高速斜撐超越離合器設計方法研究

姬廣勛 范銳 楊云鵬

摘 要：斜撐離合器是一種單向超越離合器，相比其它超越離合器，它具有承載能力大、結構緊湊，制造工藝性好等一系列優(yōu)點，廣泛應用于直升機傳動系統(tǒng)中和固定翼飛機的啟動系統(tǒng)中。作為關鍵部件，它的性能對直升機傳動系統(tǒng)和固定翼飛機的啟動系統(tǒng)具有重要影響。因此開展斜撐離合器設計技術研究具有重要的工程意義。

關鍵詞：附件機匣;起動機;斜撐離合器;結構設計

一、前言

超越離合器廣泛應用于航空工業(yè)，在直升機主傳動鏈和附件傳動鏈、固定翼飛機的起動機和大發(fā)之間都要使用離合器。滾柱離合器、斜撐離合器和彈簧離合器在直升機主傳動鏈上都有應用，一般在轉速12000r/min以下使用滾柱離合器，在15000r/min以下使用斜撐離合器，在27000r/min以下使用彈簧離合器，目前還未見有超過27000r/min工況下使用的離合器，在直升機附件傳動鏈上使用的主要是斜撐離合器，直升機上使用的離合器通常處于長期楔緊工作狀態(tài)。固定翼飛機的起動機和大發(fā)之間使用的離合器則主要是斜撐離合器，除大發(fā)起動階段外，它長期處于高速超越的工作狀態(tài)。不管是直升機，還是固定翼飛機，離合器均為傳動鏈或功率鏈上的關鍵部件，如果離合器工作不正常，則整架飛機都無法正常工作。

二、超越離合器在航空機械傳動系統(tǒng)中的主要作用

離合器是機械傳動系統(tǒng)中的重要部件，其主要作用是使主動軸和從動軸按要求接合和分離。隨著離合器結構形式和設計技術的不斷完善與發(fā)展，通過與其它機械裝置相配合，它還能實現(xiàn)更多的功能。一般來說，離合器可以實現(xiàn)機械傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動和停車、傳動軸在運動中的同步和相互超越、機器啟動和超載時的安全保護以及防止從動軸的逆轉等。

超越離合器是離合器中的重要分支，在航空領域，它廣泛應用于直升機主減速器以及固定翼飛機的起動機。直升機傳動系統(tǒng)中使用的超越離合器是單向超越離合器，發(fā)動機通過超越離合器可以帶動旋翼和尾槳轉動，而旋翼不能反過來帶動發(fā)動機。當發(fā)動機停車時超越離合器可以保證旋翼與發(fā)動機脫開，旋翼可以進行自轉。在直升機安裝多臺發(fā)動機的情況下，當其中一臺發(fā)動機停車時，不會影響其它發(fā)動機和旋翼系統(tǒng)的工作。

三、超越離合器的分類和工作原理

超越離合器按工作原理可分為嚙合式和摩擦式兩類。嚙合式超越離合器主要包括棘輪式、滑銷式和牙嵌式，雖然嚙合式離合器結構簡單，但由于接合時的沖擊和噪聲較大，因此一般應用于低速場合。摩擦式超越離合器接合相對比較平穩(wěn)，可以在任何轉速差下實現(xiàn)接合。摩擦式超越離合器主要分為滾柱離合器、彈簧離合器和斜撐離合器。

3.1 ?滾柱離合器

滾柱離合器是最早應用于直升機傳動系統(tǒng)的超越離合器，它依靠滾柱的楔合作用來傳遞扭矩，適用轉速一般為12000r/min以下。滾柱離合器由凸輪軸、外環(huán)、保持架和彈簧-銷機構等主要零部件組成。

3.2 ?彈簧離合器

彈簧離合器主要由輸入軸、輸出軸、矩形彈簧和導向心軸等零件組成。離合器的矩形橫截面螺旋彈簧安裝在輸入軸與輸出軸之間，彈簧的兩端徑向尺寸較大，與輸入、輸出軸內(nèi)表面形成過盈配合，而彈簧的中間部分徑向尺寸較小，與輸入、輸出軸內(nèi)表面形成間隙配合。

3.3 ?斜撐離合器

斜撐離合器一般應用于轉速低于15000r/min以下的場合，是目前應用最廣泛的直升機超越離合器。斜撐離合器主要由楔塊、內(nèi)環(huán)、外環(huán)、內(nèi)保持架、外保持架、彈簧波帶以及阻尼元件組成。異型楔塊為主要的承載零件，內(nèi)、外保持架通過法蘭盤分別與內(nèi)、外滾道保持一定間隙來實現(xiàn)導向作用，保持楔塊在承載時相位一致，從而使得承載均勻。彈性波帶的主要作用是使楔塊與內(nèi)外環(huán)時刻保持接觸，保證離合器隨時從超越狀態(tài)過渡到楔合狀態(tài)。

四、某型斜撐超越離合器的設計方案和強度計算

4.1 ?斜撐超越離合器的型式

現(xiàn)在用的斜撐離合器分為2種型式：全相位型和完全連續(xù)嚙合（PCE）型。全相位型的離合器通常用一對保持架，一個帶狀彈簧，與保持架接觸的摩擦元件以確保斜撐塊總是處在相同的角向位置。在加速和減速的過程中，這些摩擦元件克服保持架與斜撐塊之間的內(nèi)力。PCE型離合器只有一個保持架和使每個斜撐塊獨立于其相鄰斜撐塊運動的箍緊彈簧。這種型式的離合器具有另外的特點，在過載條件下，斜撐塊一個緊挨著一個，因此形成一個整體，斜撐塊不能夠滾動。對于全相位型離合器，如果超載，斜撐塊的滾動是一種可能的失效模式。PCE型離合器過載時發(fā)生滑動，由于接觸點處的壓力較高，可能發(fā)生滾道剝落這種失效模式。

斜撐塊及滾道的潤滑和表面處理，對于斜撐離合器的正常工作非常重要。

4.2 ?設計結構介紹

斜撐離合器主要由外環(huán)、內(nèi)環(huán)、保持架、輸出軸、斜撐塊、彈簧、深溝球軸承等組成。離合器在附件機匣上的安裝采用止口定位，使用螺釘固定。

4.4 ?斜撐離合器的強度計算

4.4.1 ?計算載荷

傳遞瞬時最大扭矩：1100N.m。

脫開轉速：8200±100rpm

4.4.2 ?計算公式

4.4.3 ?結果分析

離合器斜撐塊與內(nèi)軸，外套圈的接觸應力均小于設計許用接觸應力3450MPa。

五、結論

斜撐離合器主要由楔塊、內(nèi)環(huán)、外環(huán)、保持架和軸承等一系列零部件組成，根據(jù)斜撐離合器的特點和設計要求對其零部件進行詳細的結構設計，校核零部件應力和變形，結果滿足設計要求，該設計過程能為斜撐超越離合器的設計提供指導。

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