新型超越离合器寿命测试装置结构设计与仿真

李德军，王焌雄

(1.四川科技职工大学机电研究所，四川成都 610101)(2.四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065)

我国80%以上的轮式装载机装备有超越离合器，由于超越离合器结构及工作方式的特殊性，国内针对超越离合器进行性能测试的试验系统还比较缺乏，因此研制超越离合器性能测试系统，对其进行性能试验，检验其性能参数是否满足标准规定的技术条件是十分必要的，从而可更好地满足日益提高的市场需求［1－2］。

目前，国内外的离合器测试系统多为基于微机控制的试验台，是包括控制系统、检测系统、加载系统、数据采集系统和数据处理系统的综合测试设备［3－9］，这类测试设备结构复杂、体积庞大、价格昂贵。

基于目前超越离合器测试系统的发展应用情况，设计了一种结构简单、体积小、耗能低的超越离合器寿命测试系统，该测试系统利用纯机械结构模拟超越离合器实际工况，运用三维建模和动力学仿真软件进行辅助设计、仿真运行，实现其寿命测试功能。

1 设计方案

1.1 测试装置功能及技术指标

1)测试装置工作原理。利用电机与减速装置输入动力，带动超越离合器正常旋转，通过合理的机械结构使被测超越离合器在旋转过程中不断实现接合与超越两种状态的转换来模拟实际工况，并使超越离合器在接合状态下满足受载要求;一次状态的转换即为一次可靠性试验，连续进行试验，检测每次超越离合器是否正常接合和超越，从而检测超越离合器的寿命。

2)单向离合器技术参数。

①公称转矩:1 500N·m。

②内环超越时的极限转速n:1 000r/min。

③允许总的接合次数(寿命):100万次。

3)实验设备性能指标。

①实验次数:工作循环实验次数不低于100万次。

②超越离合器最大转矩不低于1 500N·m。

1.2 测试装置方案设计

测试装置方案原理如图1所示，从左到右依次为:动力输入系统(1，2)、传动系统(3～9)与加载系统(10，11)。动力输入系统由电机与减速机组成，电机经减速后将动力输入给超越离合器外圈，减速机和齿轮减速保证超越离合器内外圈接合转矩满足技术要求;超越离合器内圈输出动力经过第二级齿轮传动输出到加载系统，加载系统由连杆和拉伸弹簧组成，通过连杆与弹簧机构的圆周运动来实现超越离合器外圈与内圈的接合与超越。图中第二级齿轮起降低转矩、提升转速作用，用于减小加载系统中弹簧的受力，从而降低对弹簧材料和线径的要求。

图1 方案原理图

加载系统原理如图2所示:连杆由输出轴带动绕O1点做圆周运动，其自由端A与弹簧相连，连杆旋转的同时，带动弹簧绕O2点做圆周运动。在此过程中，当连杆从最低点位置，即α从0°顺时针转动到180°时，弹簧伸长量不断增加，储存能量，阻碍超越离合器内圈转动，对其加载，实现超越离合器内外圈接合状态;当连杆从最高点位置，即α从180°转回到最低位置360°时，弹簧伸长量不断减小，储存的变形能释放，帮助超越离合器内圈转动，使内圈速度大于外圈，此时超越离合器内外圈分离，实现超越。这样，连杆每转一圈，超越离合器就实现一次接合与分离的状态转换，模拟其实际工作中的一个循环过程。

图2 加载系统原理图

1.3 系统结构设计

为了满足上述功能要求，基于方案原理图，设计了该实验装置的具体结构如图3所示。传动系统的3根传动轴在同一竖直平面内，轴上安装传动齿轮;传动轴利用滚动轴承固定在两块立板之间，立板利用螺栓与地面条形板固连，地面条形板用地脚螺栓固定在地面上;加载系统中弹簧固定端固定在弹簧轴套上，弹簧轴套与弹簧连接轴之间有滚动轴承，保证二者可相对转动，从而使弹簧绕固定的弹簧连接轴转动;弹簧另一端以相同方式固定在连杆自由端，从而实现方案设计中的运动过程。

图3 试验台三维模型图

该装置的结构特点:

1)该测试装置省去了现有试验台中的控制系统、检测系统、数据采集系统和数据处理系统等［3－9］，利用纯机械结构，合理布置传动轴、齿轮、连杆与弹簧的位置，减小占地面积，结构紧凑，节省材料，大大降低了试验台成本。

2)目前国内外试验台采用的是功率为1kW的伺服电动机［10］、4kW以上的三相异步电动机或变频电机［5，7］，或者中低速大转矩液压马达驱动［11］，而该实验装置采用功率为0.55kW三相异步电动机，大大降低了能耗。

3)试验台加载部分大多采用液压加载方式［10－12］，结构复杂。本实验装置加载部分采用线性弹簧，利用简单元件实现了离合器实际工况的模拟，并且弹簧收缩时的加速运动能加快测试速度，可实现0.9s完成一次接合与超越的循环，即进行一次可靠性试验。

1.4 关键结构参数

为满足超越离合器接合转矩达到1 500N·m及加载部分弹簧强度和变形量要求，电机采用功率为0.55kw、转速为1 390r/min的三相异步电动机，传动部件及加载部件主要参数见表1、表2和表3。

表1 传动部件参数

表2 齿轮参数

表3 加载部件主要参数 mm

连杆长度L已知，当弹簧刚度K确定时，连杆所受弹簧产生的转矩T的大小取决于函数F(α)，)，利用MATLAB软件，使目标函数F(α)取最大值，编制目标函数文件，约束条件 α 取(0°，360°)，计算结果为:α ≈ 103°时，F(α)值最大，此处弹簧产生的转矩T最大。

电机以额定功率输入时，各轴的输入功率为Pi=P×ηi，P为电机功率，ηi为电机功率传递到各轴的传动效率，输入轴、中间轴、输出轴的功率、转速、转矩值见表4。

表4 传动轴参数

中间轴上的转矩为1 578.6N·m，满足超越离合器内外圈接合时输入转矩达到1 500N·m的要求;由于各传动轴所受的弯矩相对于转矩来说比较小，各传动轴以传递转矩为主，故按许用切应力计算各轴强度，确定各轴直径;对齿轮进行齿面接触疲劳强度计算与齿根弯曲疲劳强度验算，以保证齿轮满足强度要求，保证装置可靠性。

2 动力学仿真

2.1 仿真对象及建模

在ADAMS动力学软件中，该测试装置动力学仿真模型如图4所示，对关键零件施加正确运动副关系来建立模型，材料都设置为钢。零件连接关系见表5，弹簧力建立在弹簧连接轴a与b之间。

本次仿真模型的最初状态为连杆初始位置在其最高位置，即α=180°处。试验分为2步:

步骤1，给小齿轮a添加一个转动输入，转速为23.56 r/min，测试连杆的转速。连杆转速随时间的变化曲线，即超越离合器外圈的转速变化曲线如图5所示。

图4 测试装置动力学仿真模型

表5 零件连接关系

图5 内外圈的转速变化曲线

步骤2，取消步骤1中的转动输入，给予弹簧在电机带动下的初速度 n0，n0=23.560r/min，使连杆从最高点开始转动，测试连杆转速随时间的变化曲线，即超越离合器内圈的转速变化曲线，如图5所示;同时测试连杆所受的弹簧法向分力Fn随时间的变化曲线，即超越离合器内圈的转矩变化曲线，如图6所示。

在步骤2的运动过程中，弹簧通过法向分力Fn给连杆施加转矩，由于连杆长度L确定，即力臂不变，所以Fn随时间变化曲线即可反映超越离合器内圈所受的转矩变化情况，转矩可根据公式T=Fn×L得到。通过调整弹簧刚度系数与预加载荷，使得Fn为最大值时能保证超越离合器接合转矩Tmax达到1 500N·m，从而满足超越离合器受载要求。分析图5中超越离合器内外圈转速变化曲线，当内圈转速低于外圈时，二者为接合状态;当内圈转速高于外圈时，二者为超越状态，从而验证了测试装置可使超越离合器正常完成接合与超越。

图6 F n随时间t变化曲线

2.2 仿真结果及分析

对比分析超越离合器内外圈转速变化曲线，可以看到，连杆从最高点开始运动，一个运动周期内，当t=0s时，内外圈转速均为23.56 r/min;在t=0～0.36s时间内，内圈速度高于外圈，内外圈处于超越状态;当 t=0.36s时，连杆在 α ≈103°处;在t=0.36s之后，内圈速度低于外圈，内外圈处于接合状态，即α从约103°至180°的过程中，内外圈同步旋转，转速为23.56r/min，，接合时间 t2=(180－103)/141.36≈ 0.54s，因此一个测试周期时间约为0.9s。若测试100万次，所需时间约为250h。

调整弹簧刚度系数与预加载荷，当弹簧刚度系数取1.43N/mm、预加载荷为715N时，超越离合器内外圈接合时Fn的峰值为365N，即加载到输出轴上的最大转矩为182.5N·m，此时超越离合器所受转矩最大，内外圈接合转矩达到最大值1 578.6N·m，满足技术要求。

3 结束语

本文设计了一种结构简单、体积小、耗能低、成本低廉的超越离合器寿命测试系统。该系统省去了目前大型综合测试台的控制系统与检测系统等复杂的部分，利用纯机械结构实现其功能，可更方便地投入到实际应用中。通过建模与仿真，验证了该系统的超越离合器寿命检测功能。进一步研究中可对该系统的结构参数进行优化，使其耗能更小，测试时间更短。

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