单向离合器的设计 一、了解超越离合器的主要功能、一般特点及其分类 1、超越离合器的主要功能： 超越离合器是靠主从动部分的相对速度变化或回转方向变换能 自动结合或脱开的离合器。 超越离合器有嵌合式与摩擦式之分； 摩擦 式又分为滚柱式与楔块式。 单向超越离合器只能在一个方向传递转矩， 双向超越离合器可双 向传递转矩。超越离合器的从动件可以在不受摩擦力矩的影响下超越 主动件的速度运行。带拨爪的超越离合器，拨爪为从动件。 2、超越离合器的一般特点： （1）改变速度：在传动链不脱开的情况下，可以使从动件获得 快、慢两种速度； （ 2）防止逆转：单向超越离合器只在一个方向传递转矩，而在 相反方向转矩作用下则空转； （ 3）间歇运动：双向超越离合器与单向超越离合器适当组合， 可实现从动件做某种规律的间歇运动。 3、超越离合器的分类 超越离合器可分为棘轮式超越离合器、 滚柱式超越离合器和楔块 式超越离合器。 其中，棘轮式超越离合器又可分为内齿棘轮式超越离 合器和外齿棘轮式超越离合器； 滚柱式超越离合器又可分为单向滚柱 式、带拨爪单向滚柱式和带拨爪双向滚柱式超越离合器； 楔块式超越 离合器又可分为单向超越离合器、 双向超越离合器和非接触式单向超 越离合器
二、接下来将主要研究单向滚柱式超越离合器的设计： 1、单向滚柱式超越离合器的机构简图为：
图1 2、单向滚柱式超越离合器的特点及应用： 滚柱 3 受弹簧 4 的弹力，始终与外环 1 和星轮 2 接触。 滚柱在滚 道内自由转动，磨损均匀， 磨损后仍能保持圆柱形，短时过载滚柱打 滑不会损坏离合器。星轮加工困难，装配精度要求较高。星轮与外环 运动关系比较多元化。 外环 1 主动（逆时针转）时：当 n1=n2, 离合器接合； 当 n1星轮 2 主动（顺时针转）时：当 -n 2=-n1, 离合器接合；
当 n2 n1 ，离合器超越。 滚柱式超越离合器的结构简单、制造容易，溜滑角小，主要用于 机床和无级变速器等的传动装置中。 三、滚柱式单向超越离合器的设计计算
图2 注： 表 1 中公式均摘自《机械设计手册》第 2 卷第六篇第三章第 307页，化学工业出版社，第五版。 1、设计计算 表1 型 式 编 号
计算项目 计算公式 说明
— —工作储备系数 1.4-5 ； 楔紧平面 Tt —需要传递的转矩；
1 至轴心线 C ( Rz r)cos r
的距离 Rz—
—滚柱离合器外环内半径，
mm；
Rz （4.5～15）r
，一般取 R
z
8r ；
2 计算转矩 Tc Tt
b—— 滚柱长度， mm，
b （2.5～
8） r ，
一般取 b （3～ 4） r ； Ev
— —当量弹性模数，钢对钢
Tc N
3 正压力 (L r) z
Ev
52
2.06 105 N/mm2；
Hp 2 ——许用接触应力， N /
单 向 表 2 ； 超 — —摩擦因数，一般取 0.1 ；
越 4 接触应 NEv
离 力 H
0.42 v
Hp
Hp
m— —滚柱质量， kg ；
合 n —星轮转速， r /min ；
器 z —滚柱数目，见表 3；
L— —楔块长度， mm；
D— —外环内径， mm；
d—滚柱直径， mm；
5 当量半径 vr v — —楔角， （。）， 小，楔合容
易， 脱开力大； 大，不易楔合或易打
滑。 为保证滚柱不打滑， 应使压力角 /2
于滚柱对星轮或内外环接触面的最小摩 擦角 min ，即 /2 min 。当星轮工作
面为平面时，取 6。～8。；当工作面 6 弹簧压力 (D d) mn2
PE 4
18 104 为对数螺旋面或偏心圆弧面时，取
8。～10。 ； 最 大 极 限 值 取
max 14。～17。； r —
— 滚柱半径， mm。 表2 表 3 ：滚柱数及尺寸参数参考值 注：表 2 和表 3 均摘自《机械设计手册》第 5 版第 2 卷 （ 注：以下公式均摘自《滚柱式超越离合器的设计》，钮心宪，交通 部上海船舶运输科学研究所学报） 2、楔角 α的各主要结构要素的关系如下： Cr arccos Rr
其中:C 为内星轮的平面高度 , R =D/2 , r = d/2 。
C , R , r 的选择应满足设计楔角的要求。此外 , 滚柱数 Z 及 滚柱长度 b 也应选择。这些结构参数是相互制约的 , 需经优化计算 方可确定。 Z 可取 3-12 , 特殊结构可取得更大 , 但常用为 3-5 。R/ r 可取 5-9 , 但 8 较为常用。如果将滚子直径稍加增大 , 使 R/ r 降 至 6 .5-7 .0 , 则可提高内爪寿命 2-3 倍。 3、接触强度的计算 如果不考虑弹簧压力及滚动摩擦 , 则滚子的正压力 N 为: 2Tt
ZR
接触应力σ c 可用赫茨公式计算 , 如果滚子与内爪的弹性模数 E 相
同, 则对平面内星轮式可有 : NE c 0.418 br
如干摩擦系数取 0 .2 , 泊桑系数取 0 .3 , 则接触处的最大剪应力
τmax为: NE TtE max 0.34 c 0.412 NE 0.2 TtE br rbZR
如 以“度”表示 , 则有 :
max 1.5 Tt E rbZR
应使 max [ ]
Tt
不应该用平均值或额定值 , 应由下式计算 :
Tt Tn(k1 k2 )k3
其中:
Tn
———额定扭矩 ;
k1
———由原动机形式决定的动力系数 , 可参照表 4 决定;
k2
———由从动机形式决定的动力系数 , 可参照表 5 决定 ;
k3
———由离合器精度决定的反映各滚子受力不均匀的系数 , 对平
面内星轮式可取 1.1-1.5 。加工精度高时 , k3 取较小值。 表 4：由原动机形式决定的动力系数 表 5：由从动机形式决定的动力系数 当离合器楔合次数较少时 , 许用剪应力 [ τ] 可由下式确定 : [ ] (8— 12)Rc
MPa
其中 :Rc ———材料的洛氏硬度。 当楔合频繁时 , 许用剪应力可用齿面的许用应力 , 楔合次数与 [ τ ] 的关系为:
其中: [ τ] ——— 107 次之许用剪应力 [ 1] ———Q 次之许用剪应力 Q ———总楔合次数。 也可由滚柱的比压力来估算接触强度。比压力 P 定义为 : PN
式中 F 为滚柱的投影面积 , F =2rb 许用比压力 [ P] 可取 42-49 MPa , 如取[ P] =44 MPa , 则有:
Tt 22 F Z R 接触应力的计算一般以内星轮为对象 , 因内星轮的接触应力大于外 圈 , 且每次楔合接触点的位置不变。 但内星轮的变形较均匀 , 而外圈 因其一端常有法兰 , 会产生不均匀变形 , 使接触应力不均匀 , 在设 计中应予注意。 4、外圈强度校核 外圈在工作时受有拉力及弯矩 , 通常对其合成应力σ进行校核 , 可 不与接触应力叠加。 （ｆ１＋ｆ２ １） [ ] ＢＳ １ ２ Ｓ 其中:
[ σ ] ———许用应力 , 可取 700 ～ 800 MPa N ———滚子压力 , B ———外圈宽度 ; S ———外圈厚度 ; R1 ———外圈平均半径 ; f 1 f 2 ———与滚子数有关的系数 , 由表 6 查得。 外圈厚度的经验取值为 :S =（0 .8 -1 .2）d ; 如外圈压入另 一机件, 则S =（1 ～ 1 .6）d ; 大尺寸的离合器 S 取小值, 反之取 大值。 表 6：与滚子有关的系数 f 1 、 f 2 、 f 3
5、外圈刚度的计算 外圈变形后使楔角变化 , 但楔角变化的计算工作量很大 , 为简 化计, 可计算滚子接触点的变形量Δ r , 以此变形量作为外圈