斜撑式超越离合器摩擦力矩测试装置

李慎华，闫素娜，李泽强，张少龙

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039；4.北京控制工程研究所，北京 100091)

斜撑离合器是离合器的重要分支，在航空领域中广泛应用于直升机主减速器以及固定翼飞机的起动机[1]。斜撑离合器装在主机内，为使其随时处于传递扭矩的姿态，斜撑块的工作表面必须与内、外套滚道的工作表面保持接触状态，带状弹簧的舌簧对楔块侧面的压力导致斜撑块与滚道之间存在一定的接触应力，当接触应力过大时，在超越状态下会加速斜撑块与滚道的磨损，使离合器过早失效。目前，通过专用摩擦力矩仪对离合器摩擦力矩进行测试,是控制斜撑块与滚道接触应力大小最有效的方式。

1 斜撑离合器的结构与工作原理

斜撑离合器是一种靠主、从动部分的相对运动速度变化或回转方向的变换自动接合或脱开的离合器[2],基本的斜撑离合器结构如图1所示，主要由外套(通常作为从动元件)、内轴(通常作为主动元件)、成组的斜撑块、内保持架、外保持架和带状弹簧等组成。

图1 斜撑式超越离合器结构示意图

如果内轴沿逆时针方向的旋转速度ni试图大于外套转速ne时，因带状弹簧的张紧力和斜撑块与滚道面的摩擦力，引起斜撑块围绕其自身的中心按顺时针方向转动。由于斜撑块尺寸b大于外套与轴之间的径向距离a，于是斜撑块便楔入内轴与外套之间实现刚性连接，从而使内轴与外套相互形成楔紧闭锁来传递扭矩，离合器处于传动状态。

如果外套沿顺时针方向的转速ne试图大于内轴转速ni时，在斜撑块和滚道间的摩擦力克服弹簧的张紧力，引起斜撑块围绕其自身的中心按逆时针方向转动，因斜撑块尺寸c小于两环间的径向距离a，斜撑块就脱离楔合状态，内轴与外套彼此独立运动，离合器处于超越状态。在超越状态时，带状弹簧通过弹簧力迫使离合器的斜撑块与两环滚道保持接触状态[3]。

2 摩擦工况分析

2.1 斜撑块的静态受力分析

离合器安装于主机内后,在弹簧的作用下，斜撑块会贴合在外套与内轴的滚道上，两滚道与斜撑块间产生一定的接触压力，斜撑块的静态受力情况如图2所示。

图2 初始状态时斜撑块的受力情况

2.2 超越时离心力对斜撑块的影响

超越状态下，离合器不承受扭矩，影响斜撑块受力的主要是弹簧力及斜撑块自身的离心力。如图3所示，斜撑块的质心位于接触线(图中虚线)的左侧，当离合器外套旋转处于超越状态时，由于离心力的作用使斜撑块形成一个FcL的力矩，该力矩可降低斜撑块在内轴上的接触压力，当离心力矩值Mc大于斜撑块与外滚道产生的摩擦力矩M时，斜撑块与内轴脱开不再接触，可降低斜撑块与内轴的磨损[4]。

图3 离心力对斜撑块的影响

推导得斜撑块的离心力及离心力矩分别为

(1)

Mc=NFcL，

(2)

式中：Fc为每个斜撑块的离心力，N；ms为单个斜撑块的质量，kg；Rs为旋转中心到斜撑块质心的距离，mm；Mc为全部斜撑块的离心力矩，N·mm；N为离合器中斜撑块的数量；L为斜撑块质心到接触线的距离，mm。

2.3 斜撑离合器减磨约束条件

由于离心力产生力矩Mc降低斜撑块在内轴滚道上的接触压力，从而减小测试摩擦力矩M，因此当Mc>M时，斜撑块与内轴滚道分离。

根据(1)和(2)式可以得出超越离合器减磨设计的约束条件为

(3)

3 摩擦力矩测试装置

3.1 测试原理

当外滚道静止不动，内滚道按超越方向转动时，离合器与滚道之间的摩擦力矩为

M=NF1μR1，

(4)

式中：F1为斜撑块内圆弧面与内轴间的接触压力，N；μ为钢对钢的摩擦因数；R1为内套半径，mm。

3.2 测试方法

摩擦力矩测试仪由仪器主体、精密轴系、力矩传感器、力矩标定机构、驱动单元、测量控制电路、计算机系统(主流配置)等构成。机械主体如图4所示，主轴轴系用于支承离合器，驱动部分通过调节外套转速驱动离合器旋转，通过力矩传感器实时采样摩擦力矩。

图4 机械主体结构示意图

斜撑式超越离合器摩擦力矩测试仪采用直接法，离合器通过测量工装安装在主轴上，测量工装与固定在导轨上的力矩传感器相连接。电动机驱动主轴，从而通过测量工装带动离合器外套转动，由于摩擦力矩的存在，会带动内轴转动，力矩传感器阻碍离合器的内轴旋转，与离合器的摩擦力矩保持动态平衡，则力矩传感器的输出力矩即被测离合器的摩擦力矩。测量仪与计算机相连接，通过计算机实现整个测量过程的控制与数据采集及处理，在测量结束后对摩擦力矩测试结果、变动曲线进行评定、分析并描绘离合器整个转动过程中的力矩动态曲线，给出最大值、最小值和平均值。

该离合器摩擦力矩测试装置有以下特点：

1)测量方法简单，易于掌握，所用的力矩传感器可以根据要求采购；

2)测量应变的灵敏度高，测量范围大；

3)可在高温、低温、高转速、强磁场等特殊工况下进行测量;

4)测量结果直接通过计算机处理，便于传递，数显和自动打印。

为了验证测量仪测值的准确性，采用输入标准力矩值与设备实际输出力矩值相比较进行判定，验证原理如图5所示，标准盘与仪器主轴连接，以标准盘半径和砝码的质量乘积作为标准力矩。测量结果见表1，由表中数据可知，测量误差均小于允许误差(±5%)，说明该测量仪的测量精度能够满足使用要求。

图5 力矩验证原理示意图

表1 标准力矩和测量力矩对比

4 结束语

通过对斜撑式超越离合器的摩擦工况进行分析，讨论了各约束条件对摩擦性能的影响，着重分析了斜撑块离心力对空载摩擦力矩的影响及斜撑块与内滚道分离的临界条件。设计了一种斜撑式超越离合器摩擦力矩测试装置，通过对离合器摩擦力矩的批量测试，该摩擦力矩测量仪运行稳定，操作简便，易于维护，测量精度高，可有效地实现对离合器超越摩擦力矩的测试，从而更好地控制产品质量。