离合器楔合失败因素分析

万载宏

摘要：本文通过对斜撑式超越离合器的原理和结构受力分析，找出影响斜撑式超越离合器可靠楔合的因素，得出在斜撑式超越离合器设计、制造、使用等方面的控制要素，用于指导排除斜撑式超越离合器契合失败故障。

Abstract： Throughing analyze working principle and structure stress of sprag overrunning clutch ， find the influence factors of the clutch reliable wedge. Obtain the key control elements of designing ，manufacture and working condition ect.Guidance solving of the clutch unreliable wedge.

关键词：斜撑式超越离合器;契合;斜撑块;离合器初始楔角;离合器工作楔角

Key words： sprag overrunning clutch;wedge;sprag brace;initial wedge angle;working wedge angle

0  引言

斜撑式超越离合器作为航空传动系统中的关键部件，需要在高速、重载、受力复杂的工况下稳定可靠工作，一旦出现离合器不能可靠楔合，则会引起传动机件损伤，甚至导致传动系统失效等严重事故，由于目前国内还没有国产化此类离合器，因此通过斜撑式超越离合器结构原理和受力分析，找出影响斜撑式超越离合器可靠楔合的因素和控制要素，既可用于指导排故，也有利于促进斜撑式超越离合器的国产化设计、制造和使用。

以某飞行器传动齿轮箱为例，齿轮箱由大小2个传动源、传动元件（齿轮、轴、轴承等）、1个主2个副斜撑式超越离合器组成，带转多个负载。当齿轮箱小负载运行时由小传动源通过一个副离合器内环带转外环大传动源，同时通过另一个副离合器内环带转外环负载;当需要大负载工作时则大传动源起动升转，小传动源停止工作降转，即主离合器内环升转（大传动源），外环降转（小传动源），当主离合器内环升速超越外环降速瞬间时，主离合器楔合，内环带转外环，外环负载交由内环驱动;同时因小传动源停转使得二个副离合器内环降转，与外环负载脱离。

该齿轮箱2个传动源正常转换的关键是主离合器能正常契合，由于齿轮箱装于飞行器内，在空中复杂工况下，大传动源转速和主离合器受力不稳定，影响了主离合器的正常楔合，导致内环继续升转，外环继续降转，当内外环转差超过大于10%后才楔合，引起楔合时冲击载荷过大，传动轴和负载轴断裂。下面就通过主离合器结构原理和受力分析，找出不能正常楔合带动负载的影响因素。

1  结构原理

①斜撑式超越离合器主要由内/外环、斜撑块、内/外保持架、弹簧波带等组成（如图1所示）;内/外环与斜撑块为主要承载传动零件;内/外保持架起导向作用，使斜撑块在承载时相位一致，承载均匀;弹簧波带的主要作用是使斜撑块与内/外环时刻保持接触，保证离合器随时从超越状态过渡到楔合状态。

②离合器的内环为主动环，外环为被超越环，即脱离状态的承载环，内外环均时针转动;斜撑块的内外凸轮面均是偏心圆弧面，内外环之间的环向间隙为b，斜撑块的长轴尺寸a（最大升程）大于b，斜撑块的短轴尺寸c（最小升程）则小于b。

2  受力分析

①脱离工作状态（小负荷）：外环带转负载工作，外环转速n外远远大于内环转速n内，外环相对于内环顺时针旋转（内环相对于外环逆时针旋转），斜撑块与内、外环滚道之间的摩擦力F内、F外克服弹簧力，使斜撑块围绕自身中心C顺时针转动，由于a小于b，斜撑块便位于内外环之间处于自由状态，内、外环独立旋转，超越离合器处于非楔合状态，外环的负载不能通过斜撑块传递给内環，离合器处于超越脱离状态。

②超越楔合状态（大负荷）：当内环转速上升，外环转速下降，即内环超越外环带转负载时，内环转速n内≥外环转速n外，内环相对于外环顺时针旋转（外环相对于内环逆时针旋转），在弹簧力和斜撑块与内、外环滚道之间的摩擦力F内、F外作用下，克服内、外环传递扭矩负载时而作用在斜撑块上的切向力Fq内、Fq外，使斜撑块围绕自身中心C逆时针转动，由于a大于b，斜撑块便楔紧于内外环之间，使内外环锁闭，内环带动外环转动，外环的载荷便通过楔紧的斜撑块传递给内环，离合器处于楔合工作状态（如图2所示）。

③超越楔紧瞬时受力分析：如果要保证斜撑式超越离合器正常工作，斜撑块必须与内外环契合，斜撑块与内、外环接触点处的摩擦力F内、F外必须分别大于内、外环传递扭矩时作用在斜撑块上的切向力Fq内、Fq外，即：F内>Fq内，F外>Fq外（不考虑弹簧力）。

摩擦力F内=μ内×N内;F外=μ外×N外。

切向力Fq内=tanγ×N内;Fq外=tanβ×N外。

由此得出：μ内>tanγ;μ外>tanβ。

通过图3的几何关系可以推算得出：

角β=arctan;角γ=β+ψ。

3  影响因素

通过以上公式可以看出：实现斜撑式超越离合器正常契合有两个方面的因素，一是摩擦系数，二是离合器楔角，即角γ和角β，下面就这两方面的影响因素进行分析。

3.1 摩擦系数

摩擦系数μ与接触物体材料、接触面情况、相对运动速度这三大因素有关，通过以上公式可以看出，理论上摩擦系数μ越大越有利于契合。

①接触物体材料选择：因为斜撑式超越离合器为高速重载的机械结构，转速达20000转/分钟，受力结构与轴承类似，考虑到高速转动下的承载能力和耐磨性，因此应选择轴承钢类材料，对于不同成份的轴承钢而言，其摩擦系数μ差异不大。

②接触面情况包括表面粗糙度、干湿度和温度：表面粗糙度越大摩擦系数μ越大，表面粗糙度不仅对摩擦系数μ的影响很大，而且对大承载、高速转动下的磨损和寿命影响更大，因此应在保证摩擦磨损、保障寿命的前提下，增加表面粗糙度以增大摩擦系数μ;干湿度和温度在正常工作范围内变化时，对轴承钢类金属材料之间的摩擦系数μ影响不大。

③相对速度可影响摩擦系数μ，对于不同材料相对速度对摩擦系数的影响是不同的，对于含Cr较高的轴承钢而言（如GCr15钢），摩擦系数随法向载荷和滑动速度（相对转速）的增加而降低，因此在保证载荷满足使用条件下，降低相对速度可提高摩擦系数μ。

3.2 角γ和β

①斜撑式超越离合器的关键元件是斜撑块，离合器刚楔合受力时形成的楔角为初始楔角ψ，通过以上公式可以看出：角γ和β与离合器初始楔角ψ密切相关，设计或选型离合器时，必须计算离合器的初始楔角ψ，保证离合器在加载楔合时μ内>tanγ和μ外>tanβ。初始楔角ψ主要由斜撑块楔合受力时的内、外侧型面半径r内、

r外以及外环内径R外、内环外径R内所决定。

②离合器在加载过程中其楔角会发生变化，离合器在加载契合过程中形成的楔角为工作楔角ψ'，工作楔角ψ'会随斜撑块与内外环接触切点Q/P位置变化而变化，因此加载契合过程中的工作楔角ψ'大小由斜撑块内、外侧型面上切点Q/P位置决定，而切点Q/P的位置又受斜撑块内外侧型面与内外环尺寸，斜撑块与内外环之间磨损变形，以及传载时受力大小和方向等因素影响。

1）斜撐块内外侧型面与内外环尺寸影响：初始楔角ψ和工作楔角ψ'决定了离合器的综合性能，初始楔角ψ过小会影响离合器的脱开并在超越状态下加速斜撑块与内环的磨损，工作楔角ψ'过大会出现打滑和斜撑块翻转，使离合器不能自锁楔合，因此初始楔角ψ和工作楔角ψ'是设计的关键参数，是实现斜撑式超越离合器正常工作的关键，因此应计算保证最小楔角ψ（不打滑或翻转）的情况下，取较大楔角ψ（减小磨损），增加可靠性，提高承载力和寿命。

2）斜撑块与内外环之间磨损变形影响：由于长时间在脱离工作状态（小负荷）工作，离合器C处于超越脱离状态，但在弹簧力作用下，高速旋转运动会导致斜撑块内、外侧型面与内外环出现较大磨损，引起R内、R外和r内、r外尺寸变化，对工作楔角ψ'产生很大影响（内外环每磨损0.05mm，通过计算角度有明显变化），从而导致tanγ和tanβ较大变化，影响正常楔合，因此重点考虑弹簧力、内外环转速以及材料的耐磨性。

3）传载时受力大小和方向影响：当内外环的同轴度不满足要求时，会导致超越楔紧瞬时斜撑块与内外环间径向力N内和N外产生不必要的分力，从而改变斜撑块与内、外环接触点处的摩擦力F内和F外，公式μ内>tanγ和μ外>tanβ不成立，严重影响正常楔合，出现打滑或翻转;超越楔紧瞬时相对速度和离合器的振动对传载时的受力大小和方向影响极大，当内外环转速发生波动时，导致内外环与斜撑块的相对速度发生变化，从而改变受力方向，严重影响正常楔合，出现打滑或翻转。

4  控制要素

通过以上的影响因素分析，可以得出斜撑式超越离合器可靠契合所需要控制的关键要素，防止契合失败故障重复发生。

4.1 设计环节

①初始楔角ψ计算或选型不当，无法保证μ内>tanγ和μ外>tanβ，导致不能可靠契合;

②材料选择和粗糙度设计时对摩擦系数μ考虑不周，尤其是粗糙度设计不妥，导致承载后斜撑块磨损异常，工作楔角ψ'偏离初始楔角ψ太多，从而导致不能可靠契合。

4.2 制造环节

关键设计指标在制造时未满足设计要求，重点是内外环的同轴度和内外环粗糙度，导致内外环径向跳动或齿轮箱振动异常，引起传载时受力方向改变，不能正常契合。

4.3 使用环节

①传动源A升转或E降转速时出现脉动或波动，内环加速度或外环减速性不稳定，引起斜撑块与内外环相对速度方向改变，导致摩擦力方向改变，不能正常契合;

②齿轮箱工作环境受力复杂，减震等效果不满足要求，导致飞行器异常振动传递给齿轮箱，导致受力方向改变突变，不能正常契合。

5  结束语

影响斜撑式超越离合器的可靠楔合有设计、制造和使用三方面的因素，关键的控制要素包括：为了工作楔角ψ'与初始楔角ψ一致，设计出磨损最小情况下的最大摩擦系数;为了受力方向不变，制造时提高内外环的同轴度;为了内外环与斜撑块的相对速度方向不变，使用时减少内环加速和外环减速的不稳定性，以及减小外力传递给离合器。

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