外星轮超越离合器圆柱滚子磨损失效研究

2020-02-22洛阳轴承研究所有限公司河南洛阳471039孟鸿超韩红雨王永平徐润润

金属加工(冷加工) 2020年1期

■ 洛阳轴承研究所有限公司（河南洛阳 471039）马磊孟鸿超韩红雨王永平徐润润

外星轮超越离合器是一种通过主、从动部分相对运动速度或回转方向的变换能自动接合或脱开的离合器，利用滚柱对外星轮和内圈同时楔紧作用传递单向运动和转矩。外星轮超越离合器的失效主要与弹簧设计（安装角ε和弹簧弹力Ps）、工作转矩和零件接触表面硬度有关。

安装角：相同弹簧力的情况下，安装角过小会引起离合器高速超越时滚柱与座圈脱离，离合器楔合不及时；安装角过大会增大滚柱与外星轮和内圈的接触压力，增加零件磨损程度，导致离合器出现打滑现象。

弹簧力：弹簧力不足导致离合器楔合不及时；弹簧力过大导致离合器零件磨损严重，使离合器出现打滑现象。

工作转矩：工作转矩过大会使滚柱碎裂，外星轮或内圈出现裂纹等缺陷，导致离合器失效。

零件接触表面硬度：硬度低导致零件磨损严重，离合器出现打滑现象；硬度过高导致零件接触表面弹性变形小，不利于离合器传递转矩。

滚柱磨损失效主要与弹簧安装角、弹簧力和零件接触表面硬度有关，工作转矩只会引起滚柱的碎裂，不会导致滚柱磨损失效。

1.失效实例

某外星轮超越离合器额定传动转矩要求为0.5N·m（离合器的额定转矩为7.7N·m），弹簧安装角为90°，弹簧长度5mm，测得工作弹力为0.91N，外星轮、内圈和滚柱的硬度符合设计要求，台架试验后检查，发现滚柱有两处磨损平台，如图1所示，磨损带宽度分别为0.49mm和0.59mm；其中0.59mm磨损带处向内凹陷，直径减少约0.03mm，经分析是由内滚道与滚柱磨损造成；0.49mm磨损带处无内凹陷，直径尺寸几乎无变化，经分析是由外滚道与滚柱磨损造成。

分别从引起超越离合器滚柱磨损失效的三个因素进行分析可知：①外星轮超越离合器各零件接触表面硬度对零件磨损失效影响较大，实例中零件表面接触硬度符合设计要求。②弹簧设计（安装角ε和弹簧力Ps）

图1 01号超越离合器组件滚子平台

ε＜120°~146.4°时，在Ps

由于此外星轮超越离合器安装角选用90°，所以安装角不是引起此离合器组件滚柱磨损失效的原因。

3. 弹簧力对离合器失效影响分析

此外星轮超越离合器使用的弹簧为矩形弹簧，结构如图3所示，根据弹簧安装空间尺寸，确定滚柱与星轮和内圈接触时弹簧的长度L1；根据钢丝热处理工艺加工的弹簧，可测出弹簧刚度系数K，则：

其中，L0是弹簧自由状态长度，L0=5mm；L1是离合器工作时弹簧受压后的长度，L1=3.2mm；将各参数代入式（3）、（5），计算可得Psmin=0.212 6N，Psmax=0.912 5N，故弹簧力Ps的取值范围为0.212 6～0.902 5N。矩形弹簧经测量，由自由状态压缩至L1时，弹力为0.91N>Psmax。

图3 矩形弹簧结构示意

通过研究发现，造成该现象的主要原因是弹簧力过大，在弹簧力作用下，滚柱压紧于内外滚道之间，超越工况下，滚柱无法绕自身轴线转动，始终处于滑动摩擦，经长时间超越磨损，形成磨损带。

4. 措施

由于弹簧钢丝、热处理工艺和弹簧形状已选定，弹簧刚度被确定，只能通过改变弹簧工作时的压缩量，调整弹簧力大小：考虑到弹簧的有效圈数较少，将弹簧长度从5mm缩短为4.2mm，其余尺寸不变，弹簧压缩到工作状态时，弹簧力从0.91N减小为0.46N。超越时滚柱与滚道面接触，处于滚动摩擦，离合器空程角小，楔合迅速。经试验发现弹簧改进后的外星轮超越离合器旋转灵活，楔合及时，通过150h台架试验，未发现滚柱磨损现象。调整前后滚柱磨损对比如图4所示。

经调整弹簧设计参数发现：缩短弹簧长度，减小弹簧工作压力改善了此外星轮超越离合器工作时滚柱的受力情况，避免了滚柱的磨损失效，延长了此超越离合器的工作寿命，解决方案合理可行。