！量　Ｑ　二三Ｚ　ＣＮ４１—１１４８／ＴＨ　轴承２０１２９５期　Ｂｅａｒｉｎｇ　２０１２，Ｎｏ．５　外星轮滚柱式超越离合器的设计　陈怀刚，梁兴江，李慎华，赵圣卿　（洛阳轴研科技股份有限公司，河南　洛阳４７１０３９）　摘要：介绍了外星轮滚柱式超越离合器的基本结构及工作原理，分析了接触角及其他参数的选取，最后给出了　该类型超越离合器的一般设计方法。　关键词：超越离合器；外星轮；滚柱；接触角；转矩　中图分类号：ＴＨ１３３．４　文献标志码：Ｂ　文章编号：１０００—３７６２（２０１２）０５—００１５—０４　符号说明　６——滚柱长度，ｍｍ　ｃ——滚柱与工作面的接触点到离合器轴心　线间的距离，ｍｍ　ｄ——滚柱直径，ｍｍ　Ｄ——内环直径，ｍｍ　——当量弹性模量，ＭＰａ　——外星轮对滚柱的摩擦力，Ｎ　ＦＢ——内环对滚柱的摩擦力，Ｎ　——弹簧压紧力，Ｎ　Ｋ　——与原动机类型有关的动载荷系数　Ｋ２——与工作机类型有关的动载荷系数　——精度系数　￡——滚柱中心到离合器中心间的距离，ｍｍ　ｍ——滚柱质量，ｋｇ　——离合器转速，ｒ／ｍｉｎ　ⅣＡ——外星轮对滚柱的正压力，Ｎ　Ⅳ　——内环对滚柱的正压力，Ｎ　——外星轮对滚柱的合力，Ｎ　——内环对滚柱的合力，Ｎ　——离合器的计算转矩，Ｎ・ｍｉｌｌ　——离合器需要传递的转矩，Ｎ・ｍｍ　ｚ——滚柱数　，　——滚柱与外星轮、内环间的静摩擦系　数　——接触角，（。）　——外楔角，（。）　——内楔角，（。）　Ｐ　——滚柱与外星轮接触点的当量半径，ｍｍ　收稿日期：２０１１—１１—１８；修回日期：２０１２—０２—２８　Ｈ——接触应力，ＭＰａ　［ｏｒ　］——许用接触应力，ＭＰａ　外星轮滚柱式超越离合器是一种通过主、从　动部分相对运动速度的变化或旋转方向的变换能　自动接合或脱开的离合器。这种离合器仅在一个　方向上输入传递扭矩，而当输入方向相反或者在　传动方向上输出端转速超过输入端转速时，则自　动脱开。　１基本结构及工作原理　外星轮滚柱式超越离合器基本结构如图１所　示，主要由外星轮、内环、滚柱、保持架和弹簧等零　件构成，依靠滚柱的楔紧作用传递扭矩。为了获　得楔形间隙，实现夹紧或放松滚柱，以达到离合器　接合或松脱的目的，外星轮的工作面通常情况下　为３个轴向平面，另外，工作表面也有对数螺旋面　和偏心圆弧面等不同形式。其中，平面形式的外　星轮工作面容易加工，但楔角随滚柱和平面的磨　损会发生变化，此形式的离合器使用寿命不长；对　数螺旋面的楔角为常数，不随磨损而变化，此形式　的离合器工作性能稳定，使用寿命长，但加工困　难；偏心圆弧面的加工难易程度和使用寿命则在　前两种形式之间，此形式的离合器使用寿命比平　面形式的高３—３．５倍。但若在平面形式的工作　面上镶嵌硬质合金块，则其耐磨性会显著提高口Ｊ。　图１所示的外星轮工作面为偏心圆弧面形式。　如图１所示，外星轮上具有与滚柱数目相同　的型腔，滚柱通过保持架定位，保持架则通过外星　轮型腔定位，在弹簧的作用下，滚柱滑至外星轮型　腔中的工作面上，当在内环上施加转矩时，滚柱就　被楔入内环和外星轮工作面之间，同时闭锁这些　

零件来传递转矩，离合器处于自锁状态。这些滚　・１６・　《轴承））２０１２．Ｎｏ．５　

１一外星轮（从动元件）；２一内环（主动兀件）；３一弹簧；　４一滚柱；５一保持架　图１　外星轮滚柱式超越离合器结构示意图　柱的楔入仅在主动元件（内环）试图比从动元件　（外星轮）转动得快时才出现；而当从动元件试图　比主动元件转动得快时，滚柱就从楔住状态脱开，　并在外星轮和内环的滑动面上滚动或滑动，此时　外星轮与内环脱开，离合器处于超越状态　Ｊ。　２接触角的选取　接触角是超越离合器的重要参数之一，对超　越离合器的工作性能有显著影响。因此，实现外　星轮滚柱式超越离合器正常工作的关键是选择恰　当的接触角　。　２．１受力分析　当内环受逆时针方向转矩或外星轮受顺时　针方向转矩时，滚柱被楔入内环和外星轮工作面　之间，离合器传递转矩，滚柱处于平衡状态。下　面以滚柱为分析对象，其受力情况＿３　如图２所　示。　

图２滚柱受力分析图　滚柱与外星轮的接触点Ａ处，滚柱受正压力　Ⅳ　，方向由　指向滚柱中心点０；外星轮对滚柱的　摩擦力　，方向沿Ａ点的切线向左；两者的合力为　尺　，方向沿ＡＢ的连线由Ａ指向Ｂ。　滚柱与内环相接触点　处，滚柱受正压力　Ⅳ　，方向由Ｂ指向滚柱中心点０；内环对滚柱的摩　擦力　，方向沿　点的切线向左；两者的合力为　尺　，方向沿ＡＢ的连线由Ｂ指向Ａ。　弹簧压紧力　及弹簧对其产生的摩擦力很　小，为简化计算忽略不计。此时，滚柱处于平衡状　态，由平衡条件得　Ｒ　：　：　：Ｒ　。　（１）　一　ＣＯＳ　ＣＯＳ∞　～　滚柱所受摩擦力为　ＦＡ＝ＮＡｔａｎ　１０，　（２）　ＦＢ＝ＮＢｔａｎ∞。　（３）　接触角为　＝　＋∞。　（４）　如图２所示，在ＡＡＯＢ中，由于ＯＡ＝ＯＢ＝　ｄ／２，则ｔ，＝ｔＯ，即该类型超越离合器的内、外楔角　相等，且为其接触角的一半，故Ｆ　＝Ｆ　，Ｎ　＝Ｎ　。　２．２自锁条件的确定　若要离合器达到自锁，必须使滚柱与外星轮　和内环之间的实际摩擦力　，　不大于滚柱与外　星轮和内环之问的最大静摩擦力，即　ＦＡ≤　ＡＮＡ，　（５）　ＦＢ≤　ＢＮＢ，　（６）　化简可得　＝　＋　≤ａｒｃｔａｎ　Ａ＋ａｒｃｔａｎ　Ｂ。　（７）　通常情况下，由于外星轮、滚柱、内环的材料、　表面硬度和表面粗糙度基本相同，所以　＝　，则　该类型离合器的自锁条件为　Ｏｔ￣＜２ａｒｃｔａｎ／ｘＡ。　（８）　２．３接触角的选取　通常，本类型超越离合器的外星轮、滚柱和内　环的材料都为ＧＣｒｌ５，钢一钢之间的静摩擦系数一　般取０．１０—０．１５，则　≤ｌ１。２０　～１７。４　。若Ｏｔ角　太大，滚柱不易锁紧；若　角太小，则承受转矩时　接触应力较大，自锁后再转为超越状态时，滚柱不　易脱开。　对于工作面为平面的外星轮，一般可取ａ＝　６。～８。（设计时一般取７。）；而工作面为偏心圆弧　面或对数螺旋面的外星轮，由于滚柱磨损等因素　对Ｏｔ的影响不大，可取Ｏ／＝１０。一１２。，　的试验极　限值约为１４。一１７　ｏ［４１。　３其他结构参数的选取　在符合结构需要的条件下，超越离合器各组　件的尺寸应尽可能小，既能减轻质量、降低成本，　又可以相应地减小离心力的影响。一般选取原则　如下：滚柱数取　＝３—６，有需要时也可取　＝８～　ｌ　２　３　４　５

　陈怀刚，等：外星轮滚柱式超越离合器的设计　１２，滚柱长度和直径的比值取ｂ／ｄ＝１．５～３；内环　直径和滚柱直径的比值取Ｄ／ｄ＝７～９。表１列出　了各种用途超越离合器的　，Ｄ／ｄ及ｂ／ｄ值。　表１　ｚ，Ｄ／ｄ及ｂ／ｄ值　

４设计计算　４．１　离合器的计算转矩　离合器的计算转矩为　＝　（Ｋ　＋　）　，　（９）　式中：　，　值的选取分别见表２、表３；考虑到零　件加工精度对滚柱间载荷分布不均匀的影响，外　星轮工作面为平面时Ｋ３＝１．１０～１．５０；为偏心圆　弧面或对数螺旋面时Ｋ３＝１．０—１．２５。　表２系数Ｋ．的取值　原动机类型　电动机、液压传动０．２５　１２缸０．３０　内燃机６缸０．４０　４缸０．５０　表３系数　的取值　工作机类型　轻型金属切削机床、木工机床、运输机、斗式提升机、卷扬机１．２０　磨床、冲床、剪床、压榨机、架空索道　１．４０　拖拉机、气锤、抛光滚筒、磨机、矿井通风机　１．６０　吊车、挖掘机械、锻压机械、破碎机、碾砂机　２．Ｏ０　重型轧钢机、球磨机　２．８０　４．２接触强度计算　若不考虑弹簧压紧力及滚动摩擦力，则滚柱　与外星轮接触点的正压力为　］　＝　，　（１Ｏ）　式中：一般情况下　＝０．１。　接触应力可用Ｈｅｒｔｚ接触理论的线接触应力　基本公式计算　，即　一叭　８层，　…）　式中：ｐ　＝　１　Ｄ・ｄ／（Ｄ—ｄ）；钢对钢的当量弹性模　量Ｅ　＝２０６　ＧＰａ。应使　≤［　］，许用接触应力　［１７＂　］值见表４。　表４许用接触应力　１０　１０６　（０．５—１）×１０　１　４２２～１　７６６　３　Ｏ４１—３　２３７　４　１２０　４．３弹簧压紧力　弹簧压紧力通过滚柱中心，为保证滚柱与外　星轮接触，应克服离心力产生的摩擦力，所以弹簧　压紧力需满足　］　。　（１２）　４．４滚柱与工作面的接触点到离合器轴心线间　的距离　滚柱与工作面的接触点到离合器轴心线间的　距离Ｃ为离合器设计的一个关键参数，通过它可　以确定滚柱和外星轮的接触点位置。Ｃ值由下式　得到　Ｃ＝（　＋ｄ）／２ＣＯＳ　＋ｄ／２。　（１３）　５设计举例　具体的设计计算过程如图３所示。　初始数据：需传递的扭矩ｔ　Ｊ　Ｉ　由（９）式计算出　Ｉ　根据工作特点选择外星轮工作面的形状及接触角口　Ｉ　根据离合器的工作空间尺寸选取　ｄ和Ｄ，并由　表ｌ协调它ｑｌ，Ｌ间的关系，初步选定ｂ，ｄＣｌ４１Ｄ　Ｉ　由（１０）～（１１）式计算接触点的正压力Ｎ和接触应力ｄＨ　Ｎ　由（１２）～（１３＞式计算Ｆ　和Ｃ　Ｉ　图３计算流程图　某种场合用超越离合器的设计要求如下：工　作最高转速ｎ＝１６　０００　ｒ／ｍｉｎ，传递最大转矩　＝　４Ｏ　Ｎ・ｍ，离合器需要楔紧的次数为１Ｏ　次，Ｅ　Ｗ－　２０６　ＧＰａ，安装空间尺寸为ｑｂ２５　ｍｍ×ｑ

ｂ４２　ｍｍ×　・１８・　《轴承）２０１２．Ｎｏ．５　１６　ｍｍ。　现根据要求设计了一个外星轮滚柱式超越离　合器，其工作面为偏心圆弧面，ｏｔ＝１０。，Ｄ：　３０　ｍｍ，ｄ＝４　ｍｍ，ｂ＝１２　ｍｍ，　＝１２。由（９）一（１１）　式分别得　＝８８．８　Ｎ・ｍ，ＮＡ＝４　９３３．３　Ｎ，ｏｒＨ＝　２　５３２．２　ＭＰａ。由于离合器需要楔紧的次数为　１Ｏ　，由表４知［ｏｒＨ］＝３　０４１—３　２４７　ＭＰａ，可知　ｏｒ　≤［ｏｒ　］，所以选取的结构参数满足设计要求。　将结构参数代人（１１）～（１２）式，得ＦＴ＝２．８５　Ｎ，　Ｃ＝１８．７４２　ｍｍ　６　结束语　给出了外星轮滚柱式超越离合器的一般设　计方法，在实际的设计过程中应尽量考虑离合器　的径向尺寸，特别是高速条件下，较小的径向尺　寸可减小离心力的影响。还要考虑主要零件的　材料，应使主要零件结合面具有较高的硬度和耐　磨性，心部具有一定的韧性，能够承受冲击而避　免碎裂。为避免打滑，应保证弹簧及外星轮有足　够的刚度。　参考文献：　［１］徐灏，蔡春源．机械设计手册：第４册［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，２００１．　［２］章永锋．航空发动机设计手册：第１３册［Ｍ］．北京：　航空工业出版社，２００１．　［３］　王冠兵，唐开义，曹存厚．冲压外圈超越离合器滚柱　轴承的设计［Ｃ］／／１９９１滚动轴承产品设计与应用学　术年会论文集：上册．洛阳：中国轴承工业协会技术　委员会，１９９１．　［４］　阮忠唐．联轴器、离合器设计与选用指南［Ｍ］．北京：　化学工业出版社，２００６．　［５］　张展．联轴器、离合器与制动器设计选用手册［Ｍ］．　北京：机械工业出版社，２００９．　（编辑：温朝杰）　（上接第４页）　或塔顶载荷转化计算得到，在分析、设计及校核轴　承时可以根据具体的要求描述载荷谱。　风电转盘轴承在作静强度分析、设计和校核　时，应考虑各种工况下的极限载荷，根据需要将各　个载荷分量最大值、最小值及其对应的工况、要求　安全系数在载荷谱中描述出来，合格的转盘轴承　应该能够满足每种载荷情况的要求。　滚动接触疲劳作为转盘轴承滚道的主要失效　形式，设计时必须考虑，风电转盘轴承工作于复杂　的多载荷情况下，在描述滚动接触疲劳载荷谱时　应描述出风电转盘轴承各种工况对应的载荷大　小、等效转动角度或圈数等信息。　参考文献：　［１］　熊礼俭．风力发电新技术与发电工程设计、运行、维　护及标准规范实用手册［Ｍ］．北京：中国科技文化　出版社，２００５．　［２］　Ｅｒｉｃｈ　Ｈａｕ．Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏ－　ｇｉｅｓ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ［Ｍ］．２ｎｄ　ｅｄ．Ｂｅｄｉｎ：　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００６．　［３］单光坤，刘颖明，姚兴佳．大型风力发电机组变桨　距机构分析与实验研究［Ｊ］．沈阳工业大学学报，　２００７，２９（２）：２０９—２１２．　［４］张仲柱，王会社，赵晓路，等．水平轴风力机叶片气　动性能研究［Ｊ］．工程热物理学报，２００７，２８（５）：　７８１—７８３．　［５］刘雄，陈严，叶枝全．水平轴风力机气动性能计算模　型［Ｊ］．太阳能学报，２００５，２６（６）：７９２—８００．　［６］Ｇｅｒｍａｎｉｓｃｈｅｒ　Ｌｌｏｙｄ．Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｒ］．Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｇｅｒｍａｎｉｓｃｈｅｒ　Ｌｌｏｙｄ，　Ｈａｍｂｕｒｇ，２０１０．　［７］Ｈａｒｒｉｓ　Ｔ　Ａ，Ｒｕｍｂａｒｇｅｒ　Ｊ　Ｈ，Ｂｕｔｔｅｒｆｉｅｌｄ　Ｃ　Ｐ．Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ　ＤＧ０３：Ｙａｗ＆Ｐｉｔｃｈ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｌｉｆｅ［Ｒ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ　ＮＲＥＬ／ＴＰ一５００—　４２３６２，２００９．　［８］ＪＢ／Ｔ　２３００－－１９９９，回转支承［Ｓ］．　［９］Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ　ＫＧ．Ｃａｔａｌｏｇ　４０４　Ｓｌｅｗｉｎｇ　Ｒｉｎｇ［ＤＢ／ＯＬ］．　ｗｗｗ．ｉｎａ．ｃｏｎ．２０Ｏ９．　［１０］ＩＭＯ．ＤＶ　１０５Ｅ　Ｓｌｅｗｉｎｇ　Ｒｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｃａｔａｌｏｇ［ＤＢ／　ＯＬ］．ｗｗｗ。ｇｏｉｍｏ．ｃｏｍ，２００９．　［１　１］ＩＥＣ．Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ——Ｐａｒｔ　１：Ｄｅｓｉｇｎ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　『Ｓ］．３ｒｄ　ｅｄ．ＩＥＣ　６１４００—１：２００５．　［１２］侯宁．影响回转支承承载能力的四个参数［Ｊ］．建筑　机械，２００２（１）：２１—２２．　［１３］Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ——Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｌｏａｄ　Ｒａｔｉｎｇｓ　ａｎｄ　Ｒａｔｉｎｇ　Ｌｉｆｅ『Ｓ］．Ｇｅｎｅｖａ．２００７．　［１４］Ｒｏｔｈｅ　Ｅｒｄｅ．Ｓｌｅｗｉｎｇ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ［ＤＢ／ＯＬ］．ｗｗｗ．　ｒｏｔｈｅｅｒｄｅ．ｃｏｍ，２００９．　［１５］冈本纯三．球轴承的设计计算［Ｍ］．黄志强，译．北　京：机械工业出版社，２００３．　（编辑：温超杰）