2009年第28卷8月第8期机械科学与技术M echanical Science and Technol ogy f or Aer os pace Engineering August Vol .282009No .8收稿日期:2007210209作者简介:黄华星(1977-),博士研究生,研究方向为链环式超越离合器的稳健性设计,huanghx00@mails .tsinghua .edu .cn;黄靖远(联系人),教授,huangjy@mail .tsinghua .edu .cn黄华星稳健性设计思想在超越离合器设计中的应用黄华星,黄靖远(清华大学精密仪器与机械学系,北京　100084)摘　要:介绍了现代稳健性设计思想,并将稳健性设计的思想理论应用于超越离合器的稳健性设计中,目的是改变传统超越离合器对磨损的稳健性不良的问题,寻求得到一种高稳健性的设计结果。

着重讨论了磨损对超越离合器的自锁性能的影响,提出了磨损自锁特性曲线的趋势分析,作为稳健性敏感度分析的准则,同时也对制造误差等其它噪声进行稳健性敏感度分析,最后得到了链环式超越离合器具有高度稳健性的结论,体现了稳健性设计哲理关于“质量是能够设计到产品中去的”思想。

关　键　词:稳健性设计;超越离合器;敏感度分析;链环式中图分类号:TH13314 文献标识码:A 文章编号:100328728(2009)0821083204Appli cati on of Robust Desi gn Philosophy to Overrunn i n g Clutch Desi gnHuang Huaxing,Huang J ingyuan(Depart m ent of Precisi on I nstru ment and M echanol ogy,Tsinghua University,Beijing 100084)Abstract:W e intr oduce the modern r obust design method t o the designing of an overrunning clutch for overcom ing the p r oble m of poor r obustness existing in a traditi onal overrunning clutch .Thr ough discussi on of the self 2l ocking effects of an overrunning clutch by wear,a trend analysis about wear self 2l ocking p r operty curves was done and the r obust sensitivity caused by other kinds of noise such as manufacturing err ors was als o analyzed .Finally,the good r obustness of a chain 2ring overrunning clutch validated the r obust design phil os ophy .Key words:r obust design;overrunning clutch;sensitivity analysis;chain 2ring 现代稳健性设计的思想是建立在对产品“高质量”认识的基础之上的。

所谓产品的高质量,是指一个产品保持其性能(质量)指标不变,而不受制造、环境影响和使用时间影响的能力[1]。

从目前发表的研究文献看,人们更多地从容差设计[2]角度来研究和认识稳健性设计,而几乎没有人从“系统设计”[3]的角度来研究和认识它,以至于停留在狭义的容差设计上面,大大影响了它的发展和推广,因此人们往往误以为稳健性设计是一种固定的方法,有成熟的数学模型可以借鉴。

其实这种情况只是对某一些具体问题而言,实际上不同的问题应该有不同的方法和措施。

笔者所讨论的稳健性设计问题就是针对超越离合器这一具体对象,如何采用合理的方法和措施来进行稳健性的敏感度分析。

现有的滚柱式和楔块式超越离合器都存在磨损引起打滑失效的问题,这是典型的稳健性问题,即对第3种噪声(使用时间引起的噪声因素)的敏感度问题。

解决这个问题,人们一方面可以从材料和热处理的角度,使零件耐磨来提高稳健性,或者从容差设计来提高稳健性,实践证明,这个途径得到的稳健性效果是有限的;另一方面可以设计出一种对磨损不敏感的新结构原理,使其能在长时间的使用中保持稳定自锁性能,显然这是更为理想的,更符合稳健性设计思想的超越离合器设计思想。

笔者将从稳健性设计的原理出发,对超越离合器的稳健性设计问题进行分析及探讨。

机械科学与技术第28卷1　现代稳健性设计新概念简介稳健性概念最早出现于上世纪60年代,田口(Taguchi)博士在美国和日本发表了称为田口方法的稳健性设计思想。

当时主要是讨论如何通过合理选用制造零件的“公差带”来保证得到高质量产品的问题,即所谓“容差设计”的问题。

这种狭义的稳健性设计思想,经过后来不断充实和发展,现在已经发展成为一种更加成熟的广义稳健性设计哲学。

现代稳健性设计思想主要不是通过无限提高制造精度来解决如何得到高质量产品的问题。

现代稳健性设计的思想指出所谓产品的高质量,是指一个产品保持其性能(质量)指标不变,而不受制造、使用时间和环境引起的参数变化的影响的能力。

人们认识到,影响一个产品的质量(性能)的干扰因素有3类:即制造误差、使用环境的影响以及使用时间引起的参数变化。

把这些干扰因素总称之为:“噪声”。

稳健性设计就是通过某些设计技术使产品性能指标对这些“噪声”不敏感。

稳健性的基本思想是:使产品的性能(质量)指标对可能出现的噪声不敏感。

其基本思想是保持产品的高质量[1]。

笔者通过对超越离合器的稳健性设计分析,说明稳健性设计在创造高性能、高质量产品中的作用,说明了稳健性设计哲学关于“质量是能够设计到产品中去的[1]”思想。

2　超越离合器的稳健性问题影响超越离合器的性能的因素分别有:一是离合器各个零件的制造误差;二是环境(包括温度、外载荷等)变化,造成的外环、滚柱(或楔块)和星轮的变形,进而引起楔角的变化;三是使用时间造成的零件磨损等因素。

在稳健性设计理论中,这3种影响产品性能的因素都称为噪声[1]。

在实践中,人们发现在影响超越离合器的稳健性问题的干扰因素中,最主要的是工作元件的磨损。

因此笔者将着重讨论超越离合器由磨损引起的稳健性问题。

211　传统超越离合器的稳健性问题传统超越离合器是机械行业中广泛应用的机械基础件,其中摩擦式超越离合器是工业中最广泛使用的超越离合器类型。

摩擦式超越离合器是利用滚柱、楔块(偏心滚子)形成自锁状态下的摩擦力来传递扭矩。

摩擦式超越离合器的种类很多,以滚柱式和楔块式占绝大多数。

现在以滚柱式为例来说明在稳健性方面存在的问题。

滚柱式超越离合器结构简图如图1。

图1中,角φ称为楔角,当φ/2小于材料间的摩擦角时,机构在单方向能够自锁。

楔角φ对离合器的工作性能影响非常大,通常取φ在6°～8°之间,由于各种磨损、局部变形都会导致楔角的急剧变化。

滚柱式超越离合器的失效最终大都是由于楔角的变大引起打滑而失效的。

图1　滚柱式超越离合器结构简图[4]对于超越离合器的稳健性问题如何评价呢?我们提出用磨损自锁特性曲线作为准则进行评价。

例如,某纺织机械的滚柱式超越离合器,R= 1615,r=3,φ=7°,如图2所示。

图2　滚柱式离合器楔角增量与磨损量的关系[4]图2中:Δφh为内星轮的磨损深度造成的楔角增量,可以看出楔角的增大对内星轮的磨损非常敏感。

内星轮的磨损量深度为0102mm时,楔角增量Δφh=511°,楔角增加到了1211°,此时滚柱式超越离合器当打滑失效[4]。

图3　自锁裕度与磨损量的关系图3所示为自锁裕度与磨损量的关系曲线。

该曲线是根据文献[4]计算作图所得,是与图2相对4801第8期黄华星等:稳健性设计思想在超越离合器设计中的应用应的。

图中Z 为“自锁裕度”,设临界自锁的φ角为[φ],则定义Z =[φ]-φ[φ](1)式中:当Z >0,自锁;当Z =0,临界自锁;当Z <0不自锁,打滑。

可以看出,这条Z 2d h 曲线是一种明显呈下降趋势的磨损自锁特性曲线,说明滚柱式超越离合器的自锁对磨损很敏感。

当这条曲线下降到横坐标轴下面时,说明Z <0,超越离合器已经打滑失效,我们可以用这条曲线下降趋势的快慢来作为评价超越离合器对磨损量的敏感度指标。

我们要寻找一种高稳健性的超越离合器,它的磨损自锁特性曲线应该是缓慢下降甚至于在工作范围内不会下降到0坐标轴以下。

212　链环式超越离合器的稳健性表现链环式超越离合器是一种“面接触”式的新型摩擦式超越离合器[5](见图4),和传统的线接触式的结构原理有本质的不同,因而其多方面性能都表现出显著的不同。

图4　链环式超越离合器实物及结构原理图摩擦片实验台对超越离合器的工作要求为:正向工作载荷为3000N ・m ,超越转速为3600r/m in,使用过程为锁紧加载3m in,超越运行15m in,如此周期性循环。

该研究所曾先后试用过多种类型的超越离合器,包括滚柱式、应用较广泛的楔块式和采用先进加工工艺的各种摩擦式超越离合器等,但几乎都在装机运行后短时间内甚至几分钟之内因为摩擦发热,进而磨损打滑失效[6]。

为解决该试验台急需解决的技术难题,针对上述严酷的工作条件,我们设计研制了这种链环式超越离合器。

这种超越离合器在该摩擦片实验台上9年多的成功应用(至今仍在正常使用,没有出现打滑现象),充分证明了该离合器具有突出的稳健性。

3　链环式超越离合器的稳健性设计与分析在链环式超越离合器中,控制键的倾角α可以通过调节滚针(见图4)来调节,使其在使用开始时处在理想的起始位置上(例如-25°)。

随着使用过程中工作表面的磨损,控制键的倾角α就逐渐由-25°向+15°变化。

在作结构设计时,我们设定倾角α的这个范围(-25°,+15°)为“正常工作区”(见图5)。

图5　控制键摆动的正常工作区我们对链环式超越离合器的自锁结构进行了深入的理论分析,建立了数学模型,得到Z =f (D 1,D 0,B L ,C l ,L 0,L k ,B k ,H,R k ,R k 1,R r ,R 1,R 2,R 3,ER,EO E,Δαk ,μ)(2) 利用这个数学模型,我们建立链环式超越离合器的磨损自锁特性曲线(见图6)。