外星輪超越離合器圓柱滾子磨損失效研究

■ 洛陽軸承研究所有限公司 （河南洛陽 471039） 馬 磊 孟鴻超 韓紅雨 王永平 徐潤潤

外星輪超越離合器是一種通過主、從動部分相對運動速度或回轉方向的變換能自動接合或脫開的離合器，利用滾柱對外星輪和內圈同時楔緊作用傳遞單向運動和轉矩。外星輪超越離合器的失效主要與彈簧設計（安裝角ε和彈簧彈力Ps）、工作轉矩和零件接觸表面硬度有關。

安裝角：相同彈簧力的情況下，安裝角過小會引起離合器高速超越時滾柱與座圈脫離，離合器楔合不及時；安裝角過大會增大滾柱與外星輪和內圈的接觸壓力，增加零件磨損程度，導致離合器出現打滑現象。

彈簧力：彈簧力不足導致離合器楔合不及時；彈簧力過大導致離合器零件磨損嚴重，使離合器出現打滑現象。

工作轉矩：工作轉矩過大會使滾柱碎裂，外星輪或內圈出現裂紋等缺陷，導致離合器失效。

零件接觸表面硬度：硬度低導致零件磨損嚴重，離合器出現打滑現象；硬度過高導致零件接觸表面彈性變形小，不利于離合器傳遞轉矩。

滾柱磨損失效主要與彈簧安裝角、彈簧力和零件接觸表面硬度有關，工作轉矩只會引起滾柱的碎裂，不會導致滾柱磨損失效。

1.失效實例

某外星輪超越離合器額定傳動轉矩要求為0.5N·m（離合器的額定轉矩為7.7N·m），彈簧安裝角為90°，彈簧長度5mm，測得工作彈力為0.91N，外星輪、內圈和滾柱的硬度符合設計要求，臺架試驗后檢查，發現滾柱有兩處磨損平臺，如圖1所示，磨損帶寬度分別為0.49mm和0.59mm；其中0.59mm磨損帶處向內凹陷，直徑減少約0.03mm，經分析是由內滾道與滾柱磨損造成；0.49mm磨損帶處無內凹陷，直徑尺寸幾乎無變化，經分析是由外滾道與滾柱磨損造成。

分別從引起超越離合器滾柱磨損失效的三個因素進行分析可知：①外星輪超越離合器各零件接觸表面硬度對零件磨損失效影響較大，實例中零件表面接觸硬度符合設計要求。②彈簧設計（安裝角ε和彈簧力Ps）

圖1 01號超越離合器組件滾子平臺

ε＜120°~146.4°時，在Ps

由于此外星輪超越離合器安裝角選用90°，所以安裝角不是引起此離合器組件滾柱磨損失效的原因。

3. 彈簧力對離合器失效影響分析

此外星輪超越離合器使用的彈簧為矩形彈簧，結構如圖3所示，根據彈簧安裝空間尺寸，確定滾柱與星輪和內圈接觸時彈簧的長度L1；根據鋼絲熱處理工藝加工的彈簧，可測出彈簧剛度系數K，則：

其中，L0是彈簧自由狀態長度，L0=5mm；L1是離合器工作時彈簧受壓后的長度，L1=3.2mm；將各參數代入式（3）、（5），計算可得Psmin=0.212 6N，Psmax=0.912 5N，故彈簧力Ps的取值范圍為0.212 6～0.902 5N。矩形彈簧經測量，由自由狀態壓縮至L1時，彈力為0.91N>Psmax。

圖3 矩形彈簧結構示意

通過研究發現，造成該現象的主要原因是彈簧力過大，在彈簧力作用下，滾柱壓緊于內外滾道之間，超越工況下，滾柱無法繞自身軸線轉動，始終處于滑動摩擦，經長時間超越磨損，形成磨損帶。

4. 措施

由于彈簧鋼絲、熱處理工藝和彈簧形狀已選定，彈簧剛度被確定，只能通過改變彈簧工作時的壓縮量，調整彈簧力大小：考慮到彈簧的有效圈數較少，將彈簧長度從5mm縮短為4.2mm，其余尺寸不變，彈簧壓縮到工作狀態時，彈簧力從0.91N減小為0.46N。超越時滾柱與滾道面接觸，處于滾動摩擦，離合器空程角小，楔合迅速。經試驗發現彈簧改進后的外星輪超越離合器旋轉靈活，楔合及時，通過150h臺架試驗，未發現滾柱磨損現象。調整前后滾柱磨損對比如圖4所示。

經調整彈簧設計參數發現：縮短彈簧長度，減小彈簧工作壓力改善了此外星輪超越離合器工作時滾柱的受力情況，避免了滾柱的磨損失效，延長了此超越離合器的工作壽命，解決方案合理可行。

圖4 調整前后滾柱磨損對比

5. 結語

1）安裝角對滾柱式超越離合器的工作性能影響較大，不合理的安裝角使滾柱在超越狀態下難以繞自身軸線旋轉，增加超越運轉時零件的發熱和磨損，從而增大功率消耗。

2）根據外星輪超越離合器的空間結構布置及受力情況，安裝角通常選用75°~90°。

3）彈簧力的大小對滾柱式超越離合器的工作性能影響較大，合適的彈簧力使滾柱始終與外星輪、內圈和彈簧接觸，使滾柱在超越狀態下實現純滾動。

4）其他參數已定，通過縮短彈簧長度，可減少超越時滾柱所受彈簧力。