离心接合型超越离合器磨损特性分析及解决方法

李慎华，郭鑫，韩涛，郭振伟，杨立光

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

对于要求离合器具备随时传递扭矩功能的机械，应将离合器的斜撑块设计成离心接合型，因为此类离合器具有所有转速下进行动态接合的能力，既能很大程度地减少启动时间，又能提高启动的可靠性。另外，离心接合型斜撑块降低了对弹簧弹力的依赖，即使弹簧在使用过程中出现弹性衰减，斜撑块仍能在离心力作用下与内圈接合，正常传递扭矩。针对离心力增加斜撑块与内滚道的接触应力，使斜撑块磨损加快的问题，可在离合器内保持架上安装阻尼簧片，外保持架上安装阻尼卡来解决。

1 离心接合型离合器的结构

离合器在初始工作状态，由于弹簧的作用力会使斜撑块与内外圈接触，斜撑块与外圈接触点是离合器在超越和传扭时斜撑块旋转的支点(图1)，该支点与外圈中心的连线为接触线H。离心接合型斜撑块的质心G位于接触线H右侧(当质心位于接触线H左侧时，离合器为离心脱开型)。

图1 离心接合型斜撑块的质心位置

2 离心接合超越离合器磨损特性分析

2.1 离心力对斜撑块与内圈接触应力的影响

斜撑块的离心力为[1]

式中：m为单个斜撑块的质量，kg；L为旋转支点到斜撑块质心的距离，mm；ne为离合器外圈转速，r/min。

斜撑块的受力示意图如图2所示。图中，偏心距e为质心G到接触线H的垂直距离。当外圈旋转时，斜撑块形成一个旋转力矩Ms(Fc×e)，增加了斜撑块在内圈上的接触应力。离合器处于传扭状态时，该接触应力能够增加斜撑块与内圈的摩擦力，使启动时间更短;但是离合器处于超越状态时，该接触应力会加速斜撑块与内圈的磨损。

1—外圈；2—外保持架；3—带状弹簧；4—内保持架；5—内圈

2.2 斜撑离合器差速函数的理论磨损系数

超越状态下离合器斜撑块的磨损是离合器使用中最主要的失效形式,磨损程度与工作圆弧面的接触应力、斜撑块与内圈的相对转速差有关,这2个参数随着输入和输出元件之间差动速度的变化而变化。差动函数理论的磨损系数曲线如图3所示，该曲线是基于假设磨损与接触应力和转速差的乘积成正比关系为前提，由斜撑离合器推导而来。

由图3可知，当低速输入高速输出时，斜撑块与内圈间滑动速度虽高，但由于与接触应力成平方关系的离心力很小，斜撑块与内圈接触应力不大，斜撑块的磨损不严重;随着输入速度增加，斜撑块与内圈的滑动速度虽然减小，但由于离心力引起的斜撑块与内圈的接触应力加速更快，斜撑块的磨损速度会明显增加，当输入速度/输出速度为67%时，磨损系数达到最大值，斜撑块的磨损最严重；此后，随着输入速度的增加，斜撑块与内圈的滑动速度变成主要磨损因素，系统的磨损系数降低，斜撑块磨损速度减弱，闭锁接合状态下斜撑块不再发生磨损。

图3 斜撑离合器差速函数的理论磨损系数曲线

2.3 磨损对偏心距的影响

影响偏心距e的因素包括外圈滚道直径Di、内圈滚道直径De、斜撑块规格尺寸J和斜撑块质心位置。磨损将导致Di增大、De和J减小，使斜撑块初始楔角增大，即引起偏心距e增大。但实际上离合器高速超越时，离合器组件的磨损主要发生在斜撑块超越区域，由于离合器的超越区域和斜撑块的质心都在接触线H右侧，故斜撑块超越区的磨损使质心向左移动，偏心距e减小[2]。

3 减少离合器组件磨损的方法

3.1 减少斜撑块外工作圆弧面磨损的方法

斜撑块的外工作圆弧面和外圈滚道的磨损均发生在外圈快速加速和减速时，因为离合器及其组件在惯性力作用下会出现相对运动，使斜撑块外圆弧面与外圈滚道发生磨损。因此，可在离合器外保持架上安装阻尼卡(图4)，以最大程度地克服外圈加速和减速引起的惯性力，从而使斜撑块外圆弧面与外圈滚道基本无相对运动。阻尼卡通常采用冷轧的1CrNi7，SAE301不锈钢制造，成形之后需进行热处理，以消除残余应力。

图4 离合器摩擦阻尼元件

3.2 减少斜撑块内工作圆弧面磨损的方法

为了减少斜撑块在超越时的磨损，在离合器内保持架安装阻尼簧片(图4)，内圈对阻尼簧片的摩擦力可以在离合器超越时克服或减小离心力和弹簧力的合力，从而减小斜撑块和内圈之间的接触应力，减少其相对磨损。

由于把斜撑块的磨损转移到阻尼簧片上，而阻尼簧片与内圈存在较大的速度差，即使在接触应力很小的情况下，阻尼簧片也可能出现早期磨损失效。由于这种磨损不可避免，故阻尼簧片的材料选择非常重要，通常采用铍青铜或25#铍铜合金，经过热处理，使其硬度达到35 HRC左右。此外，流体润滑[3]效应也能够减少内圈对阻尼簧片的磨损。

4 实例验证

为了验证阻尼卡与阻尼簧片对离心接合型离合器斜撑块的减磨效果，选取结构相同的10套离心接合型离合器，安装、未安装阻尼卡和阻尼簧片的各5套，在超越离合器性能试验机上进行相同条件下的磨损试验。离合器工作时最高超越转速为10 000 r/min，内圈相对斜撑块的差动转速为6 700 r/min；试验时间为500 h。试验结束后检测内、外圈磨损量及斜撑块内、外圆弧磨损台阶宽度，检测结果见表1和表2。

对比表1和表2可以看出：

1)在外保持架安装阻尼卡后，斜撑块外圆弧面和外圈无磨损，证明阻尼卡能克服外圈迅速加速和减速时的惯性力，斜撑块与外圈基本无相对运动；

2)在离合器内保持架安装阻尼簧片后，内圈和斜撑块内圆弧面磨损均明显减小。

表1 安装阻尼卡和阻尼簧片的离合器磨损情况

表2 未安装阻尼卡和阻尼簧片的离合器磨损情况

5 结束语

经实例证明，在离心超越结合离合器外保持架上安装阻尼卡、内保持架上安装阻尼簧片的方法，能明显减小离合器斜撑块的磨损，提高离合器的寿命。