斜撑式超越离合器用楔块的分类及成型方法

李继锋 宗晓明 李泽强

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

超越离合器是机械传动的基础件之一，它是一种靠主、从动部件的相对速度变化或旋转方向的变换而具有自行离合功能的组件。超越离合器按其工作原理分为棘爪式和摩擦式两类。棘爪式超越离合器是利用棘轮棘爪、滑销、牙嵌等接合元件来传递扭矩。摩擦式超越离合器按照楔紧元件的不同，常用的有滚柱式超越离合器和斜撑式超越离合器两种结构形式，其分别利用滚柱或楔块作为楔紧元件来传递扭矩。

斜撑式超越离合器是继滚柱式超越离合器之后开发的一种新型离合器，它的工作取决于放置在内环和外环之间的楔紧元件——楔块，使其回转时可以在一个方向上传递转矩，而在另一个方向上具有相对空转的功能。斜撑式超越离合器以楔块来代替滚柱，内、外环多采用圆形滚道。与滚柱式超越离合器相比，具有承载能力大、可靠性高、反向解脱轻便、结构紧凑、加工方便和适合批量生产等特点，在机械传动中得到广泛的应用。

目前，国内对斜撑式超越离合器的研究起步较晚，研究比较分散，也没有专业化的生产厂家，超越离合器的关键设计参数和加工工艺还没掌握，产品的可靠性较低，大多军、民领域用产品被国外厂家占据。而国外已有很多专门从事该类型超越离合器设计的公司，如德国Stieber、Ringspann 和GMN，美国Formsprag，日本NSK 均能生产各种规格、性能可靠、可满足不同工况条件的军、民品用产品，产品已经实现系列化和标准化。因此，开展斜撑式超越离合器的研究，缩小与国外的差距具有重要的意义。

楔块作为斜撑式超越离合器中的关键零件，不但形状特殊，尺寸精度要求高，其形状设计和成型加工精度，都直接决定着超越离合器的功能实现和使用寿命。本文对楔块从不同角度进行分类探讨，并阐述了楔块常用的成型加工方法，为楔块的选型和加工制造提供参考，具有实际应用意义。

1 楔块的特点

楔块作为超越离合器中重要的楔紧元件，具有几何形状复杂、尺寸精度要求高等特点。楔块设计的核心在于选择恰当的初始位置的接触角，初始接触角设计过小，离合器容易啮合，但难以脱开，而初始接触角设计过大，离合器承载大，但离合器难以啮合。一旦预定合适的初始接触角后，各种通用规格楔块的外形基本上得以确定，一般不得随意更改楔块外形。而且楔块的加工制造通过常规方法难以实现，需采用特殊的加工工艺。

楔块的材料应同时满足强度及耐磨损的需求，通常选用轴承钢和高温钢等材料，硬度一般在60 HRC以上，工作型面表面粗糙度Ra为0.2～0.4 μm。此外，在一套超越离合器中，楔块均需单独测量和分组，同一组中其直线度和高度尺寸差通常应在0.01 mm以内，以便使所有楔块的应力和磨损分布更均匀，提高离合器的寿命。

2 楔块的分类

2.1 按尺寸规格

目前，国外的离合器生产厂家已经专业化、产品实现系列化和标准化。按内、外环滚道之间形成环形空间的径向尺寸大小，国外几家大的离合器厂家分类出4 种通用规格的楔块，其规格分为6.3 mm、8.33 mm、9.5 mm 和12.7 mm，基本覆盖了常用的内、外环滚道的直径范围和工作扭矩。表1 所示为目前通用规格楔块的特性，包括了楔块的尺寸规格、内、外环滚道径向尺寸的允许公差、推荐内环直径和楔块长度等参数，在离合器设计时，可根据具体工况，计算选择相应参数。

表1 通用规格楔块的特性

2.2 按截面形状

斜撑式超越离合器所用的楔块大都有特殊的截面形状，常用的楔块截面形状如“8”字形、桃形、“D”字形、中凸形和防“翻转”形等，如图1 所示。设计离合器时，可根据具体使用要求选用不同截面形状的楔块。

图1a 所示“8”字形楔块主要应用于双保持架结构的全相位型超越离合器。该型超越离合器可以保证全部楔块总是保持同样的相对角向位置，即离合器在超越或啮合时楔块转动能够保持很好的一致性，从而使得承载均匀，该类型楔块在斜撑式超越离合器中应用最为广泛。

图1b 所示桃形楔块多用于摩托车和高压开关用超越离合器。

图1c 所示“D”字形和图1d 所示中凸形楔块，适用于满装楔块的超越离合器，在同样结构尺寸下，可以安置更多楔块，因此能承受更大的传递扭矩。

图1e 所示防“翻转”楔块，采用该类型楔块的离合器称为强制连续约束型超越离合器，因为在其侧面具有特殊几何形状的凸缘，在过载条件下，楔块上的凸缘互相邻接，因而形成一个不能“翻转”的整体结构，楔块只会与内、外环滚道发生打滑，使用更加安全可靠。

2.3 按质心位置

超越离合器在高速超越旋转时，楔块会产生离心力。根据楔块质心与接触线m 的位置不同，楔块分为离心啮合型和离心脱开型。其中，接触线m 是指楔块外凸轮工作型面与外环滚道的接触点同内、外环滚道圆心的连线。

图2 所示为楔块的质心位置图，图2a 所示为离心啮合型楔块工作示意图，图2b 所示为离心脱开型楔块工作示意图。离心啮合型楔块的质心G 是位于接触线m 的右侧，此时形成的离心力矩可以很好的实现楔块与内、外环在高转速下的动态接合能力，但在超越过程中楔块与滚道的磨损会增大。而离心脱开型楔块的质心G 位于接触线m 的左侧，当外环超越旋转时，楔块在离心力作用下会形成一个离心力矩，该力矩减小了楔块与内环之间的接触压力，从而减少了离合器在高速旋转下，楔块与内环滚道的摩擦和磨损。

因此，离心啮合型和离心脱开型楔块的特性总结如下:

(1)离心啮合型:在不同转速下动态迅速啮合性能好，但超越时摩擦和磨损较大，适合用于长期啮合为主的工况条件。

(2)离心脱开型:在离合器高速超越时，摩擦和磨损小，但不适用于内、外环均为高转速下的啮合，适合用于内环或外环一方静止下的长期超越的工况条件。

2.4 按工作型面

作为超越离合器楔紧元件的楔块，其工作型面分为外凸轮工作型面和内凸轮工作型面，外凸轮工作型面与外环滚道接触，内凸轮工作型面与内环滚道接触，如图3 所示。其中，外凸轮工作型面一般为单圆弧，而内凸轮工作型面可采用多种型面类型，如偏心圆弧、阿基米德螺线、对数螺线等。因此，按工作型面类型的不同，楔块可分为偏心圆弧型面楔块、阿基米德螺线型面楔块和对数螺线型面楔块。

偏心圆弧型面楔块，内凸轮工作型面可以采用单圆弧、两个或两个以上圆弧合成，该类型楔块在超越离合器中应用最为广泛。阿基米德螺线型面楔块的楔角随着极角的增大而减小，在负载下，楔角的变化与极径ρ、外凸轮工作型面半径r0、内环滚道半径R0和外环滚道半径R0有关。而对数螺线型面楔块的楔角不随着极角的变化而变化，在负载下，楔角变化只与外凸轮工作型面半径r0、内环滚道半径Ri和外环滚道半径R0相关，具有楔角稳定性好、载荷均匀、抗负载能力强和动力学性能好等特点。

楔块的工作型面对超越离合器的楔合性能有着重要影响。楔块工作型面的设计影响着超越离合器的楔角、溜滑角和凸轮升程，其工作型面的形状及参数设计是否合理直接关系到离合器的工作性能。

3 楔块的常用成型方法

楔块的加工精度对超越离合器的使用性能有决定性影响，其成型方法是离合器加工中的关键技术。目前，楔块的常用成型方法主要采用拉拔、线切割和挤压。

3.1 拉拔成型

拉拔是利用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料断面的模孔中拉出，以获得相应的形状和尺寸制品的一种塑性加工方法。由于拉拔多在冷态下进行，因此也叫冷拔。拉拔生产的工具与设备简单，维护方便，在一台设备上可以生产多种规格和品种的制品。

通常楔块的拉拔成型过程如图4。

通过对楔块的坯料经过一系列的模具多道拉拔成型，既保证了其横截面轮廓及尺寸，又具有理想的金属流线。对于截面形状不同的楔块，拉拔道次随楔块的形状与复杂程度进行调整。但拉拔由于成型道次多，每道拉拔后均需退火，退火工序多，一般成材率较低。此外，由于楔块的截面呈非对称状态，拉拔结束后会产生较为严重的弯曲和扭曲变形，因此，需要对最后一道拉拔完成后的坯料进行校直，以保证切断后每个楔块的直线度满足成品要求。

国外主要采用的为拉拔成型方法，这种方法生产效率高、表面光洁、成本低、质量一致性高，适用于大批量生产。国内还需要对楔块的拉拔模具、拉拔工艺和校直技术等进行研究，提高楔块的质量和成品合格率，建立专用生产线，才能真正解决楔块的批量生产。

3.2 线切割成型

目前国内超越离合器的生产还未达到系列化和批量化，部分生产厂家对楔块的成型采用线切割加工，为保证工作型面的表面粗糙度，线切割成型后再进行磨加工，来修磨工作型面成型，这种方法虽然加工精度高，但效率低、成本高，因此，只适用于小批量，高精度生产要求。

3.3 挤压成型

挤压作为金属塑性成型技术的重要成型方法，通过改变挤压模孔的形状既可得到各种不同形状的制品。随着高强度模具材料的发展，冷挤压取得迅速发展。挤压成型产品具有尺寸精度高、表面光洁、提高金属材料的抗变形能力以及生产的成品率较高等特点。

挤压成型工艺在楔块的成型方法中，国内尚处于探索阶段，如何提高成型能力与表面质量是该工艺在楔块成型中亟待解决的问题，该工艺在楔块成型中的应用具有较大的潜力。

4 结语

从不同角度对斜撑式超越离合器用楔块进行了分类，从尺寸规格、截面形状、质心位置以及工作型面的角度对楔块进行了探讨，分析了不同种类楔块的工作特点，为离合器设计与应用过程中楔块的选择提供了依据。此外，对楔块的常用加工成型方法进行了探讨，可为楔块的加工制造提供参考。

［1］《航空发动机设计与手册》总编委会.航空发动机设计手册第13 册“减速器”［M］.北京:航空工业出版社，2001.

［2］段广汉，舒森茂，王传贤，等.离合器结构图册［M］.北京:国防工业出版社，1985.

［3］成大先.机械设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［4］吴凯.高速斜撑式离合器楔块工作型面及动力学特性研究［D］.长沙:中南大学，2011.