热模锻离合器摩擦盘结构优化设计

金魏，潘地磊，徐跃銮，吉桂生

（扬力集团股份有限公司，江苏 扬州 225000）

1 离合器结构与原理

离合器是热模锻压力机主要部件之一，用来保证热模锻压力机在正常工作时按规定的结合频率来驱动曲轴连杆等部件运动，离合器主要通过摩擦盘上的摩擦块来传递扭矩[1-2]。

如图1 所示，大齿轮8 通过轴承等零件装在曲轴1 上；活塞3 装在气缸2内，气缸2 与活塞3 之间由密封圈8 密封；气缸2、内齿圈9 通过螺栓连接在大齿轮8 上；外齿圈6 与内齿圈9 通过齿啮合；摩擦块7 安装在摩擦盘5上，摩擦盘5 与轮毂4 焊接，轮毂4 通过锲键与曲轴1 连接。

图1 离合器结构原理

离合器动作具体过程为：当压力机需要动作时压缩空气进入气缸2，活塞3 在压缩空气的作用下向左移动，推动外齿圈6 将摩擦块7 压紧在大齿轮8上，使之成为一个整体，大齿轮8 通过摩擦块7 和摩擦盘5 实现对曲轴1 的驱动。如此则离合器处于结合状态，从而传递扭矩。当气缸2 排气时，活塞3 在弹簧的弹力作用下向右移动使得离合器脱开[3]。

2 常用摩擦盘结构特点

如图2 所示，在离合器动作时，摩擦块所承载的扭矩最终需要通过摩擦盘与轮毂传递到曲轴上。由于轮毂形状较为复杂，通常采用铸件，并且由于铸造工艺限制难以把摩擦盘与轮毂铸造成一个整体，通常采用焊接的方式把摩擦盘与轮毂连接在一起，在工作中摩擦块、摩擦盘、轮毂形成整体。

图2 焊接摩擦盘结构

在实际情况中，由于焊接质量不可控，且摩擦盘需要承受较大的扭矩，存在焊缝失效的潜在风险；当焊缝失效时，摩擦盘无法传递扭矩，从而导致离合器失效，最终导致事故发生；且当焊缝失效，该零件需要更换时，需要连轮毂一起更换，由于轮毂与曲轴用锲键相连，拆卸比较困难，耗时耗力，更换零件成本较高。

3 摩擦盘结构优化设计

在多年设计制造热模锻压力机经验的基础上，主要对离合器摩擦盘结构进行优化设计。设计一种新型的离合器用分体摩擦盘结构，摒弃焊接方式，采用内外齿内啮合方式连接，因其凸齿面与凹齿面相接触，因此内啮合的齿面承载能力大大提高，其磨损也小于外啮合齿轮传动，从而可传递较大扭矩。

如图3 所示，该分体式摩擦盘结构主要由轮毂1、压板2、摩擦盘3 组成；在轮毂1 的外圈上加工有外齿，摩擦盘3 的内圈上也加工有同轮毂1 同样数量与模数的内齿，通过内外齿圈啮合的方式，把轮毂1 与摩擦盘3 连接在一起，限制了轮毂1 与摩擦盘3周向转动，同时能够传递较大扭矩；当摩擦盘3 上的内齿与轮毂1 上的外齿啮合时，在轮毂1 的左右两侧用螺钉安装有压板2，这样限制了轮毂1 与摩擦盘3 轴向的窜动，使这三个零件固联成一个整体。

图3 优化后的摩擦盘结构

以40000kN 热模锻为例，设计摩擦盘齿型参数具体如下：材料45钢，齿轮模数m=12，齿数Z1=Z2=146，齿形角α=20°，齿宽B1=B2=80mm。离合器传递的扭矩T≈2.2×106N·m。

需要对齿轮弯曲应力进行校核，校核齿轮的弯曲应力公式为:

式中：CW=2/zcosα=0.02；Mn1=T/146=1.5x104N·m；Kj=1.3；Kd=1.55；Y=0.5。

计算得出σw=105MPa＜[σw]，能够满足使用条件。

4 总结

分体式摩擦盘采用齿轮内啮合方式连接来传递摩擦扭矩，摒弃了整体摩擦盘焊接方式；啮合齿轮在分体式摩擦盘中起到传递扭矩的作用，齿啮合具有传力平稳、结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点。焊接过程不可控，可能会存在焊接缺陷，焊接缺陷降低了焊件的承载能力，易产生应力集中引起焊件裂纹，最终断裂。分体式摩擦盘的轮毂与摩擦盘为分体式结构，当需要更换时，只需更换摩擦盘即可。

实践证明，优化后的离合器摩擦盘结构简单，加工装配方便，能够实现快速频繁离合，结构稳定可靠，动作稳定。已经在扬力生产的HFP/HGP 多种型号的热模锻压力机上得到广泛应用，既节约成本，又取得良好的社会经济效益，具有广泛的应用前景。