短轴配装大扭矩弹簧闸块离合器应力缺陷与改进

徐元章，刘丽娥

(1.福州市农业科学研究所，福州 350018；2.福州枫蕊生态科技有限公司，福州 350003)

0 引言

离心离合器的种类繁多[1]，它是靠离心体产生离心力来达到自动分离或接合的重要农机传动部件，设计选配时要考虑动力输出的最大扭矩、结合转数和打滑转数[2-5]。一种主动轮和从动轮不能自由分开的一体式大扭矩弹簧闸块离合器(以下简称为“大弹闸离合器”)，采用两侧各1件的环形拉簧串联3～4片闸块并作为弹性元件，通过主动轮的支架轴套套装在动力输出轴上。现有该种离合器主动轮的支架轴套长度都小于从动轮的长度(本文均指轴向长度，下同)，当它作为本田GX390型汽油机等输出轴长度为60 mm动力的大扭矩传动部件时，一般都是将其安装在汽油机输出轴上，而位于输出轴外端的皮带槽部分区域却处在无输出轴支撑的悬空状态，在此称之为“正向安装”方式。作为高速运转且受到冲击力的动力输出连接件，仅运行100 h后就产生了输出轴、键、键槽和离合器的轴套严重磨损、松动等可靠性问题。可见常规的大弹闸离合器存在产品设计、安装与应力方面的缺陷，且未见文献报道[6-9]。经过产品改进后的新型离合器并采用反向安装的方式，能解决常规大弹闸离合器产品结构与安装方面的缺陷而成为大扭矩动力输出的传动部件。

1 现有大弹闸离合器应力缺陷分析

1.1 现有大弹闸离合器的结构特点

根据《GB/T13575.2—1992普通和窄V带传动》第2部分，大功率的动力需要配装3～4个V型B槽的大弹闸离合器才能带动，离合器的两V型B槽的间距为19 mm，动力输出轴长度为60 mm的大扭力GX390型汽油机属于短轴型的动力机，匹配的3个V型B槽大弹闸离合器机件长度约为GX390型汽油机输出轴长度的2倍，所以现有2～4个V型B槽的大弹闸离合器主动轮的支架轴套一端凹入V型槽皮带轮侧面20 mm以上，以便紧固螺栓能旋入输出轴固定，并使螺栓头能隐藏在V型槽侧面。

1.2 现有大弹闸离合器与安装方式与故障问题

现有大弹闸离合器安装时人们常把从动轮的内轮毂装在汽油机输出轴基部，靠近汽油机曲轴箱一侧安装，正向安装，以利于皮带的装卸和整机协调性，而位于输出轴外端的1～3条皮带槽区域的轴心却处在无输出轴支撑的悬空状态。作为高速运转且受到冲击力的动力输出连接件，该离合器仅靠其轴套内的两个支点来承受应力，由此产生力矩使得两个支点受到的应力大于材料的屈服压强而发生塑性应变。2016年风送式喷雾机项目组配套的GX390型汽油机正向配装大弹闸离合器在带动离心风机和药泵运行100 h后，发出传动异响而紧急停机检修。

停机拆卸了大弹闸离合器，结果见图1。发现GX390型汽油机的输出轴及其键槽、离合器的键槽均被磨损，支架轴套中段的内管壁被磨损成扩管状，原为6 mm×6 mm×30 mm的正方形键被磨损成截面为工字型，固定螺栓出现滑牙而松动，且GX390型汽油机输出轴内侧的垫片被磨损，使得GX390型汽油机的曲轴箱体被二槽离合器的内轮毂侧面摩削而发出传动异响。

图1 正向安装大弹闸离合器100 h后的故障

1.3 现有大弹闸离合器的应急修复

针对大弹闸离合器存在的上述问题及其原因分析，鉴于发生故障的大弹闸离合器的支架轴套在皮带轮一侧还有30 mm的支架轴套内圆面和键槽之前没承受应力而相对完好，决定现场对大弹闸离合器应急修复。采用焊接后磨削修复了输出轴的键槽，现场加工了长60 mm的键并采取与常见安装方式相反的反向安装法，即皮带槽位于输出轴的近曲轴箱体一侧、内轮毂位于输出轴的顶端(以下简称为“反向安装”)。虽然应急维修后采用反向安装方式的大弹闸离合器会给皮带安装或拆除带来不便，并影响了整机的工业设计美感，但大弹闸离合器位于皮带轮一侧的皮带槽内的支架轴套部位被动力输出轴相对均匀地承托，改变了原来大弹闸离合器所受的偶合总拉力由两个点来受力而超过材料的屈服压强的安装缺陷，解决了常见的大弹闸离合器正向安装产生机械应力缺陷的问题，使得药械能正常运行。

2 新型离合器的改进

分析大弹闸离合器故障并应急维修后，鉴于开发的风送式喷雾机配套大功率GX390型汽油机动力输出的需要，决定选配一种主动轮支架轴套长度大于从动轮长度的大扭矩的三个B型槽的大弹闸离合器。但市场上买不到合适的产品，通过与厂家联系改进并定制新型离合器，在转速、扭矩等相关参数都符合要求的情况下，按固定新型离合器的螺栓形态试制加工了能反向安装的新型离合器。图2为新型离合器反向安装的装配图。

1.全牙长螺栓； 2.弹簧垫片；3.固定轴塞；4.拉簧；5.离心闸块；6.摩擦块；7.支架轴套； 8.内轮毂； 9.内轴承；10.外轴承；11.外卡簧；12.内卡簧；13.输出轴；14.调位垫片；15.键；16.卡簧防护挡片组件图2 新型离合器反向安装的装配图

改进后的新型离合器与常规的大弹闸离合器的参数对比见表1。

表1 改进前后大弹闸离合器的主要参数

在图3中，新型离合器由离心闸块、支架轴套、内轴承、皮带轮、外轴承、外卡簧、内卡簧、圈簧、卡簧防护挡片组件等组成，将上述部件按图3中方位装配成新型离合器后，将调位垫片和键按图示设置，把穿过弹簧垫片、固定轴塞后全牙长螺栓的螺纹旋进输出轴的中心螺孔内锁紧，与现有的大弹闸离合器相比，新型离合器显著特点是支架轴套的长度大于从动轮的长度。

采用新型离合器及其反向安装方式，通过300 h的可靠性试验证明这样的改进设计是可靠的，可克服动力输出轴偏短而不能全部承托整个新型离合器所产生的应力缺陷对结构的破坏问题，5年多来新型离合器在风送式喷雾机等装备作为的大扭矩传动部件应用，未出现任何故障或可靠性问题。

3 结语

在设计、生产或选配大扭矩的大弹闸离合器时，不能只考虑动力输出的最大扭矩等常规参数，在动力输出轴短于大弹闸离合器长度安装条件下，正向安装的方式会使大弹闸离合器与输出轴之间在运行中仅靠两个点受力，这两点的应力超过材料的屈服压强极限就会出现磨损和故障和可靠性问题；针对当前大弹闸离合器正向安装短轴上存在的应力缺陷，须加长大弹闸离合器的支架轴套至大于从动轮的长度，还需配有固定轴塞、卡簧防护挡片组件的辅助结构，采用反向安装以使得从动轮皮带槽区域均被动力输出轴承托，使大弹闸离合器与输出轴之间产生的应力由它接触的“线段”的区域来均匀分摊受力，克服应力缺陷解决机件稳定性和可靠性问题；在有条件时，应选择动力输出轴的长度与大扭矩的新型离合器的轴向长度相等的动力。

通过对大扭矩弹簧闸块离合器的缺陷分析与结构、安装的方式的改进，该新型离合器作为大扭矩传动部件可应用于风送式喷雾机、粉粹机、水泵等须卸载起动的农林机械装备，确保了农机装备性能的稳定。