李德軍，王焌雄

(1.四川科技職工大學(xué)機(jī)電研究所，四川成都 610101)(2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065)

我國(guó)80%以上的輪式裝載機(jī)裝備有超越離合器，由于超越離合器結(jié)構(gòu)及工作方式的特殊性，國(guó)內(nèi)針對(duì)超越離合器進(jìn)行性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)還比較缺乏，因此研制超越離合器性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)其性能參數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)條件是十分必要的，從而可更好地滿足日益提高的市場(chǎng)需求［1－2］。

目前，國(guó)內(nèi)外的離合器測(cè)試系統(tǒng)多為基于微機(jī)控制的試驗(yàn)臺(tái)，是包括控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的綜合測(cè)試設(shè)備［3－9］，這類測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴。

基于目前超越離合器測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耗能低的超越離合器壽命測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)利用純機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬超越離合器實(shí)際工況，運(yùn)用三維建模和動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)其壽命測(cè)試功能。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 測(cè)試裝置功能及技術(shù)指標(biāo)

1)測(cè)試裝置工作原理。利用電機(jī)與減速裝置輸入動(dòng)力，帶動(dòng)超越離合器正常旋轉(zhuǎn)，通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)使被測(cè)超越離合器在旋轉(zhuǎn)過程中不斷實(shí)現(xiàn)接合與超越兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來模擬實(shí)際工況，并使超越離合器在接合狀態(tài)下滿足受載要求;一次狀態(tài)的轉(zhuǎn)換即為一次可靠性試驗(yàn)，連續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)每次超越離合器是否正常接合和超越，從而檢測(cè)超越離合器的壽命。

2)單向離合器技術(shù)參數(shù)。

①公稱轉(zhuǎn)矩:1 500N·m。

②內(nèi)環(huán)超越時(shí)的極限轉(zhuǎn)速n:1 000r/min。

③允許總的接合次數(shù)(壽命):100萬次。

3)實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能指標(biāo)。

①實(shí)驗(yàn)次數(shù):工作循環(huán)實(shí)驗(yàn)次數(shù)不低于100萬次。

②超越離合器最大轉(zhuǎn)矩不低于1 500N·m。

1.2 測(cè)試裝置方案設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置方案原理如圖1所示，從左到右依次為:動(dòng)力輸入系統(tǒng)(1，2)、傳動(dòng)系統(tǒng)(3～9)與加載系統(tǒng)(10，11)。動(dòng)力輸入系統(tǒng)由電機(jī)與減速機(jī)組成，電機(jī)經(jīng)減速后將動(dòng)力輸入給超越離合器外圈，減速機(jī)和齒輪減速保證超越離合器內(nèi)外圈接合轉(zhuǎn)矩滿足技術(shù)要求;超越離合器內(nèi)圈輸出動(dòng)力經(jīng)過第二級(jí)齒輪傳動(dòng)輸出到加載系統(tǒng)，加載系統(tǒng)由連桿和拉伸彈簧組成，通過連桿與彈簧機(jī)構(gòu)的圓周運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)超越離合器外圈與內(nèi)圈的接合與超越。圖中第二級(jí)齒輪起降低轉(zhuǎn)矩、提升轉(zhuǎn)速作用，用于減小加載系統(tǒng)中彈簧的受力，從而降低對(duì)彈簧材料和線徑的要求。

圖1 方案原理圖

加載系統(tǒng)原理如圖2所示:連桿由輸出軸帶動(dòng)繞O1點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，其自由端A與彈簧相連，連桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，帶動(dòng)彈簧繞O2點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。在此過程中，當(dāng)連桿從最低點(diǎn)位置，即α從0°順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到180°時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)量不斷增加，儲(chǔ)存能量，阻礙超越離合器內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)其加載，實(shí)現(xiàn)超越離合器內(nèi)外圈接合狀態(tài);當(dāng)連桿從最高點(diǎn)位置，即α從180°轉(zhuǎn)回到最低位置360°時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)量不斷減小，儲(chǔ)存的變形能釋放，幫助超越離合器內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，使內(nèi)圈速度大于外圈，此時(shí)超越離合器內(nèi)外圈分離，實(shí)現(xiàn)超越。這樣，連桿每轉(zhuǎn)一圈，超越離合器就實(shí)現(xiàn)一次接合與分離的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，模擬其實(shí)際工作中的一個(gè)循環(huán)過程。

圖2 加載系統(tǒng)原理圖

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足上述功能要求，基于方案原理圖，設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳動(dòng)系統(tǒng)的3根傳動(dòng)軸在同一豎直平面內(nèi)，軸上安裝傳動(dòng)齒輪;傳動(dòng)軸利用滾動(dòng)軸承固定在兩塊立板之間，立板利用螺栓與地面條形板固連，地面條形板用地腳螺栓固定在地面上;加載系統(tǒng)中彈簧固定端固定在彈簧軸套上，彈簧軸套與彈簧連接軸之間有滾動(dòng)軸承，保證二者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使彈簧繞固定的彈簧連接軸轉(zhuǎn)動(dòng);彈簧另一端以相同方式固定在連桿自由端，從而實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)過程。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)三維模型圖

該裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

1)該測(cè)試裝置省去了現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)中的控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等［3－9］，利用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，合理布置傳動(dòng)軸、齒輪、連桿與彈簧的位置，減小占地面積，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省材料，大大降低了試驗(yàn)臺(tái)成本。

2)目前國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)臺(tái)采用的是功率為1kW的伺服電動(dòng)機(jī)［10］、4kW以上的三相異步電動(dòng)機(jī)或變頻電機(jī)［5，7］，或者中低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)［11］，而該實(shí)驗(yàn)裝置采用功率為0.55kW三相異步電動(dòng)機(jī)，大大降低了能耗。

3)試驗(yàn)臺(tái)加載部分大多采用液壓加載方式［10－12］，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本實(shí)驗(yàn)裝置加載部分采用線性彈簧，利用簡(jiǎn)單元件實(shí)現(xiàn)了離合器實(shí)際工況的模擬，并且彈簧收縮時(shí)的加速運(yùn)動(dòng)能加快測(cè)試速度，可實(shí)現(xiàn)0.9s完成一次接合與超越的循環(huán)，即進(jìn)行一次可靠性試驗(yàn)。

1.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

為滿足超越離合器接合轉(zhuǎn)矩達(dá)到1 500N·m及加載部分彈簧強(qiáng)度和變形量要求，電機(jī)采用功率為0.55kw、轉(zhuǎn)速為1 390r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)部件及加載部件主要參數(shù)見表1、表2和表3。

表1 傳動(dòng)部件參數(shù)

表2 齒輪參數(shù)

表3 加載部件主要參數(shù) mm

連桿長(zhǎng)度L已知，當(dāng)彈簧剛度K確定時(shí)，連桿所受彈簧產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T的大小取決于函數(shù)F(α)，)，利用MATLAB軟件，使目標(biāo)函數(shù)F(α)取最大值，編制目標(biāo)函數(shù)文件，約束條件 α 取(0°，360°)，計(jì)算結(jié)果為:α ≈ 103°時(shí)，F(xiàn)(α)值最大，此處彈簧產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T最大。

電機(jī)以額定功率輸入時(shí)，各軸的輸入功率為Pi=P×ηi，P為電機(jī)功率，ηi為電機(jī)功率傳遞到各軸的傳動(dòng)效率，輸入軸、中間軸、輸出軸的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值見表4。

表4 傳動(dòng)軸參數(shù)

中間軸上的轉(zhuǎn)矩為1 578.6N·m，滿足超越離合器內(nèi)外圈接合時(shí)輸入轉(zhuǎn)矩達(dá)到1 500N·m的要求;由于各傳動(dòng)軸所受的彎矩相對(duì)于轉(zhuǎn)矩來說比較小，各傳動(dòng)軸以傳遞轉(zhuǎn)矩為主，故按許用切應(yīng)力計(jì)算各軸強(qiáng)度，確定各軸直徑;對(duì)齒輪進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算，以保證齒輪滿足強(qiáng)度要求，保證裝置可靠性。

2 動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 仿真對(duì)象及建模

在ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件中，該測(cè)試裝置動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖4所示，對(duì)關(guān)鍵零件施加正確運(yùn)動(dòng)副關(guān)系來建立模型，材料都設(shè)置為鋼。零件連接關(guān)系見表5，彈簧力建立在彈簧連接軸a與b之間。

本次仿真模型的最初狀態(tài)為連桿初始位置在其最高位置，即α=180°處。試驗(yàn)分為2步:

步驟1，給小齒輪a添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入，轉(zhuǎn)速為23.56 r/min，測(cè)試連桿的轉(zhuǎn)速。連桿轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線，即超越離合器外圈的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖5所示。

圖4 測(cè)試裝置動(dòng)力學(xué)仿真模型

表5 零件連接關(guān)系

圖5 內(nèi)外圈的轉(zhuǎn)速變化曲線

步驟2，取消步驟1中的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入，給予彈簧在電機(jī)帶動(dòng)下的初速度 n0，n0=23.560r/min，使連桿從最高點(diǎn)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)試連桿轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線，即超越離合器內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖5所示;同時(shí)測(cè)試連桿所受的彈簧法向分力Fn隨時(shí)間的變化曲線，即超越離合器內(nèi)圈的轉(zhuǎn)矩變化曲線，如圖6所示。

在步驟2的運(yùn)動(dòng)過程中，彈簧通過法向分力Fn給連桿施加轉(zhuǎn)矩，由于連桿長(zhǎng)度L確定，即力臂不變，所以Fn隨時(shí)間變化曲線即可反映超越離合器內(nèi)圈所受的轉(zhuǎn)矩變化情況，轉(zhuǎn)矩可根據(jù)公式T=Fn×L得到。通過調(diào)整彈簧剛度系數(shù)與預(yù)加載荷，使得Fn為最大值時(shí)能保證超越離合器接合轉(zhuǎn)矩Tmax達(dá)到1 500N·m，從而滿足超越離合器受載要求。分析圖5中超越離合器內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速變化曲線，當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速低于外圈時(shí)，二者為接合狀態(tài);當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速高于外圈時(shí)，二者為超越狀態(tài)，從而驗(yàn)證了測(cè)試裝置可使超越離合器正常完成接合與超越。

圖6 F n隨時(shí)間t變化曲線

2.2 仿真結(jié)果及分析

對(duì)比分析超越離合器內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速變化曲線，可以看到，連桿從最高點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)t=0s時(shí)，內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速均為23.56 r/min;在t=0～0.36s時(shí)間內(nèi)，內(nèi)圈速度高于外圈，內(nèi)外圈處于超越狀態(tài);當(dāng) t=0.36s時(shí)，連桿在 α ≈103°處;在t=0.36s之后，內(nèi)圈速度低于外圈，內(nèi)外圈處于接合狀態(tài)，即α從約103°至180°的過程中，內(nèi)外圈同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為23.56r/min，，接合時(shí)間 t2=(180－103)/141.36≈ 0.54s，因此一個(gè)測(cè)試周期時(shí)間約為0.9s。若測(cè)試100萬次，所需時(shí)間約為250h。

調(diào)整彈簧剛度系數(shù)與預(yù)加載荷，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)取1.43N/mm、預(yù)加載荷為715N時(shí)，超越離合器內(nèi)外圈接合時(shí)Fn的峰值為365N，即加載到輸出軸上的最大轉(zhuǎn)矩為182.5N·m，此時(shí)超越離合器所受轉(zhuǎn)矩最大，內(nèi)外圈接合轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值1 578.6N·m，滿足技術(shù)要求。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耗能低、成本低廉的超越離合器壽命測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)省去了目前大型綜合測(cè)試臺(tái)的控制系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)等復(fù)雜的部分，利用純機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其功能，可更方便地投入到實(shí)際應(yīng)用中。通過建模與仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的超越離合器壽命檢測(cè)功能。進(jìn)一步研究中可對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其耗能更小，測(cè)試時(shí)間更短。

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