖可靠，而傳統的滾柱式超越離合器自鎖失效最常見的原因是滾柱的磨損[10]，由張環式超越離合器的結構可知，其最容易磨損的構件也是滾柱，圖7所示為張環式及滾柱式超越離合器自鎖裕度[10]隨滾柱磨損的變化曲線。

1.張環式超越離合器 2.滾柱式超越離合器圖7 滾柱磨損對兩種超越離合器自鎖裕度的影響Fig.7 The influence of roller wear on self-locking margin of two overrunning clutch

自鎖裕度以W表示，其中，張環式超越離合器的自鎖裕度為

滾柱式超越離合器的自鎖裕度為

顯然，W>0時離合器能自鎖，W=0時離合器處于自鎖的臨界狀態，W<0時離合器將不能自鎖。

由圖7可見，張環式超越離合器的自鎖裕度在磨損量Δr為0～0.8 mm的范圍內呈先減小后增大的變化趨勢，在磨損量約為0.534 mm時達到最小值，自鎖裕度約為13.01%，但仍大于0，可見在此范圍內超越離合器仍能自鎖可靠工作。滾柱式超越離合器的自鎖裕度在此磨損量范圍內呈單調遞減的變化趨勢，并在滾柱磨損量約為0.584 mm時，自鎖裕度等于0，若磨損量繼續增大，自鎖裕度將降至0以下，自鎖失效，超越離合器將不能自鎖可靠工作。對比曲線1和曲線2，張環式超越離合器的自鎖裕度在磨損量0～0.8 mm范圍內的變化幅度遠小于滾柱式超越離合器自鎖裕度的變化幅度，同時，張環式超越離合器的自鎖裕度始終大于0，可見張環式超越離合器的自鎖條件對滾柱制造誤差或磨損的敏感性相比于滾柱式超越離合器有一定的下降。

1.4 張環式超越離合器的超越條件

自鎖發生的必要條件是存在摩擦，因此當摩擦力消失時，自鎖也就解除。傳統的環式超越離合器均采用將反向行程中的正壓力反向的方法達到超越的目的[11-12]。而張環式超越離合器的超越原理則完全不同，其自鎖構件與外環成轉動副狀態，只要反向時自鎖深度k(即左右環兩端的受力之比)大于自鎖閾值K(即自鎖臨界狀態左右環兩端受力之比)，則左右環兩端作用力的合力方向矢量就位于摩擦圓以外，超越離合器不能自鎖，此時其輸入和輸出構件的運動自鎖關系被斷開，從而也能達到超越的目的。此時左右環與外環的接觸并未脫離，但輸入的運動并不能使外環同步運動，也能達到超越的目的，這對簡化結構是有積極意義的。如圖8所示，建立超越狀態力學模型，可求解得到其超越條件。

(a)控制構件結構簡圖

(b)彈簧頂銷的力學模型

(c)彈簧頂銷受力分析矢量圖圖8 超越狀態力學模型Fig.8 The mechanical model of transcendental state

根據圖8所示的力學模型求解可得：當內外環尺寸及開口量大小確定時，自鎖閾值確定，而自鎖深度是彈簧頂銷位置(通過彈簧頂銷軸線與過芯軸的切線所成角度Δ來表示)Δ的函數，以初始條件R0=43 mm、R=55 mm、E=16.4 mm進行計算機求解，求解結果如圖9所示，可以看出，自鎖閾值為定值，而自鎖深度呈先增大后減小的趨勢，在Δ=2arctanf時取得極值，且當0≤Δ<30.6°時，自鎖深度大于自鎖閾值，可見超越離合器在此初始條件下超越條件為0≤Δ<30.6°，其超越條件范圍較寬，這對彈簧頂銷的結構及安裝有積極的意義。

圖9 某初始條件超越狀態下自鎖閾值及自鎖深度變化曲線Fig.9 Curves of self-locking threshold and self-locking depth under transcendental state of initial condition

2 仿真實例與樣機試驗

為驗證張環式超越離合器自鎖及超越條件數學模型的正確性，在ADAMS仿真平臺下，對其進行運動學仿真。表1所示為仿真模型基本結構及材料參數，仿真模型如圖10所示，仿真結果如圖11及圖12所示。

表1 仿真模型基本尺寸及材料屬性

1.外環 2.左環 3.芯軸 4.滾柱 5.右環圖10 張環式超越離合器仿真模型Fig.10 Simulation model of expanding-ring type overrunning clutch

圖11所示為 0.2 s內滾柱位移的變化情況，超越離合器進入自鎖狀態明顯分為幾個不同的階段：ab段對應于壓緊并消除間隙的過程，由兩段線性過程組成,前半段對應于滾柱與左右環間隙消除的過程，后半段對應于左右環與外環間隙消除的過程；在bc段，滾柱的位移有小范圍內減小的趨勢，是間隙消除后開始碰撞的初始階段，此過程中芯軸與外環之間有較大的相對滑移；cd段，滾柱的位移發生劇烈的變化，且最大值超過了最終的位移值；de段為一非線性過程，滾柱的位移陡然減小，滾柱發生回彈，滾柱存在較大的沖擊，這對超越離合器的使用壽命是非常不利的；ef段也為一非線性過程，滾柱的位移增大到最終值；在f點后，滾柱的位移不再發生變化，超越離合器自鎖。

圖11 正向行程滾柱的位移曲線Fig.11 The displacement curve of roller in forward stroke

超越行程滾柱的位移曲線如圖12所示，由圖可見，滾柱的位移發生往復變化，且隨著時間的延長，這種往復變化越來越快，滾柱處于不斷加速的狀態，說明此時左右環與外環的自鎖關系解除，超越離合器發生了超越。

圖12 超越行程滾柱的位移曲線Fig.12 The displacement curve of roller in transendental stroke

為進一步驗證張環式超越離合器自鎖及超越條件數學模型的正確性，并驗證其自鎖條件對滾柱磨損的敏感性，加工出樣機(圖13)并進行實驗。如圖13所示，分別在干摩擦、潤滑油潤滑及脂潤滑條件下對樣機進行實驗，反復實驗證明：張環式超越離合器自鎖及超越均較為可靠，使用過程中不同的潤滑條件對其綜合性能有一定的影響，干摩擦狀態下自鎖響應較快，但超越工況效率較低；潤滑油潤滑狀態下，響應速度與效率均較高，但需連續供油；而脂潤滑狀態雖不需要連續供油，但響應靈敏度顯著降低。可見，張環式超越離合器自鎖及超越條件數學模型正確，而使用過程中應盡量在有連續潤滑油供給的油潤滑條件下使用。

圖13 實驗樣機Fig.13 Experimental prototype

如圖14所示，為模擬滾柱的制造誤差及磨損量，加工出一系列不同尺寸的滾柱，并將這些滾柱一一與張環式超越離合器裝配并實驗。根據所加工的樣機的尺寸，理論研究的允許的磨損量范圍為0～0.8 mm，所以加工的滾柱半徑偏差范圍為0～1 mm。實驗結果顯示，在滾柱磨損量為0～0.75 mm的范圍內，超越離合器仍能自鎖，而超過0.75 mm后不能自鎖，這是因為前文研究沒有考慮零件材料的彈性變形及左右環與外環的配合間隙。而對比同尺寸下的滾柱式超越離合器，其理論最大允許磨損量為0.580 mm，可見張環式超越離合器具有相當優勢。

圖14 不同半徑偏差的滾柱樣品Fig.14 Roller samples of different radius deviation

3 結論

(1)提出的張環式超越離合器結構新穎緊湊，通過對其工作原理進行分析認為，該類超越離合器的自鎖實質是轉動副的自鎖，而其自鎖的數學模型可表述為自鎖深度小于等于自鎖閾值。

(2)分析了張環式超越離合器的自鎖與超越條件，并進行實例求解，理論分析顯示，此種超越離合器的結構在降低結構復雜程度與加工成本等方面具有一定的優勢。分析了張環式超越離合器自鎖條件對滾柱磨損的敏感性，并與滾珠式超越離合器進行對比，理論分析表明，在此項特性上，張環式超越離合器有一定提升。

(3)對張環式超越離合器進行了運動學仿真及樣機實驗，證明此種新型超越離合器原理正確、合理，樣機實驗結果表明：選取適當的潤滑條件，并且盡量在有連續潤滑油供給的油潤滑條件下，張環式超越離合器可以獲得較高的運動精度。

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(編輯 蘇衛國)

Working Principle of New Expanding-ring Type Overrunning Clutchs and Their Self-locking and Overrunning Conditions

DU Li1,2PENG Siyang2WEI Dong2SONG Zeliang2WU Zhenhong2
1.Chongqing Key Laboratory of Mechanism Design and Control for Manufacturing Equipment, Chongqing,400067 2.School of Mechanical Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing,400054

A new expanding-ring type overrunning clutch was proposed, its self-locking component was a ring which was in a lower pair face contact with the ouPSut members and whose carrying capacity was improved compared with conventional higher pair type overrunning clutchs. The self-locking and overrunning conditions were analyzed and the self-locking conditions on the pin roller wear sensitivity were studied. Theoretical study shows that the clutch performance is superior to the pin roller type overrunning clutchs. Finally, the simulation and experimental verification of a new type of tension ring clutch were carried out.

expanding-ring type overrunning clutch; lower pair face contact; condition of self-locking and overrunning; simulation and experiment

2016-08-09

國家自然科學基金資助項目(51105397)

TH112

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.12.00172

杜 力，女，1971年生。重慶工商大學機械工程學院教授、博士，重慶理工大學機械工程學院碩士研究生導師。主要研究方向為機構學、無級變速器、CAD/CAE。E-mail:dulicq@126.com。彭斯洋，男，1993年生。重慶理工大學機械工程學院碩士研究生。魏 東，男，1989年生。重慶理工大學機械工程學院碩士研究生。宋澤良，男，1990年生。重慶理工大學機械工程學院碩士研究生。吳振宏，男，1992年生。重慶理工大學機械工程學院碩士研究生。