异形辊子超越离合器锁止疲劳试验机的设计

铁晓艳，侯亚新，张振潮，蒋峰

(1.洛阳轴研精密机械有限公司，河南 洛阳 471039；2.国家轴承质量监督检验中心，河南 洛阳 471039)

随着轴承新产品的大量开发，对轴承的各种试验技术方法、试验装置改进、数学模型的建立、失效数据和非失效数据的处理和变换、试验机的控制技术、各种试验信号等物理量的拾取精度和反映速度、自动控制技术等等，都提出了越来越高的要求，这既是未来轴承试验技术的难点，也是发展趋势。

对于特种离合器轴承，如异形辊子超越离合器轴承，目前仍缺乏相应的关键试验技术及试验设备，不能精准的对离合器轴承进行模拟试验，无法对其工作疲劳寿命、性能等技术参数进行分析。因此，非常需要研究和设计针对异形辊子超越离合器轴承的试验机构，以模拟其运转工况，并对其寿命、性能进行评定和验证。

1 异形辊子超越离合器轴承的结构与原理

异形辊子超越离合器结构如图1所示，其工作原理与单向离合器相同。单向离合器轴承使用单元一般由球轴承和楔块式单向离合器组成，球轴承承受径向力，楔块承受扭矩，两者组合起来从而实现单向旋转、摆动分度及正逆和超越的功能[1]。异形辊子超越离合器轴承当外圈顺时针旋转时，各异形辊子向左倾斜，内、外圈和异形辊子处于自由状态，外圈空转，此时离合器处于自由状态(图1a)；当外圈逆时针旋转时，外圈和异形辊子接触而产生摩擦力，各异形辊子向右倾斜，内、外圈与其强力啮合，传递扭矩，此时离合器处于锁止状态(图1b)。如果外圈由另一系统带动与内圈同向转动，当外圈转速低于内圈时，离合器自动结合；若外圈转速高于内圈转速，则离合器自动分离，形成离合器的超越性能。

(a) 自由状态 (b) 锁止状态1—内圈；2—保持架；3—楔块异形辊子；4—带状弹簧；5—外圈

2 锁止试验的内容与原理

2.1 主要技术参数

锁止疲劳试验机旨在模拟斜撑式离合器的工况，并对外圈转角、内圈扭矩进行采集。其主要内容是：不同载荷条件下，完成离合器轴承的加载→卸载→转位→再加载→卸载→转位的循环疲劳试验过程；或可按照一定的试验周期进行试验。

根据被试离合器轴承的尺寸范围，将被试轴承分为小型和中型，试验参数见表1。

表1 试验机各项技术参数

2.2 锁止试验的工作原理

内圈由工装锁定在试验轴系上，通过螺旋液压摆动油缸加载，施加一定扭矩，实现内圈的旋转，同时利用逆止器的工作原理使外圈逆止，从而实现离合器轴承的单向旋转；当内圈工作一定时间后，液压摆动油缸经液压比例阀调节卸载，使离合器轴承处于自由状态，通过伺服电动机带动外圈试验轴系旋转预定的转位角，实现转位功能；随后继续对内圈加载→卸载，对外圈旋转→逆止，实现离合器轴承使用工况的模拟试验。试验过程中对接合转角的变化、试验循环次数和加载扭矩进行实时监测，测试离合器轴承所能承受的最大扭矩，检验其疲劳程度。离合器轴承锁止疲劳试验机传动结构如图2所示。

1—螺旋液压摆动油缸；2—扭矩传感器；3—角度编码器；4—内环工装；5—被试离合器轴承；6—外环工装；7—角度编码器；8—逆止器；9—固定架；10—伺服电动机；11—支撑

3 锁止疲劳试验机的设计

3.1 主要构成

异形辊子离合器轴承锁止疲劳试验机主要由试验主体、试验轴系、油缸摆动加载系统、润滑系统、电器测控系统、微机监控系统等组成[2]，如图3所示。

图3 锁止疲劳试验机结构组成

3.2 主体结构

主体结构分为3个部分：(1)逆止单向转动部分。充分利用逆止器的特性，在轴承旋转过程中，摆动油缸对内圈施加一定扭矩，而限制离合器轴承外圈的单向转动；同时，由伺服电动机直联带动离合器轴承外圈向另外方向旋转任意角度，完成“转位”的试验要求，并能连续旋转不同的角度，且通过角位移编码精确检测。(2)试验加载部分。通过螺旋摆动加载油缸输出扭矩，同轴输入传递给离合器轴承内圈，扭矩大小通过液压比例调节，最大扭矩可达10 000 N·m。(3)试验数据的采集部分。由同轴扭矩传感器检测采集施加的扭矩，2个同轴角位移编码器分别实时检测、采集离合器轴承内、外圈的角度变化值。试验主体结构如图4所示。

1—摆动加载油缸；2—支座；3—扭矩传感器；4—角度编码器；5—工装支承；6—工装；7—逆止器；8—拖板；9—伺服电动机；10—护罩；11—进给手轮；12—振动变送器；13—温度传感器；14—润滑装置；15—回油通道

3.3 加载系统

由于锁止试验施加的载荷较大，且要求平稳、可靠地施加扭矩，因此采取液压加载方式，通过比例减压阀控制和调整载荷大小。液压加载系统如图5所示。在加载时，要求轴承外圈可靠固定，同时在卸载后又能迅速相对内圈可任意转动。故采用胀紧套固定外圈，通过逆止器的大扭矩逆止作用使外圈被固定(逆止)；卸载后，根据单向离合器的工作原理，外圈可自由地相对内圈反向任意旋转。

1—油箱；2—液压泵；3—压力表；4—换向阀；5—回转摆动油缸；6—回路滤油器；7—比例减压阀

3.4 电控系统

试验机电控系统采用西门子PLC控制，施耐德电气元件，采用VB6.0进行软件编程，操作界面为按钮+触摸屏操作模式。在完成离合器轴承的循环试验过程中，实时地对接合转角的变化、试验循环次数、加载扭矩等重要参数进行监测，并记录数据，以充分反映离合器轴承的工作状态[5]。电控系统如图6所示。

图6 试验机电控系统简图

3.5 锁止试验机工装的设计与校核

3.5.1 试验工装的设计

机械结构的设计充分考虑了试验轴承的拆装和工装的更换，将离合器内圈与内圈传动轴合为一体(内圈工装)，内圈工装根据离合器轴承内径尺寸更换相应尺寸的轴，无需考虑其他连接件的性能等问题。离合器轴承内圈工装和外圈工装采用胀紧套完成试验轴系上零件的连接，便于快速拆装，且提高了试验机的同轴度、压紧等技术要求。外圈结构不变，根据不同尺寸的离合器轴承，通过增加外圈工装的厚度，使用胀紧套传递扭矩。设计的离合器轴承工装(图7)试验中无需更换胀紧套和传动轴，通过改变内圈工装和外圈工装的尺寸即可实现对不同尺寸离合器轴承的疲劳寿命试验。

1—传动轴；2，5—胀紧套；3—内圈工装；4—被试离合器；6—外圈工装；7—外圈传动轴

3.5.2 内圈工装轴的校核

根据锁止试验施加的最大扭矩，对与离合器轴承相配合的轴进行扭转强度和扭转刚度的有限元分析[3]，以优化试验轴系的结构。小、中型大规格工装轴在最大扭矩2 000和6 000 N·m作用下的强度和刚度的分析如图8、图9所示。图8显示，工装轴所受最大扭转强度为341 MPa≥55 MPa(轴材料为40Cr)[4]，最大扭转角为7.7×10-6(°)/m≤0.25～0.5(°)/m，满足强度、刚度要求。图9显示，工装轴所受最大扭转强度为215 MPa≥55 MPa，最大扭转角为2.64×10-8(°)/m≤0.25～0.5(°)/m，满足强度、刚度要求。

图8 小型大规格工装轴的强度和刚度分析

图9 中型大规格工装轴的强度和刚度分析

3.6 试验机的造型

根据离合器轴承的使用工况，考虑其工作中的使用要求和影响因素，用三维技术对试验机进行造型[6]，以更直观的对离合器轴承的机械工装进行分析和改进。并利用三维动画模拟离合器轴承的加载→卸载→转位→再加载的循环试验过程，从而对其机械结构进行整合和改进。离合器轴承锁止试验机外观如图10所示。

1—下箱体；2—油缸支承座；3—油缸；4—扭矩传感器；5—角度编码器；6—内环轴固定块；7—上箱体；8—外环轴固定块；9—逆止器；10—伺服电动机；11—拖板；12—丝杠；13—光杠；14—手轮；15—接油箱；16—床身

4 试验参数的处理

将不同型号的斜撑式离合器轴承安装在试验机上分别进行锁止疲劳试验，并按照正确的旋转方向使其处于锁止状态，通过累计50万次循环试验过程，模拟斜撑式离合器轴承的工作实况，监测锁止试验中的温度、振动、接合转角、摩擦扭矩和加载扭矩等一系列参数的变化。

4.1 时间与转位角的关系

对内圈施加载荷，最大2 000 N·m(小型轴承)，外圈在伺服电动机的带动下旋转，设定1s可转动10次，1次可转动角度为2°，则1s转动角度为20°，从而可得出时间与转位角的关系，如图11所示。

图11 时间与转位角的关系

由图可知，理论值为一条直线y=kx(k为常数，与设定的旋转次数有关)，而实际监测得到的是一条逐渐陡峭的曲线。因为随着时间(次数)的增加，转位角不再遵循一定的规律，而是有所增大，因此更加真实地反映了离合器轴承在循环试验过程中的实际工况，由于磨损而造成转位角的增大，产生疲劳失效。

4.2 时间与扭矩的关系

设定加载→卸载→转位的过程为一次，1 s加载10次，将50万次分为5个阶段，分别为1 000，5 000，10 000，30 000和50 000 s。每个阶段加载的扭矩值不同，将扭矩值等分为5等份依次施加，扭矩传感器检测到的时间与扭矩的关系如图12所示。

图12 时间与扭矩的关系

5 结束语

介绍了异形辊子超越离合器轴承锁止疲劳试验机的总体设计，模拟了离合器轴承在不同载荷下的加载→卸载→转位→再加载的循环试验过程，充分体现了离合器轴承在锁止状态下所能承受的最大扭矩，并实时采集了循环加载过程中的温度、振动、角度等参数。该试验机针对性强，功能专一，能够准确了解异形辊子超越离合器轴承的实际工况，并对疲劳寿命进行分析，可以为单向离合器轴承产品的开发提供设计依据。