單向離合器的設(shè)計(jì)

1、單向離合器的設(shè)計(jì)一、了解超越離合器的主要功能、一般特點(diǎn)及其分類1、超越離合器的主要功能： 超越離合器是靠主從動(dòng)部分的相對(duì)速度變化或回轉(zhuǎn)方向變換能 自動(dòng)結(jié)合或脫開的離合器。 超越離合器有嵌合式與摩擦式之分； 摩擦 式又分為滾柱式與楔塊式。單向超越離合器只能在一個(gè)方向傳遞轉(zhuǎn)矩， 雙向超越離合器可雙 向傳遞轉(zhuǎn)矩。超越離合器的從動(dòng)件可以在不受摩擦力矩的影響下超越 主動(dòng)件的速度運(yùn)行。帶撥爪的超越離合器，撥爪為從動(dòng)件。2、超越離合器的一般特點(diǎn)：（1）改變速度：在傳動(dòng)鏈不脫開的情況下，可以使從動(dòng)件獲得 快、慢兩種速度；（ 2）防止逆轉(zhuǎn)：單向超越離合器只在一個(gè)方向傳遞轉(zhuǎn)矩，而在 相反方向轉(zhuǎn)矩作用下則空轉(zhuǎn)；（

2、3）間歇運(yùn)動(dòng)：雙向超越離合器與單向超越離合器適當(dāng)組合， 可實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件做某種規(guī)律的間歇運(yùn)動(dòng)。3、超越離合器的分類超越離合器可分為棘輪式超越離合器、 滾柱式超越離合器和楔塊 式超越離合器。 其中，棘輪式超越離合器又可分為內(nèi)齒棘輪式超越離 合器和外齒棘輪式超越離合器； 滾柱式超越離合器又可分為單向滾柱 式、帶撥爪單向滾柱式和帶撥爪雙向滾柱式超越離合器； 楔塊式超越 離合器又可分為單向超越離合器、 雙向超越離合器和非接觸式單向超越離合器二、接下來將主要研究單向滾柱式超越離合器的設(shè)計(jì)：1、單向滾柱式超越離合器的機(jī)構(gòu)簡圖為：圖12、單向滾柱式超越離合器的特點(diǎn)及應(yīng)用：滾柱 3 受彈簧 4 的彈力，始終與外環(huán)

3、 1 和星輪 2 接觸。 滾柱在滾 道內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，磨損均勻， 磨損后仍能保持圓柱形，短時(shí)過載滾柱打 滑不會(huì)損壞離合器。星輪加工困難，裝配精度要求較高。星輪與外環(huán) 運(yùn)動(dòng)關(guān)系比較多元化。外環(huán) 1 主動(dòng)（逆時(shí)針轉(zhuǎn)）時(shí)：當(dāng) n1=n2, 離合器接合；當(dāng) n1<n2，離合器超越。星輪 2 主動(dòng)（順時(shí)針轉(zhuǎn)）時(shí)：當(dāng) -n 2=-n1, 離合器接合；當(dāng) n2 n1 ，離合器超越。 滾柱式超越離合器的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，溜滑角小，主要用于 機(jī)床和無級(jí)變速器等的傳動(dòng)裝置中。三、滾柱式單向超越離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算圖2注： 表 1 中公式均摘自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第 2 卷第六篇第三章第 307頁，化學(xué)工業(yè)出版社，第五版。

4、1、設(shè)計(jì)計(jì)算表1型 式編 號(hào)計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算公式說明工作儲(chǔ)備系數(shù) 1.4-5 ；楔緊平面Tt 需要傳遞的轉(zhuǎn)矩；1至軸心線C ( Rz r)cos r的距離Rz滾柱離合器外環(huán)內(nèi)半徑，mm；Rz（4.515）r ，一般取 Rz 8r ；2計(jì)算轉(zhuǎn)矩TcTtb滾柱長度， mm， b （2.58） r ，一般取 b （3 4） r ；Ev 當(dāng)量彈性模數(shù)，鋼對(duì)鋼TcN3正壓力(L r) zEv522.06 105 N/mm2；Hp2許用接觸應(yīng)力， N / mm2 ，見單向表 2 ；超摩擦因數(shù)，一般取 0.1 ；越4接觸應(yīng)NEv離力H0.42 vHpb vHpm滾柱質(zhì)量， kg ；合n 星輪轉(zhuǎn)速， r /min

5、 ；器z 滾柱數(shù)目，見表 3；L楔塊長度， mm；D外環(huán)內(nèi)徑， mm；d滾柱直徑， mm；5當(dāng)量半徑vrv楔角， （。）， 小，楔合容易，脫開力大； 大，不易楔合或易打滑。為保證滾柱不打滑， 應(yīng)使壓力角 /2 小于滾柱對(duì)星輪或內(nèi)外環(huán)接觸面的最小摩擦角min ，即 /2 min 。當(dāng)星輪工作面為平面時(shí)，取6。8。；當(dāng)工作面6彈簧壓力(D d) mn2PE418 104為對(duì)數(shù)螺旋面或偏心圓弧面時(shí)，取8。10。 ； 最 大 極 限 值 取max14。17。；r 滾柱半徑， mm。表2表 3 ：滾柱數(shù)及尺寸參數(shù)參考值注：表 2 和表 3 均摘自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第 5 版第 2 卷（ 注：以下公式均摘自滾柱

6、式超越離合器的設(shè)計(jì)，鈕心憲，交通 部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)）2、楔角 的各主要結(jié)構(gòu)要素的關(guān)系如下：CrarccosRr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(jì)楔角的要求。此外 , 滾柱數(shù) Z 及 滾柱長度 b 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(jì)算 方可確定。 Z 可取 3-12 , 特殊結(jié)構(gòu)可取得更大 , 但常用為 3-5 。R/ r 可取 5-9 , 但 8 較為常用。如果將滾子直徑稍加增大 , 使 R/ r 降 至 6 .5-7 .0 ,則可提高內(nèi)爪壽命 2-3 倍。3、接觸強(qiáng)度的計(jì)算如果不考慮彈簧壓力及滾

7、動(dòng)摩擦 , 則滾子的正壓力 N 為:2TtZR接觸應(yīng)力 c 可用赫茨公式計(jì)算 , 如果滾子與內(nèi)爪的彈性模數(shù) E 相同, 則對(duì)平面內(nèi)星輪式可有 :NEc 0.418br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:NETtEmax 0.34 c 0.412 NE 0.2 TtE brrbZR如 以“度”表示 , 則有 :max 1.5 Tt ErbZR應(yīng)使 max Tt 不應(yīng)該用平均值或額定值 , 應(yīng)由下式計(jì)算 :Tt Tn(k1 k2 )k3其中:Tn 額定扭矩 ;k1 由原動(dòng)機(jī)形式?jīng)Q定的動(dòng)力系數(shù) , 可參照表 4 決定;k2 由從動(dòng)機(jī)形式?jīng)Q定的動(dòng)力系數(shù)

8、 , 可參照表 5 決定 ;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(duì)平面內(nèi)星輪式可取 1.1-1.5 。加工精度高時(shí) , k3 取較小值。表 4：由原動(dòng)機(jī)形式?jīng)Q定的動(dòng)力系數(shù)表 5：由從動(dòng)機(jī)形式?jīng)Q定的動(dòng)力系數(shù)當(dāng)離合器楔合次數(shù)較少時(shí) , 許用剪應(yīng)力 可由下式確定 : (8 12)Rc MPa其中 :Rc 材料的洛氏硬度。當(dāng)楔合頻繁時(shí) , 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:其中: 107 次之許用剪應(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 :PN式中 F 為滾柱的投影面積 , F =2rb許用比壓力 P

9、 可取 42-49 MPa , 如取 P =44 MPa , 則有:Tt 22 F Z R接觸應(yīng)力的計(jì)算一般以內(nèi)星輪為對(duì)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(huì)產(chǎn)生不均勻變形 , 使接觸應(yīng)力不均勻 , 在設(shè) 計(jì)中應(yīng)予注意。4、外圈強(qiáng)度校核外圈在工作時(shí)受有拉力及彎矩 , 通常對(duì)其合成應(yīng)力進(jìn)行校核 , 可 不與接觸應(yīng)力疊加。（ ） 其中: 許用應(yīng)力 , 可取 700 800 MPaN 滾子壓力 ,B 外圈寬度 ;S 外圈厚度 ;R1 外圈平均半徑 ;f 1 f 2 與滾子數(shù)有關(guān)的系數(shù) , 由表 6 查得。 外

10、圈厚度的經(jīng)驗(yàn)取值為 :S =（0 .8 -1 .2）d ;如外圈壓入另一機(jī)件, 則S =（1 1 .6）d ; 大尺寸的離合器 S 取小值, 反之取 大值。表 6：與滾子有關(guān)的系數(shù) f 1 、 f 2 、 f 35、外圈剛度的計(jì)算外圈變形后使楔角變化 , 但楔角變化的計(jì)算工作量很大 , 為簡 化計(jì), 可計(jì)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。3TtR13 r r EJ其中：J-外圈之慣性 , 對(duì)矩形為 BS/12 ;f 3 系數(shù)。見表 6 。6、公差選擇超越離合器零

11、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差等級(jí) ;（ 2）在進(jìn)行高精度等級(jí)加工時(shí) , 應(yīng)能更接近設(shè)計(jì)的名義楔角。 建議用表 7 的公差。表中 e 為內(nèi)星輪及外圈軸承的不同心度。 如采用 GB 4661-89 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(shí) , 仍與外圈有一定間隙。否則可能咬死 , 特別在同心度變差時(shí)容易發(fā)表 7 ：公差7、設(shè)計(jì)計(jì)算程序具體的設(shè)計(jì)計(jì)算程序請(qǐng)參考： 滾柱式超越離合器的設(shè)計(jì)，鈕 心憲，交通部上海船舶運(yùn)輸

12、科學(xué)研究所學(xué)報(bào)。四、超越離合器主要零件的材料和熱處理超越離合器的材料要求具有較高的硬度和耐磨性。 對(duì)于滾柱， 還 要求心部具有韌性，能承受沖擊載荷而不碎裂。具體見表 4。表4注：表 4 摘自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第 5 版第 2 卷五、滾柱式超越離合器壓緊彈簧的選擇滾柱式超越離合器根據(jù)星輪型式的不同 , 又可分為內(nèi)星輪型與外 星輪型兩種 , 其中除滾柱、座圈和星輪外還采用了壓緊彈簧。壓緊彈簧的作用是 :(1) 將滾柱壓向座圈與星輪之間楔形槽的狹窄部分 , 以保持滾柱 與座圈、星輪之間的接觸 ,由于彈簧壓力較小 , 因此在超越運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不致 于產(chǎn)生楔緊作用。(2) 在滾柱楔緊過程中 , 可以最大限度地縮短、 甚至完全避免空行 程( 從超越運(yùn)轉(zhuǎn)過渡到接合運(yùn)轉(zhuǎn)所經(jīng)過的行程稱為空行程 ), 以提高動(dòng) 作靈敏性 , 并減少接合時(shí)的沖擊。(3) 保證各滾柱之間受載均勻。 在壓緊彈簧裝置的設(shè)計(jì)中 , 最主 要的參