航空傳動系統(tǒng)超越離合器設(shè)計(jì)

精品文檔-下載后可編輯航空傳動系統(tǒng)超越離合器設(shè)計(jì)【摘要】航空超越離合器是傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，本文對滾柱式超越離合器的工作原理進(jìn)行了分析，闡述了滾柱式超越離合器設(shè)計(jì)的兩個階段，以多年以來滾柱式超越離合器使用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立了較完整的離合器設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

【關(guān)鍵詞】航空傳動系統(tǒng)；離合器；設(shè)計(jì)

1、引言

超越離合器是一種靠主、從動部分的相對運(yùn)動速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換能自動接合或脫開的離合器。超越離合器僅在一個方向上輸入傳遞扭矩，當(dāng)輸入方向相反或者在傳動方向上輸出端轉(zhuǎn)速超過輸入端轉(zhuǎn)速時就自動脫開。

超越離合器按其工作原理可分為棘爪式和摩擦式兩類，摩擦式超越離合器又分為三種：滾柱式超越離合器、斜撐式超越離合器和彈簧式超越離合器，其中滾柱式超越離合器和斜撐式超越離合器在直升機(jī)傳動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，彈簧式超越離合器應(yīng)用較少。本文主要針對滾柱式超越離合器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用展開研究。

2、滾柱式超越離合器的工作原理

滾柱式超越離合器靠楔緊作用傳遞扭矩?；镜臐L柱式超越離合器包括：凸輪軸、一套滾子、保持架、彈簧和外套圈。

凸輪軸截面是等邊的多邊形，邊的個數(shù)與滾子數(shù)相等。滾子在保持架的作用下限位在凸輪上，保持架靠一彈簧/銷機(jī)構(gòu)限位，以使?jié)L子與凸輪和外套圈都接觸。凸輪軸為主動輪，當(dāng)其轉(zhuǎn)速高于外套圈時，滾子被楔緊在小平面與外套圈之間，從而帶動外套圈一同旋轉(zhuǎn)，離合器處于接合狀態(tài)；當(dāng)外套圈轉(zhuǎn)速高于離合器軸時，滾子從楔緊位置脫開，離合器處于脫開狀態(tài)。

3、滾柱式超越離合器的設(shè)計(jì)方法

3.1滾柱式超越離合器設(shè)計(jì)的兩個階段

滾柱式超越離合器設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段和試驗(yàn)驗(yàn)證階段。

超越離合器應(yīng)該設(shè)計(jì)成盡可能小的單元件，符合結(jié)構(gòu)要求。這樣做的主要目的是能夠降低重量和成本，同時通過減小尺寸進(jìn)而減小離心的影響和節(jié)圓線速度的影響。工作中，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時凸輪軸是鎖定的。鎖定位置的應(yīng)力實(shí)際上是穩(wěn)定的，只隨著功率和轉(zhuǎn)速的變化而變化。因此，在設(shè)計(jì)時不需要考慮高周疲勞，但需考慮低周疲勞。

離合器的研制試驗(yàn)包括性能試驗(yàn)、靜扭試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。性能試驗(yàn)考核離合器接合、脫開性能及結(jié)構(gòu)完整性，靜扭試驗(yàn)考核離合器靜強(qiáng)度，疲勞試驗(yàn)考核離合器持久超越工作性能及確定離合器磨損特性。

3.2滾柱式超越離合器設(shè)計(jì)方法

3.2.1初步確定尺寸。在論述初選尺寸方法之前，需確定與離合器設(shè)計(jì)和分析相關(guān)的參數(shù)：

L=離合器滾子長度，mm；n-離合器滾子數(shù)量；R-外軸孔的半徑，mm；T-離合器設(shè)計(jì)扭矩，N?m；ρ-滾子半徑，mm。

滾柱式超越離合器最佳滾子數(shù)量是12或14。最佳滾子數(shù)目應(yīng)與設(shè)計(jì)和制造凸輪的尺寸和幾何因素相適應(yīng)，通常宜采用最大滾子數(shù)目，因?yàn)檫@樣可以減少離合器應(yīng)力，離合器更緊湊。滾子數(shù)量確定后，根據(jù)公式（1）初步確定滾子半徑：

（1）

3.2.2滾子接觸角分析。合理選擇內(nèi)接觸角是滾柱離合器正常工作的關(guān)鍵。咬入角一半的正切值必須小于滾子和凸輪軸之間的摩擦系數(shù)。如果咬入角一半的正切值大于摩擦系數(shù)，滾子不能正確楔入，會“吐出”，就阻礙了扭矩的傳遞。通常初始無載荷嚙合角在3°到5°之間，全載荷嚙合角在5°到6°之間。

3.2.3保持架的抗扭矩設(shè)計(jì)。當(dāng)滾柱離合器超越時，作用在滾子上有兩個基本阻力，如圖1所示。扭矩阻力是滾子轉(zhuǎn)過外套圈上的油膜時由滾動摩擦和粘滯摩擦引起的。滾動阻力是滾子離心力的函數(shù)，離心力隨凸輪軸轉(zhuǎn)速的增加而增大；而粘滯阻力是凸輪軸和外套圈轉(zhuǎn)速之差的函數(shù)。

根據(jù)哪個是傳動元件和哪個元件是超越元件，無論在同速條件下還是在差速條件下，都可能存在粘滯阻力和滾動阻力的最大值。例如，如果凸輪軸是主動元件，在凸輪軸轉(zhuǎn)速最大時滾動阻力最大，粘滯摩擦最小。如果外套圈是主動元件，在全速超越時由于凸輪軸全速運(yùn)轉(zhuǎn)而外套圈不轉(zhuǎn)，粘滯摩擦和滾動阻力都是最大值。

在滾柱離合器中，一般通過彈簧-銷組件施加給滾柱保持架一個力矩以克服由超越滾柱所產(chǎn)生的摩擦阻力。在所有的工作條件下，最小的銷子和彈簧合力必須超過粘滯阻力與滾動阻力，以達(dá)到減少磨損與使得離合器接合平穩(wěn)。

3.2.4外套圈設(shè)計(jì)方法。滾柱離合器外套圈應(yīng)設(shè)計(jì)成能承受住由滾子處法向載荷引起的作用在外套圈內(nèi)孔上的圓周應(yīng)力。超越期間，滾子在外套圈上滾動，如果凸輪軸旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生作用在外套圈上的離心力場。因離合器驅(qū)動時赫茲應(yīng)力高，所以外套圈材料需進(jìn)行硬化處理以獲得高硬度表面。

外套圈上通常設(shè)置一個滑油擋板來保證滾子和外套圈間良好，擋板的高度控制外套圈內(nèi)孔中油面。即使在相對低的轉(zhuǎn)速下，由于離心力對滑油的作用，滑油擋板也會提供一個與旋轉(zhuǎn)軸線平行的油面。在超轉(zhuǎn)時，滾子必須費(fèi)力穿過滑油，因而最好不要有過于高的油面；而滑油擋板太低不能提供充分的。外套圈轉(zhuǎn)速與滑油擋板高度的關(guān)系見圖2。

外套圈本身是“開式”結(jié)構(gòu)，既通常一端以滑油擋板終止，另一端與扭矩傳動鏈相連。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其自身沿滾子長度的變形不相等，常稱為“喇叭口”。為減小“喇叭口”的影響并保持沿滾子長度徑向變形均衡，外套圈橫截面一般是變化的，不同的橫截面將補(bǔ)償不等的徑向變形。

3.2.5凸輪軸設(shè)計(jì)方法

凸輪軸的功能與外套圈相似，它必須承受如同外套圈一樣具有n個均等負(fù)載的滾柱法向載荷，但凸輪軸基本上是受壓縮，而外套圈基本上是受拉伸。

理論上在外套圈內(nèi)滾柱是純滾動，在凸輪軸上滾動是純滑動，這種純滑動對于磨損來說是更為惡劣的環(huán)境，凸輪軸與滾柱之間的接觸應(yīng)力比外套圈與滾柱之間的接觸應(yīng)力要高，因而凸輪軸比外套圈更需要堅(jiān)硬的表面。

凸輪軸內(nèi)腔常用來為離合器的滾動區(qū)域提供油，當(dāng)凸輪軸為輸出元件時，在凸輪軸一直正常旋轉(zhuǎn)的情況下，就能夠通過離心力作用供油，一般的習(xí)慣是每個滾柱至少設(shè)置一個孔。如果轉(zhuǎn)速高，即超過10000r/min.定量可能變成為一個問題，由于孔的位置公差等原因，容易使某一特定區(qū)域缺油。因而在高速條件下，設(shè)計(jì)更為關(guān)鍵。

3.2.6“彈簧/銷機(jī)構(gòu)”設(shè)計(jì)方法

為了斜面滾柱離合器正常工作，另一個重要的考慮因素是銷/彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它使?jié)L子保持著一直與外接觸。不合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會引起銷卡住，既會阻礙離合器在適當(dāng)?shù)臅r候嚙合又會阻礙離合器在適當(dāng)?shù)臅r候脫開。在設(shè)計(jì)銷和彈簧的時候，必須將摩擦力和離心力計(jì)算在內(nèi)。

為保證高速下的平衡，一般在相隔180°的位置上各設(shè)置一個“彈簧/銷”組件。即使在低速下也必須考慮銷子和彈簧離心力的影響，不合適的設(shè)計(jì)可以引起差速超越期間保持架卸載，從而可能導(dǎo)致離合器沖擊接合。銷子一般制成空心，可以減少銷的重量并使重心移動，從而減小摩擦的影響。

3.2.7保持架設(shè)計(jì)

保持架的作用是把滾子安放在適當(dāng)?shù)奈恢?，以便全部滾子與凸輪軸和外套圈接觸，借助于“彈簧/銷”機(jī)構(gòu)施加給保持架的微小扭矩，最大限度迫使其中一個滾子與凸輪軸和外套圈接觸，由于公差的緣故，并非所有的滾柱同時都接觸上。在載荷作用下，零件的變形將迫使全部滾子進(jìn)入完全接觸，超越一段時間后，滾子、保持架和凸輪平面都會磨損使所有滾子在同一時刻精確接觸。

滾柱離合器一般采用偶數(shù)滾柱，以便保持架上的滾柱槽可以采用拉削或其他方法加工。保持架所受到的主要機(jī)械損傷時在滾柱槽側(cè)面的磨損、支撐襯套表面的磨損以及銷子碰撞保持架止動擋的磨損。保持架一定要由凸輪軸來支撐，通常在保持架和凸輪軸之間采用一個中間元件。

保持架的一端具有凸耳，且該凸耳設(shè)計(jì)有能在工作期間與銷子垂直的平面，這個平面作為銷子和彈簧組件的終止擋。用作限位擋的單獨(dú)凸耳位于銷子法向載荷方向的對應(yīng)方向，這種限位擋在正常情況下不起作用，而僅僅在裝配開始期間起作用。當(dāng)轉(zhuǎn)動保持架，使保持架上的限位擋靠著凸輪上的止動擋時，滾柱對準(zhǔn)凸輪上