一种新型液压摩擦片式离合器

武晓杰 王显春

（沈阳机床股份有限公司，沈阳 110000）



一种新型液压摩擦片式离合器

武晓杰 王显春

（沈阳机床股份有限公司，沈阳 110000）

摘 要：离合器是机械装备中的重要部件。为适应机械传动的需要，目前离合器的种类多种多样。本文对当今常见的离合器分类、工作原理进行简述，在此基础上提出了一种新型液压摩擦片式离合器，并对其机械结构进行介绍，同时对离合器额定动静摩擦转矩进行理论计算，最后介绍其在数控卧式铣镗床上的应用，并展望其前景。

关键词：离合器 数控机床 摩擦片

前言

在机械传动链中，离合器在动力切换、过载保护等方面发挥着重要作用。按其总体结构分类，它主要可分为牙嵌式、齿轮式、摩擦锥式、离心式、超越式、摩擦片式等。按离合器动作驱动方式分类，它主要可分为机械式、电磁式、液压式[1]。其中，机械式离合器与电磁式离合器应用最为广泛。

机械式离合器主要用于过载保护或手动换向，大多在传动系统静态或低转速条件下进行结合脱开，且响应时间较长，在自动化控制中应用较少。电磁离合器则主要通过电流流经电磁线圈产生电磁力，实现结合部位的松开、吸合，从而实现机械传动链的通断。其动作响应时间短，结构紧凑。但电磁式离合器由于受电磁线圈线径、额定电流的局限，一般额定静态、动态传递力矩不太大。因此，它在某些结构要求紧凑、力矩传递要求高的机械部件中很难应用。液压式离合器由于采用液压控制，能够传递较大的静、动态扭矩，在机械设计中可以作为电磁离合器的一种补充。

本文因卧式铣镗床传动结构需求，设计出一款液压摩擦片式离合器，以替代原机床快速箱部件中的电磁摩擦片式离合器，以期在有限的机床快速箱内部空间内，大幅度提升传动扭矩，使改型机床的动力输出更为充足，切削能力进一步提高。

1 新型液压离合器机械结构

如图1所示，当油缸体内注入压力油时，活塞6推动推力球轴承7，经挡圈8对内外摩擦片组施加正向压力，离合器处于结合状态，动力经花键套1输入，由连接法兰13输出；当油缸内液压油泄压时，碟簧复位机构9推动挡圈8，使推力球轴承7、活塞6复位，内外摩擦片间产生间隙、离合器处于脱开状态。每次松开、结合的活塞行程控制在0.5mm左右。油缸缸体采用45#钢材质，缸体内圆面精车，表面粗糙度Ra1.6以上。活塞采用40Cr材质，淬火至HRC52以上，内外圆精磨，外圆与缸体保持0.008～0.012mm的间隙，里孔与缸体保持0.05～0.08mm的间隙。内摩擦片采用标准87/SZSC31-2型，共5件；外摩擦片采用标准100/ SZSC31-3型，共4件。

2 静、动态额定扭矩的理论计算

2.1 摩擦片组正压力与离合器输出扭矩的关系

液压离合器摩擦片组部分参数可作如下假设：p，摩擦片结合面正压力（Pa）；D1，摩擦片结合面底径（mm）；D2，摩擦片结合面顶径（mm）；Dp—摩擦片结合面中径（mm）；S，摩擦片结合面面积（mm2）；Z，摩擦面对数；i1，主动片片数；i2，从动片片数；f，摩擦系数（钢-钢）。

于是，单摩擦面在结合面正向压力 的条件下，可确定输出的传递扭矩m，如式（1）。

图1 液压摩擦片式离合器

该离合器主动片片数i1=5，从动片片数i2=4，摩擦面对数Z=8，于是可求得摩擦片组正压力p与离合器输出扭矩M之间的关系如式（3）所示。

2.2 油缸输入油压P与磨擦片组正压力p之间的关系

假设油缸部分参数如下：Sy，油缸截面积（mm2）；Dy1，活塞里孔直径（mm）；Dy2，活塞外圆直径（mm）。

于是，由活塞6的平衡条件得：

2.3 油缸输入油压P与离合器输出扭矩M之间的关系

联立式（3）、式（4），可得

2.4 液压离合器静态额定扭矩Ms与动态额定扭矩Md的计算

该离合器采用湿式摩擦片，动摩擦系数fd=0.08，静摩擦系数fs=0.12。（参考《机床设计手册》）

调整油缸液压油压力的上限值，取决于摩擦片间的许用比压[p]，即摩擦片组正压力p≤[p]。若p＞[p]，则摩擦片间的磨损会加剧，离合器寿命会降低。根据《机床设计手册》查得摩擦片钢—钢条件下的许用比压[p]=12kgf/cm2= 1.176MPa。

取p=[p]为条件，计算离合器静态额定扭矩Ms与动态额定扭矩Md。此时，由式（4）可得油缸油压 。

表1 液压离合器部分尺寸参数

当式（5）中f=fd时，可求得离合器的动态额定扭矩Md≈106Nm；当f=fs时，可求得离合器的静态额定扭矩Ms≈212Nm。

3 与DLM3型电磁离合器性能比较及其实际应用

DLM3型摩擦片式电磁离合器由于具有易于自动化控制、结构可靠、响应时间短等特点，在当今机床行业中的应用十分广泛，见图2。例如，数控卧式铣镗床主轴箱中镗轴与平旋盘滑块间的走刀换向，数控车床床头箱主传动高低档变速等。

图2 DLM3系列摩擦片式电磁离合器

但是，电磁离合器受电磁力的局限，额定动静扭矩较液压式离合器要低。本文所述液压离合器外观尺寸参考DLM3-5型电磁离合器设计，离合器外径、内孔花键尺寸均与之相同，只是轴向尺寸略有增加。两者额定动静扭矩对比见表2。

表2 两种离合器额定静动扭矩对比

由表2可知，液压离合器额定动静扭矩能达到相近尺寸电磁离合器的2倍以上，扭矩传递性能更为优越。

另外，通过调整离合器油缸中液压油的输入压力，可以方便地调定最大传递扭矩，适用于机械设备中使用过载结合子的场合，这一特性也优于电磁离合器。

将该型液压摩擦片式离合器用于沈阳机床某型卧式铣镗床结构改进中，获得了良好效果。通过替换卧式铣镗床快速箱中电磁摩擦片式离合器，并为之配置液压管路，机床Z轴的承载能力及利用镗轴进行重切钻孔的加工能力均获得了大幅度提升。通过近一年的验证，证明该离合器有效、可靠，见图3。

图3 液压摩擦片式离合器的实际应用

4 结论及展望

本文介绍了一种新型液压摩擦片式离合器，阐述了其机械结构、理论计算、性能对比以及实际应用。由于其具备结构简单、额定扭矩大、输出扭矩可调、易于自动化控制等特点，相信会给机械从业者以借鉴，并在未来获得一定程度上的应用。

参考文献

[1]何伯吹.机床设计手册2——零件设计[M].北京：机械工业出版社，1979.

[2]乌尔里希•菲舍尔.简明机械手册[M].长沙：湖南科学技术出版社，2012.

New Type Friction Clutch Controlled by Hydraulic Pressure

WU Xiaojie
（Shenyang Machine Tool Co., Ltd,Shenyang 110000）

Abstract:The clutches a re important part in mechanical equipment. For the needing of mechanical transmission, many types of clutch are applied. This article introduce the classification and working principle of common clutches and propose a new type of clutch controlled by hydraulic pressure. Introduce its mechanical structure and get the formula of how to calculate static and dynamic torque. Finally, introduce its appli cation on horizontal milling and boring machine and discuss its prospect.

Key words:Clutch,CNC machine,Friction plate