滚珠式传感安全离合器的设计

陈云

（安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽六安 237011）

滚珠式传感安全离合器的设计

陈云

（安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽六安 237011）

利用Solidworks软件对滚珠式传感安全离合器进行了三维实体建模，建立了力学分析模型，给出了力与扭矩的关系式及接触强度校核方法.

安全离合器；滚珠；传感器；力学分析；强度校核

安全离合器[1]常用在动力传动的主、被动侧之间，当发生过载故障时（扭矩超过设定值），它便会产生分离，从而有效保护驱动机械（如电机、减速机、伺服马达）以及负载.常用的有摩擦片式安全离合器、圆柱弹簧钢球式安全离合器，它们广泛应用于印刷机械、包装机械、制冷设备、自动化生产线、分割器、螺杆挤出机、冶金机械、机械橡胶设备及数控设备行业等.目前国内对传统安全离合器的研究较多，而对新型安全离合器的研究甚少，本文介绍了一种新型滚珠式传感安全离合器结构，并提出了该离合器的设计方法.

1 结构及工作原理

1.1 滚珠式传感安全离合器的结构

滚珠式传感安全离合器主要由调节螺母、碟形弹簧、滚珠、连接法兰、移位法兰、保持架等部件组成，20个滚珠圆周均布，滚珠不仅与连接法兰上的凹槽（牙槽）接触，而且还与保持架上的凹槽（牙槽）接触，这样滚珠就起到了传递扭矩的媒介作用.另外，靠近移位法兰处接一个可以控制关闭动力源的传感限位开关.

使用Solidworks软件对滚珠式传感安全离合器进行准确的三维造型，如图1所示.图2为传感限位开关的安装位置示意图，图3为滚珠与连接法兰及保持架牙槽接触的局部放大图.

1.2 滚珠式传感安全离合器的工作原理

图1 滚珠式传感安全离合器的三维造型图

滚珠式传感安全离合器的工作原理为：当输出动力端的轴所受负载较小时，碟形弹簧[2]不产生压缩变形，滚珠不发生打滑，与主动端及从动端的牙槽接触，安全离合器的作用相当于联轴器；当负载震动、超载或机械故障而导致所需扭矩超过设定值（极限扭矩）时，碟形弹簧被压缩，滚珠在弧形槽上打滑，脱离主动端（从动轴停止转动，限制传动系统所传递的扭矩），同时，移位法兰做轴向移动，促使传感器限位开关关闭动力源.当过载情形消失后恢复联结，这样就防止了机械损坏，避免了昂贵的停机损失.滚珠式传感安全离合器从正常工作到过载，滚珠打滑过程如图4所示.

图2 传感限位开关安装位置图

图3 滚珠与两个牙槽接触的局部放大图

图5 单个滚珠受力图

图4 滚珠打滑过程

2 滚珠式传感安全离合器的设计

2.1 力学模型及受力分析

离合器所能传递的极限扭矩是由设计给定的，其计算关键在于确定碟簧作用于滚珠的压紧力与扭矩的关系.根据离合器的结构及工作原理，取滚珠为研究对象对其进行力学分析，如图5所示，从动轴转动时，滚珠在输入端（连接法兰）牙槽中受到4个力的作用，圆周力Fy（从动端牙槽给滚珠的支反力分力）、牙槽弧面法线方向的正压力FR、滚珠与牙槽弧面间的摩擦力Ff、碟簧对单个滚珠的轴向压力P1.滚珠与牙槽分离前，其受力表达式为：

式中：P为单个碟簧的载荷（N）；Pz为碟簧组的载荷（N），若是n个碟簧叠合组合，则Pz=nP;Z为滚珠数目（个）；Fy为单个滚珠传递的圆周力（N）；Ff为牙槽对滚珠的滑动摩擦力（N）；α为接触角；μ为工作面摩擦系数，μ=tgρ（ρ取5～6∘）.

解式（1）、（3）、（4）并整理可得：

如果离合器传递的极限扭矩为Tj，滚珠分度圆直径为Dm，则

2.2 强度校核

取滚珠与牙槽（圆弧形）接触面进行疲劳强度校核.异形曲面互相接触时，未受力的初始接触情况主要是线接触和点接触，当滚珠与牙槽圆弧面相互挤压时，产生赫兹应力，两者的接触可以近似看成球与凹球面的接触，接触区一般呈椭圆形或圆形，滚珠与牙槽接触的剖面图如图6所示，其中H为牙槽深度.牙槽模量及泊松比分别为μ1、E1，滚珠的弹性模量及泊松比分别为μ2、E2.

根据弹性力学[3]知识，接触区呈椭圆形时，最大接触应力σHmax为

式中：F为接触处的法向载荷（N），F=Fy·cosρ/sin(α+ρ)；α为接触角；ρ为摩擦角，取5～6∘；

R为牙槽弧道的曲率半径；r为滚珠半径.

3 结语

图6 滚珠与圆弧形牙槽接触的剖面图

1）安全离合器是近些年才推广使用的一种扭矩限制联轴器，在设备过载时可以有效地保护减速机、电机等动力源，避免造成重大的经济损失.

2）滚珠式传感安全离合器的打滑扭矩（极限扭矩）可以通过调节螺母进行调节，且数值可以直接从螺母上读出，因此，打滑扭矩简单易调、易读.

3）内置精密滚珠机构，可在过载瞬间使主被动传动脱开.

4）安装有过载检测传感器，可以在过载时瞬间关闭动力源.

5）滚珠式传感安全离合器的设计关键在于确定碟簧作用于滚珠的压紧力与离合器极限扭矩之间的关系，并且选用恰当的接触强度公式校核滚珠与牙槽间的接触应力.

6）滚珠式传感安全离合器的设计方法可以作为滚子式安全离合器的设计参考.

[1]田树伟，张培丰.弹簧钢球式安全离合器在钻机中的应用[J].探矿工程，1999（6）：23-24.

[2]陆文遂.碟形弹簧的计算设计与制造[M].上海：复旦大学出版社，1990：19-20.

[3]徐芝纶.弹性力学[M].2版.北京：人民教育出版社，1982：285-302.

A Design of Ball-Safe Clutch with Sensor

CHEN Yun
(Department of Mechanical Engineering,Anhui National Defense Vocational College,Lu'an 237011,China)

Using Solidworks software,this paper draws the model of ball-safe clutch with sensor.According to theoretical mechanics and elasticity method,mechanical analysis model is built,a relationship between force and torque is given,and calibration method about contact strength is proposed.

safe clutch;ball;sensor;mechanical analysis;strength check

TH133.4

A

1008-2794（2012）10-0076-03

2012-09-14

陈云（1983—），男，安徽铜陵人，助理讲师，硕士研究生，研究方向：机械设计.