滾柱式超越離合器的設(shè)計

1、文章編號 :100024696 (2003) 0220065206滾柱式超越離合器的設(shè)計鈕心憲 3摘 要 :介紹內(nèi)星輪滾柱式超越離合器的設(shè)計方法 ,包括楔角 、結(jié)構(gòu)要素 、強(qiáng)度 、公差 、材料等的計算和選擇原則 。所述方法及程序可作為開發(fā)超越離合器計算機(jī)輔助設(shè)計的基礎(chǔ) 。關(guān)鍵詞 : 機(jī)械設(shè)計 ;超越離合器 ;滾柱 ;內(nèi)星輪中圖分類號 : TM122文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :ADesign of Overrunn ing Roller Cl utchN i u X i n2x i a nAbstract : Design met hod of star2wheel overrunning roller cl

2、utch such as t he calculatio n and selectio n of locking angle , st rengt h , toler2 ance , material etc. is int roduced. The met hod and p rocedure summarized by aut hor can be used as a foundatio n of developing CAD of roller clutch.Key words : mechanical design ; overrunning clutch ; roller ; sta

3、r2wheel超越離合器或稱單向離合器在各類機(jī)械中廣泛采用 。但技術(shù)文獻(xiàn)極少涉及超越離合器的設(shè)計 。我國各種機(jī)械設(shè)計手冊都只給出簡單的楔角計算公式 ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計需要 。國內(nèi)一些手冊給出的“超越離合器 規(guī)格表”多系輾轉(zhuǎn)抄錄 1961 年蘇聯(lián)機(jī)械制造標(biāo)準(zhǔn) ( M H261) ,該表偏保守且國內(nèi)并沒有按此表生產(chǎn)的產(chǎn)品 。 本文根據(jù)超越離合器設(shè)計中的經(jīng)驗 ,介紹使用最為廣泛的平面內(nèi)星輪式超越離合器的設(shè)計方法 ,可作為開發(fā)超越離合器 CAD 的基礎(chǔ) 。圖 1 為內(nèi)星輪式超越離合器的結(jié)構(gòu)簡圖 。其中 :1 為內(nèi)星 輪 ,2 為外圈 ,3 為滾柱 ,4 為彈簧裝置 。選擇設(shè)計楔角 楔角是超越離合器的最

4、基本參數(shù)之一 ,影響離合器的性 能和壽命 。楔角過大不能保證正常工作 ,過小則無法解楔 ,即 在外力矩為零時不能自動脫開 。一般手冊推薦的設(shè)計楔角為7,但設(shè)計時要根據(jù)具體情況增減 。主要原則為 :1) 內(nèi)星輪式的設(shè)計楔角可向下浮動 1,外星輪式可向上 浮動 1。1圖 1 內(nèi)星輪式超越離合器2)3)4)強(qiáng)制潤滑時楔角可向下浮動 0 . 5。工作條件為長期空轉(zhuǎn)時 ,楔角可適當(dāng)減小 。 頻繁楔合 ,并希望有較高壽命時楔角可適當(dāng)減小 。收稿日期 :20032082133 作者原為動力室主任 ,研究員 .66交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報2003 年第 2 期5) 離合器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) D 、d 、C

5、 等的公差對楔角有較大影響 ,偏差可達(dá) 10 % 。設(shè)計楔角的選擇應(yīng)考慮上述參數(shù)所取公差的偏差方向 。以上影響楔角選擇的因素不宜簡單疊加 。設(shè)計楔角的范圍在 5-(增大楔角則相反) :9。減小楔角后的影響如表 1 所示表 1減小楔角后的影響楔角影響優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)正壓力增大彈性滑差增大 油膜易破壞加速疲勞 ,振蕩磨損增加疲勞區(qū)擴(kuò)大 ,疲勞減緩 ,磨損減小 ,沖擊減小 。 楔合準(zhǔn)確度降低楔合性能改善 。楔合準(zhǔn)確度改善 。惰轉(zhuǎn)磨損增大減小滾子碰爪的裕量減小為磨損而留的楔角裕量增大 加工精度對楔角的影響增大失效的危險性增大使用壽命延長對公差敏感 ,易造成滾子負(fù)荷不均勻2選擇其他結(jié)構(gòu)要素楔角 和各主要結(jié)構(gòu)要素

6、的關(guān)系如下 : = a rcco s C +r( 1)R + r其中 : C 為內(nèi)星輪的平面高度 , R = D / 2 , r = d/ 2 。C , R , r 的選擇應(yīng)滿足設(shè)計楔角的要求 。此外 ,滾柱數(shù) Z 及滾柱長度 l r 也應(yīng)選擇 。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)是相互制約的 ,需經(jīng)優(yōu)化計算方可確定 。Z 可取 3212 ,特殊結(jié)構(gòu)可取得更大 ,但常用為 325 。R / r 可取 529 ,但 8 較為常用 。蘇聯(lián)機(jī)械制造標(biāo)準(zhǔn)的超越離合器系列均用 8 ,但此值略嫌偏高 。如果將 滾子直徑稍加增大 ,使 R / r 降至6 . 527 . 0 ,則可提高內(nèi)爪壽命 223 倍 。l r/ r 可選

7、326 ,如果選用標(biāo)準(zhǔn)滾柱 ,則 r 及 l r/ r 需受滾柱規(guī)格的約束 。根據(jù)最大轉(zhuǎn)速 n max 、最大每分鐘楔合數(shù) P 以及在此條件下得傳遞扭矩 M ,按表 2 初步選擇外圈的內(nèi)徑D 。然后按結(jié)構(gòu)要素的要求選擇其他參數(shù) ,并進(jìn)行強(qiáng)度校核 。進(jìn)行以上工作時可參考機(jī)械設(shè)計手冊所列規(guī)格表 ,必要時重新調(diào)整 D 等參數(shù) 。表 2 選擇外圈內(nèi)徑 D最大轉(zhuǎn)速 nmax (1/ min)傳遞扭矩 M ( N2m)最大每分鐘嚙合數(shù) P (1/ min)外圈的內(nèi)徑 D ( mm)滾子數(shù) Z2 . 54 . 48 . 416 . 23354691182063857603 ,0002 ,5002 ,0001

8、 ,5001 ,2501 ,2501 ,0001 ,000800630500250200160251001008080655040324050658080100100125160200333335355553接觸強(qiáng)度的計算如果不考慮彈簧壓力及滾動摩擦 ,則滾子的正壓力 N 為 :鈕心憲 :滾柱式超越離合器的設(shè)計67= 2 M( 2)NZ R其中 Z 為滾子數(shù) 。接觸應(yīng)力 c 可用赫茨公式計算 ,如果滾子與內(nèi)爪的彈性模數(shù) E 相同 ,則對平面內(nèi)星輪式可有 :N Ec= 0 . 418( 3)rl如干摩擦系數(shù)取 0 . 2 ,泊桑系數(shù)取 0 . 3 ,則接觸處的最大剪應(yīng)力 max為 :N EM E

9、max= 0 . 34c = 0 . 412= 0 . 2rl Z Rrl如 以“度”表示 ,則有 :M Emax( 4)= 1 . 5rl Z R應(yīng)使 max 式 (2) 、(4) 中的 M 不應(yīng)用平均值或額定值 ,應(yīng)由下式計算 :M = M n ( k 1 + k2 ) k 3其中 :M n 額定扭矩 ;k1 由原動機(jī)形式?jīng)Q定的動力系數(shù) ,可參照表 3 決定 ;k2 由從動機(jī)形式?jīng)Q定的動力系數(shù) ,可參照表 4 決定 ;( 5)k3 由離合器精度決定的反映各滾子受力不均勻的系數(shù) ,對平面內(nèi)星輪式可取1 . 121 . 5 。加工精度高時 , k3 取較小值 。表 3由原動機(jī)形式?jīng)Q定的動力系數(shù)

10、原動機(jī)形式電動機(jī)6 缸柴油機(jī)3 缸柴油機(jī)單缸柴油機(jī)k10 . 250 . 400 . 601 . 20表 4由從動機(jī)形式?jīng)Q定的動力系數(shù)車床 、傳送帶 、 電梯 、自動扶梯壓縮機(jī) 、剪刀車 、 吊車 、釘書機(jī)拖拉機(jī)鍛錘 清洗滾筒粉磨機(jī)鍛壓機(jī)挖泥機(jī) 起重機(jī)碎石機(jī)球磨機(jī)重型壓延機(jī)從動機(jī)形式k21 . 21 . 41 . 62 . 02 . 8當(dāng)離合器楔合次數(shù)較少時 ,許用剪應(yīng)力 可由下式確定 : = ( 8 - 12) R cM Pa( 6)其中 : R c 材料的洛氏硬度 。當(dāng)楔合頻繁時 ,許用剪應(yīng)力可用齒面的許用應(yīng)力 ,楔合次數(shù)與 的關(guān)系為 :1 =( 7)6Q107其中 : 107 次之許用剪

11、應(yīng)力 ;1 Q 次之許用剪應(yīng)力 ;Q 總楔合次數(shù) 。 也可由滾柱的比壓力來估算接觸強(qiáng)度 。比壓力 P 定義為 :68交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報2003 年第 2 期N( 8)P =F式中 F 為滾柱的投影面積 , F = 2 rl 。許用比壓力 P 可取 42249 M Pa ,如取 P = 44 M Pa ,則按 (2) 、(8) 可有 :M 22 F Z R ( 9)接觸應(yīng)力的計算一般以內(nèi)星輪為對象 ,因內(nèi)星輪的接觸應(yīng)力大于外圈 ,且每次楔合接觸點(diǎn)的位置不變 。但內(nèi)星輪的變形較均勻 ,而外圈因其一端常有法蘭 ,會產(chǎn)生不均勻變形 ,使接觸應(yīng)力不均勻 ,在設(shè)計中應(yīng)予注 意 。4外圈強(qiáng)度校

12、核外圈在工作時受有拉力及彎矩 ,通常對其合成應(yīng)力 進(jìn)行校核 ,可不與接觸應(yīng)力疊加 。 R 1N = = ( f 1 + f 2) ( 10)B SS其中 : 許用應(yīng)力 , 可取 700800 M PaN 滾子壓力 ,由 (2) 式計算 ;B 外圈寬度 ;S 外圈厚度 ;R 1 外圈平均半徑 ;f 1 f 2 與滾子數(shù)有關(guān)的系數(shù) ,由表 5 查得 。表 5與滾子數(shù)有關(guān)的系數(shù) f 1 、f 2 、f 3S = ( 0 . 8 - 1 . 2) d ; 如外圈壓入另外圈厚度的經(jīng)驗取值為 :一機(jī)件 ,則 S = ( 1 1 . 6) d ;大尺寸的離合器 S 取小值 ,反之取大值 。Zf 1f 2f

13、330 . 2891 . 1340 . 01595外圈剛度計算外圈變形后使楔角變化 ,但楔角變化的計算工作量很大 ,為簡40 . 500 . 8220 . 0060850 . 6880 . 6480 . 0029881 . 210 . 3960 . 0069化計 ,可計算滾子接觸點(diǎn)的變形量 r ,以此變形量作為外圈內(nèi)徑之增大量 ,推算楔角的變化 ,應(yīng)小于 1。這一推算偏于安全 ,因兩 滾子之間的外圈是向內(nèi)變形的 。 12 1 ,87 0 . 264 0 . 00020 M R 31r =( 11)f 3EJ其中 :J 外圈之慣性 ,對矩形為 B S ;12f 3 系數(shù) 。見表 5 。6壓緊彈簧

14、的計算壓緊彈簧的作用是保證各滾子同時楔合及減小楔合前的空行程 。在確定彈簧力及彈簧安裝角時 ,除應(yīng)保證滾子與內(nèi)外面均保持接觸外 ,還應(yīng)使空轉(zhuǎn)時滾子相對外圈滾動以及有較小的空轉(zhuǎn)損耗功 。為保證外圈接觸點(diǎn)滾動 ,彈簧力 P 應(yīng)為 :012 -( R - r)2P m 0( 12)2 - 1co s(推演從略)其中 :m 0 滾子質(zhì)量 ;鈕心憲 :滾柱式超越離合器的設(shè)計691 ,2 分別為滾子與外圈以及滾子與彈簧頂頭間的摩擦系數(shù) ; 空轉(zhuǎn)時內(nèi)爪轉(zhuǎn)速 ;0 空轉(zhuǎn)時內(nèi)爪的角加速度 ;彈簧安裝角 ,其定義見圖 1 。如果 能滿足下式 ,則 (12) 式的右端為 ,即任何 P 均能滿足 (12) 式 。3

15、a rcco s 2( )131 一般取0 . 150 . 20 ;當(dāng)用銅頂頭時 2 = 0 . 05 , 當(dāng)用小滾子作彈簧頂頭時 2 = 0 . 01 。如取 1 = 0 . 15 ,2 = 0 . 05 ,則可得 = 70。為保證滾子對內(nèi)外面均接觸 ,應(yīng)有 :( R - r) (0 + 21 ) + g + P m 0( 14)sin ( - )(推演從略)其中 :總摩擦系數(shù) , = a rct g (1 + 2 ) ;g 重力加速度 ;滾子的最大振動加速度 ?？沙醪竭x 角為 75,彈簧壓力 P 則按下式近似計算 。P M2 ( R - r) sin其中 :滑動摩擦角 。然后用 (12)

16、、(14) 式進(jìn)行核算 ,必要時改變 及值 。在低轉(zhuǎn)速時有可能不能保證滾子轉(zhuǎn)動 。( 15)彈簧圈數(shù)可取 610 。在考慮彈簧變形量時應(yīng)計及滾子安裝角的偏差 ( 即楔角的偏差) 對彈簧變形量的影響 。為了降低空轉(zhuǎn)損耗功 ,應(yīng)降低2 。可以用小滾子代替一般的銅頂頭 。如該小滾子表面硬度為 R c = 6063 ,且加工平直 ,則可以在很大的 P 下保證大滾子滾動 ,甚至可以在 = 1520時忽略損耗功 。 采用小 角及硬彈簧還可以改善楔合及脫開條件 。7公差選擇超越離合器零部件公差的原則為 :1) 各零部件極限偏差的綜合作用應(yīng)保證楔角偏差在 - 1 + 0 . 5之間 ; 各零部件有比較接近的公

17、差等級 ;表 6公差2) 在進(jìn)行高精度等級加工時 , 應(yīng)能更接近設(shè)計的名義楔角 。如按一般習(xí)慣 ,將 D 取基孔制 , d 及 C 取基軸制 ,則不能滿 足 1) 、3) 的要求 。建議用表 6 的公差 。表中 e 為內(nèi)星輪及外圈軸承的不同心度 。外圈內(nèi)徑 DDdCe322800 . 02J SjSk6 1002200 0 . 03 如采用 GB 4661289 標(biāo)準(zhǔn)圓柱滾子 ,公差為 + 0 . 005/ - 0 . 010 。公差確定后尚須校核在極限偏差下 ,當(dāng)滾子處于極限位置時 ,仍與外圈有一定間隙 。否則可能咬死 ,特 別在同心度變差時容易發(fā)生 。外圈 、滾子 、內(nèi)星輪平面的表面光潔度

18、 ,在相對速度小于 6 m/ sec 時可取0 . 8材料,大于 6 m/ sec 時取0 . 2。8外圈推薦用 20Cr , 表 面 滲 碳 , Rc59 60 。也 可 用 40Cr ( Rc48 ) , 15Cr ( Rc59 ) , T10 ( Rc60 64 ) , GCr15( Rc5963) ,12CrNi3 ( Rc5962) ,15M nVB ( Rc6064) 。70交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報2003 年第 2 期內(nèi)星輪的工作條件較差 ,其滲碳層厚度應(yīng)大些 。材料推薦用 20Cr ( Rc59 60 ) , 也 可 用 40Cr ( Rc48 53 ) , T10 (

19、 Rc61 ) , GCr15 ( Rc5963) ,12CrNi3 ( Rc6062) ,15M nVB ( Rc5662) 。用 20Cr 時推薦采用表 7 所列的滲碳層厚度 。表 7滲碳層厚度滲碳層厚度 ( mm)外圈內(nèi)徑 D ( mm)外 圈內(nèi)星輪32404075751251252000 . 81 . 01 . 01 . 21 . 21 . 51 . 51 . 81 . 01 . 21 . 21 . 51 . 51 . 81 . 82 . 0芯部硬度為 3545 Rc 。內(nèi)星輪如果鑲以硬質(zhì)合金塊 ,可提高壽命 50 %100 % 。鑲 塊厚度應(yīng)大于 1/ 2 的滾子直徑 。材料可用硬質(zhì)合金 YT14 。滾柱 材 料 可 用 Gr15 ( Rc59 63 ) , T8A ( Rc60 62 ) , T10A( Rc5962) ,Cr WM n ( Rc62) 。 平面 內(nèi) 星 輪 式 離 合 器 對 滾 子 的 磨 損 很 敏 感