弧块-滚柱式低副超越离合器的研究.pdf

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1、第 3 9卷第 1 1期 2 0 0 7年 1 1月 哈尔滨工业大学学报 J OUR NAL OF HARB I N I NS T I T UT E O F I EC HNOL OGY V0 1 3 9 No 1 1 NO V 2 O o 7 弧块 一滚柱式低 副超越 离合器的研究 薛 渊，陆念力，曲秀全 ， 胡长胜 ， 王树春 ( 哈尔滨工业大学 机电工程学院， 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ， E m a i l ： x y w h k s i r r a c o m) 摘要 ：针对传 统超越 离合器 的运动 副效率低 、 功率小、 寿命 短 的问题， 提 出了弧块 一滚柱 式低 副超越

2、 离合 器 对其主要结构、 工作原理、 自锁条件、 传动能力、 接合效率和启闭特性进行 了研究实例计算表明， 弧块 一 滚柱式超越离合器与同等尺寸的传统滚柱式超越离合器相比， 具有较大的传动能力和较高的接合效率 同 时， 试验证明了该离合器具有 自锁可靠， 启闭灵敏， 传动能力大和抗冲击能力强等优点， 为解决超越离合器的 性 能问题提供 了新的途径 关键词 ： 脉动无级变速器； 弧块 一滚柱式超越离合器； 低副； 接合能耗 中图分类号 ： T H1 3 3 4 文献标识码 ： A 文章编 号： 0 3 6 7 6 2 3 4 ( 2 0 0 7 ) 1 1 1 7 3 6 0 4 Re s e

3、 a r c h o n a r c b l o c k r o l l e r t y p e o f l o we r p a i r o v e r r u nn i n g c l ut c h X U E Y u a n ， L U N i a n l i ，Q U X i u q u a n ， HU C h a n g s h e n g ，WA N G S h u c h u n ( S c h o o l o f Me e h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， H a r b i n I n s ti t u t e o f T

4、e c h n o l o g y ，H arb i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ， E m a i l ： x y w h k s i n a c o m) Ab s t r a c t ：Ai me d a t t h e p r o b l e m o f 1 O W e f fic i e n c y，s mal1 p o we r a n d s h o r t s e r v i c e 1 i f e f o r t r a d i t i o n al o v e r r u n 。 n i n g c l u t c h e s ， a n e w t

5、 y p e o f l o w e r p a i r o v e r r u n n i n g c l u t c h w i t h a r c b l o c k r o l l e r w a s r e s e a r c h e d T h e n a n a l y z e d i t s ma i n s t r u c t u r e s，t h e wo r k i n g p rin c i p l e，c a p a b i l i t y o f t r a n s mi s s i o n，e f fic i e n c y o f g e a rin g an

6、 d t h e p r o p e rty o f o p e n a n d c l o s e T h e c alc u l a t i o n s o f e x a mp l e s r e v e ale d t h a t t h e c a p a b i l i t y o f t r a n s mi s s i o n a n d t h e g e a r i n g e ff i c i e n c y o f the s u g g e s t e d o v e r r u n n i n g c l u t c h e s we r e h i g h e r

7、 t h a n t h o s e o f t h e e q u a l d i a me t e r o f t r a d i t i o n al r o l l e r O v e r r u n n i n g c l ut c hAn d t h e r e s u l t o f t e s t v e rifi e s t ha t t h e s u g g e s t e d o v e r r u n n i n g c l u t c h e s h a v e t he a d v a n t a g e s o f h i g h t r a n s mi s

8、s i o n mo me n t ，s e n s i t i v e n e s s o f o p e n i n g an d c l o s i n g，h i g h r e l i ab i l i t y o f s e rf- l o c k，a n d be t t e r r e s i s t a n c e t o i mp a c t ，t h u s p r o v i d e s a n e w wa y t o i mp r o v e t he f u n c t i o n o f o v e r r u n n i n g c l u t c h Ke

9、y wo r d s：p u l s e CVT；Ar c b l o c k r o l l e r t y p e o f o v e r r u nn i n g c l u t c h；l o we r p a i r ；g e a rin g c o n s u mp t i o n e ne r g y 自从一种新型脉动无级变速器于上世纪中叶 问世以来 ， 对脉动无级变速器的研究和开发一直 成为热点 它的关键部件是超越离合器 脉动无级 变速器的许多性能取决于超越离合器的性能 高 副超越离合器具有转矩小、 刚度小及寿命 短等缺 点 ， 限制了脉动无级变速器传递力 、 工作效率和使 用

10、寿命l 1 由于高副离合器 自身缺陷， 在性能上 很难有重大 的突破 近年来 ， 对低副超越离合器的 研究和开发 成为热点课题 l3 J 本文在传统滚 柱 式超越离合器的基础上， 研制了具有较好传动性 收稿 日期 ： 2 0 0 51 02 0 基金项 目： 黑龙江省 自然科学基金资助项 目( E 2 0 0 6 1 6 ) 作者简介 ： 薛渊( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 博士研究生 ； 陆念力( 1 9 5 7 一 )， 男 ， 教授 ， 博士生导师 能的弧块 一滚柱式低副超越离合器 1 基 本 结 构 弧块 一滚柱式低副超越离合器的基本结构如 图 1 所示 ， 在滚柱式超越离合器

11、 的滚柱 3上安装 上弧块 2及在滚柱 3的下面装上滑块5 弧块 2与 外环 1 ， 滚柱 3与弧块 2 、 滚柱 3与滑块 5的运动 副均为转动副； 滑块 5与内星轮 6为移动副 故整 个机构的全部运动 副均是低 副 压缩弹簧 4的预 紧力使弧块与外环之 间有一定 的起始摩擦力 当 外环 1 逆时针转动时是工作工况 ， 由于产生 自锁 ， 通过弧块、 滚柱 、 滑块把力矩传递给内星轮； 当外 环顺时针转动时是超越工况 ， 内星轮 6不转动 滚 柱 3十分重要 ， 只有滚柱 3的存在 ， 才能使弧块 2 维普资讯 http:/ 第 1 1 期 薛渊，等： 弧块 一 滚柱式低副超越离合器的研究

12、与外环 1 在工作变形时 ， 良好接触 1 一 外环 ； 2 -弧块 ； 3 -滚柱 ； 4 - 弹簧； 5 一滑块 ； 6 一 内星轮 图 1 弧块 一滚柱式超越离合器工作简图 2 自锁原理 分析 由于运动副为低副， 为便于分析 ， 假设如下 ： 1 ) 离合器各构件均为刚体 ； 2 )弧块与外环接触面为 a面， 在其上 的合力 在某点 A处 ； 滑块与内星轮接触面为 b面 ， 其上的 合力作用点于该接触面某点 处 ； 3 ) A点的切线与 点的切线形成的锐角为楔 角 如果离合器 自锁 ， 弧块与外环不相对滑动， 即 必须满足 F 。F 。 ( 1 ) 式中： 为弧块与外环滚道 的滑动摩擦

13、系数 ； F 。 、 F 。 分别为 a面合力 的切向力和法 向力 在 自锁状态下 ， 可把弧块 、 滚柱和滑块视为整 体 那么， 在 方 向上其合力为 0 ， F x =0 ， 即 F。 t C O S 一 F F。 s i n =0 ( 2 ) 式中： F 为在移动副上摩擦力 ， 由于自锁 ， 滑块有 向左运动的趋势 ， 故 F 的方向向右 由F ， = 0 得 F6 = F。 C O S + F。 t s i n ， 由摩擦力的定义可得 F = b F = 6 ( F 。 C O S +F 。 t s i n ) ( 3 ) 式中： 为滑块与内星轮的摩擦系数 将式( 3 ) 代人式 (

14、2 )可得 = F C O S s i n ( 4 ) + 。 。 将式( 4 ) 代人( 1 ) ， 整理得 。：a r c t a n ( 5 ) 1十“口“6 式( 5 )是滚柱式低副超越离合器 的自锁条件 ， 为临界 自锁角 当楔角 时 ， 就构成 自锁 ， 否 则 ， 离合器不能 自锁 。 取决于 。 和 当 。 越 大 ， 越 小 时 ， 。越 大 ， 对 离 合 器 越 有 利当 。 时， 0， 即离合器不可能存在 自锁楔 角 对于钢可取 。=0 1 4 ， =0 0 5 ( 接触面抛 光)可得 =5 1 。 当 5 1 。 时， 离合器 自锁 、 在设计上可把弧块做成对称 ，

15、这样 ， 弧块的受 力也是对称的 ， 故 A点在弧面的中点 3 传动能力的分析 3 1 传动转矩的计算 为方便起见 ， 做出如下假设 ： 1 ) 外环和内星轮有足够 的刚度和强度 ， 使其 不能产生变形失效和断裂破环 ； 2 ) 滚柱表面是光滑 的； 3 ) 离合器的失效是强度破坏 从力学关系可知 ， 最危险接 触面在滚柱的接 触面上 由假设 2 ) 及力学原理可知滚柱所受的合 力必过其圆心， 且其大小F= + ， 故滚柱 所受的压应力为 ： 掣 ( 6 ) = 一 t o J D 式 中： l , b 分别为滚柱有效接触宽度和有效长度 有效接触宽度可用滚柱直径来 表示 ， 即 Z=v d ，

16、 V( 0 ， 1 ) ， V取决 于具体 结构及合力 的方向 当 弧块或滑块对滚柱的包角为 订时 ， 可近似得 到 V =a r c t a n ( F 。 F 。 ) 丌 把式( 4 )代人式( 6 )后 ， 再 代人 a=v d ， 可得 。 F 。 1 一d b。 L ) 1 式 中： ：丁 V 6COS 十si n 设离合器所受转矩 为 ， 弧块数为 ， 外环直 径为D 那么有切向力 F 。 =2 T z D， 代人式( 7 )得 滚柱的压应力与转矩关系的计算公式 ： 2 ， ( 8 ) 3 2 与滚柱式离合器比较 根据赫兹公式 ， 传统滚柱式超越离合器 的最 大压应力在滚柱与 内星

17、轮的接触线上 ， 其最大的 压应力为 4 厂 一 一 0 8 3 6 ( 9 ) 式中： E为综合弹性模量 弧块 一滚柱式低副超越离合器是在传统滚柱 式超越离合器的基础上改造而成 为使二者有可 比性， 设二者的内星轮和外环构造的尺寸相同， 而 只有滚柱的直径不 同 并假设两个离合器所受 的 转矩相 同 比较式( 8 ) 和式( 9 ) 可得 维普资讯 http:/ 1 7 3 8 哈尔滨工业大学学报 第 3 9卷 =B 6 r h ( 1 O ) 式中： 、 分别为传统滚柱式超越离合器的滚 柱压应力和弧块 一滚柱式低 副超越离合器 的压 应力 由下式决定 ： 厂_ = i一 。 5 1 ta

18、n 1 L 2 其中： c 为两滚柱直径之比， c=d j d 2 ； 为滚柱 式超越离合器的楔角 把式( 1 O ) 改写为 ： ： ( 1 1 ) = = 1 J h r 式 中： 为传统滚柱式超越离合器 的压应力与弧 块 一滚柱式低副超越离合器的压应力之比 根据式 ( 1 1 ) ， 虽然 是 的单调递减 函数 ， 但 较大 ， 在 的许用范围之内 ， 还是很大的 例如 ， 取 l=5 。 ， 2=8 。 ， c=0 6 7 ， =0 4 ， 钢的 弹性模量 E=2 0 11 0 MP a 此时 ， B：1 9 3 ， 与 的关系曲线如图2所示 从图2可看 出， 同样尺 寸的两种离合器

19、， 受到相同转矩时 ， 其受到的应力 大不相同， 在常用许用应力下 ， 传统滚柱式离合器 受到应力是弧块 一滚柱式低副超越离合器应力 的2 O 8 O倍 口 MP a 图2 两种离合器应力 比与许用应力的关系 4 开合特性及接合效率分析 4 1 开合特性 超越离合器的闭合特性 ， 即自锁灵敏性和 自 锁可靠性 只要弹簧使弧块和外环充分接触即进 人 自锁状态 ， 而随着转矩不断增大 ， 离合器能否 自 锁将取决于楔角是 否在 自锁角范围之 内 而楔角 变化程度将取决于离合器的刚度 弧块 一 滚柱式 低副超越离合器 由于是面接触 ， 刚度大 ， 变形小 ， 必然有较好自锁眭能 在设计上， 可使弹簧

20、同时顶 在弧块和滑块上， 保证 了在高速接合状态中， 弧块 一 滚柱体始终保持一个整体 ， 在后文的静载试验 和可靠性试验中得到体现 开启性能同样主要取决于离合器的刚度 刚 度小 ， 开启行程大 ， 有时甚至需要外力才能使离合 器进入超越工况 反过来 ， 刚度越大 ， 开启行程短 ， 超越工况灵敏 弧块 一滚柱式低副超越离合器刚 度大 ， 有优越的开启性能 4 2 接合效率分析 超越离合器的效率 由多部分组成 ， 其 中， 接合 过程的效率是一重要组 成部分 ， 特别在脉动无级 变速器中， 由于频繁接合， 其接合效率尤为重要 在力矩 作用下 ， 构件产生变形 ： 弧块 、 滚柱和滑 块受压、

21、缩小 ， 其有效压缩量为 A h ； 外环受拉， 有 效内径增大 ； 内星轮受压 ， 其半径缩小 导致滑块 向左滑动 A a ， 同时， 弧块相对滚柱顺时针转过一 个角度 A 0 由于摩擦的存在， 在接合过程有功率 损失 当忽略 了外环和内星轮的变形 ， 利用几何关 系得到 A a和 A 0 ( 限于篇幅不予推导 ) A a= ( +口 ) t a n 0+2 ( h+口 ) A hA h 一 ( h+口 ) t a n 0 ， A0 = 如不计结构阻尼 的影响 ， 弹性变形产生的能量在 超越工况时会全部释放 故接合时， 功率损失仅为 摩擦做功 接合功损失量可表示为 =0 5 n F a (

22、口+A O r 1 ) ( 1 2 ) 式中： 口 为离合器中心到内星轮边的距离； 为滚 柱数 ， 如 n=6 ； 为弧块机构 的名义高度 ， 如图 1 所示 同理 ， 对于滚柱式超 越离合器 ， 在转矩作用 下 ， 滚柱 向左滚动一段距离 在滚动过程中， 其接 合功率损耗主要是滚柱相对 内星轮滚动和外环滚 动产生的摩擦功 在转矩 作用下， 损耗功率可近 似地表示 为 = = A O n ( R _ r ) s in 詈 1 3 ) 式中： 为楔角的变化量_ 6 ， A0 = 式 中： r 为滚柱半径 的压缩变形量； 为滚动摩 擦系数 由式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 可知， 如 和 r

23、 确定即 可计算 和 以某滚柱式超越离合器及在其基础上改造而 成的弧块 一滚柱式超越离合器为例， 进行接合功 率损失的计算 摩擦 系数 = =0 0 5 ， 。= 0 1， n ： 6， T = 6 N m ，Ah = 0 28 1 0m ， A r=0 4 51 0 m( 采用 有限元软件 AN S Y S计 算 ) =5 6 41 0 J 和 =2 8 81 0 J 可 维普资讯 http:/ 第 1 1 期 薛渊 ， 等 ： 弧块 一滚柱式低副超越离合器的研究 见滚柱式超越离合器 的接合损 失功是弧块 一滚 柱式超越离合器 的5 倍 反过来 ， 弧块 一滚柱式超 越离合器的接合效率大于滚

24、柱式超越离合器 5 若干性能 的试验 采用某滚柱式离合器基本结构 ， 去掉原有结 构的滚柱 ， 换上较小的滚柱 ， 并在滚柱上 、 下分别 安装弧块和滑块 ， 如图 4所示 基本数据如下 ： 外 环内径 D =3 3 mm， 内星轮为正六棱柱 ，其外 切 于圆的直径 2 0 5 mm， d：4 m m， ( 源结构滚柱为 6 m m) ， 长度 Z=6 3 mm， =5 。 ， 弧块 的宽度为 6 mm 图4 由滚柱式离合器改进而成的弧块 一滚柱 超越离合器 5 1自锁试验 在试验 中， 不断改 变 ， 当滑块 和 内星轮 的 摩擦 系数 与弧块和外环的摩擦系数 。 基本相 同时 ， 离合器不

25、能 自锁 当不断抛光滑块与 内星轮 的接触面 ， 使其摩擦系数减少到一定程度之后 ， 离 合器产生 自锁 这证 明了前文建立 的 自锁原理的 数学模型是正确的 5 2 静载传动能力的试验 静载试验 中， 把 内星轮 固定 ， 外环 加载荷到 7 0 N m时， 结构无破坏 ， 接触 面无压痕， 自锁可 靠； 卸载后超越工况灵敏 5 3润滑油浸泡环境 中试验 在离合器的弧块上 ， 开有若干卸油槽 ， 消除了 动压油模的形成 ， 避免 了摩擦系数损失而导致 自 锁失效 实验表明， 把开有卸油槽 的离合器侵入油 中能产生良好 自锁效果 ； 而无卸油槽者不能产生 自锁 这表明有卸油槽的滑块 一滚柱式低

26、副超越 离合器完 全可以运用 于润滑 油侵没的环境 中工 作 ， 扩大了使用范围 5 4 可靠性试验 把该超越离合器安装于功率为 5 5 k W， 转速 为 3 0 0 0 r m i n的某大型振动器 的单 向传动轴 中 进行试验 在工作 中， 超越离合器承受振动器传来 的不确定的脉动转矩为 0 5 3 N m 超越离合器 运行正常 6 结 论 1 ) 结构简单、 制造 成本低 只需在传统 的滚 柱式超越离合器的基础上 ， 在滚柱上面和下面分 别安装弧块和滑块即可， 易于设计加工或对现有 滚柱式离合器进行改造 2 ) 由于运动副是低副接触， 其接触应力小， 不需要高性能的材料及高要求 的热处

27、理工艺 ， 故 降低 了制造成本 3 ) 传递转矩大 ， 寿命 长， 效率高 由于所有运 动副均为低副 ， 降低接触应力 ， 提高离合器 的传动 能力和使用寿命 ， 同时提高了离合器 的接合效率 4 ) 可在润滑油浸泡环境中使用 5 ) 弧块 一滚 柱式 低副超越离合器是 由高副 改为低副的新型离合器 ， 对于解决脉动无级变速 器关键部件超越离合器 的性能问题 ， 提供一 个新的途径 参考文献： 1 曲秀全脉动无级变速器及弧块式超越离合器的应 用研究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 5 2 黄靖远， 李平林 ， 庄企华 ， 等挠性环面接触式超越 离合器 的原理及应用 J 机 械工

28、程学报，1 9 9 5， ( 1 2) 7 37 7 3 曲秀全， 陆念力 ， 戴恒震一种新型楔块式低副单向 超越离合器 J 机械工程学 报，2 0 0 4， 4 0 ，( 1 ) ： 1 951 98、 4 钮心宪滚柱式超越离合器的设计 J 交通部上海 船舶运输科学研究所学报 ， 2 0 0 3( 1 2 ) ： 6 5 7 0 5 杨可贞， 程光蕴 机械设计基础 M 第四版北京： 高等教育出版社， 1 9 9 8 6 薛渊， 陆念力， 王树春滚柱式超越离合器 自锁失效分 析及其设计对策 J 机械传动， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 7 8 8 0 ( 编辑杨波 ) 维普资讯 http:/