張和順，高 翮

（1.西安西電高壓開關(guān)操動機構(gòu)有限責任公司，陜西西安710077；2.西安電爐研究所有限公司，陜西西安710061）

操動機構(gòu)上經(jīng)常采用各類離合器，在機械傳動即將到達結(jié)束位置時，通過自身的機械結(jié)構(gòu)將主動件與被動件快速脫離，終止機械系統(tǒng)繼續(xù)傳動，滿足傳動需求或是保護[1]。其中，鋼球式安全離合器就是用來精確傳遞扭矩，當扭矩超過某一限定值時，即快速準確起到保護（分離）作用。當傳遞扭矩未超過限定值時，其作用相當于聯(lián)軸器。鋼球式安全離合器被廣泛應(yīng)用在發(fā)生大的過載或存在嚴重沖擊載荷而難以精確計算的傳動系統(tǒng)[2]。為研究該系統(tǒng)的需求，筆者通過傳動系統(tǒng)的計算和實物試驗，為鋼球式安全離合器的選型提供了兩種方式的選型方法，為離合器的安全選擇提供了選型參考。

1 鋼球式安全離合器的結(jié)構(gòu)

離合器的種類非常多，常被各種自動化機械、電動工具、農(nóng)用機械等引用，已是機械傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。在離合器的分類體系中，鋼球式安全離合器屬于自控離合器，采用嵌合式結(jié)構(gòu)。最為典型的就是牙嵌式離合器（見圖1），由于牙嵌式在斷開瞬時會產(chǎn)生沖擊力，易折斷牙，故適宜轉(zhuǎn)速不高，從動部分轉(zhuǎn)動慣量不大的軸系。隨著離合器技術(shù)的進步，鋼球式安全離合器（見圖2）表現(xiàn)突出，以鋼球代替牙嵌結(jié)合，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，主要體現(xiàn)在壽命長、制造簡單、工作可靠、過載時滑動摩擦力小、動作靈敏度高、適用于較高轉(zhuǎn)速的傳動，所以應(yīng)用面非常廣[3-5]。

圖1 牙嵌式離合器

圖2 鋼球式離合器

本文對一種特殊結(jié)構(gòu)的鋼球式安全離合器進行原理分析，結(jié)合力學計算、傳動計算和試驗的方法，獲取該類型鋼球式安全離合器的彈簧壓力與理論扭矩的關(guān)系，該離合器的分解圖見圖3。

圖3 鋼球式安全離合器分解圖

鋼球位于輸入半軸上均布的小孔內(nèi)，調(diào)節(jié)螺母、碟簧組、推力墊圈依次靠近輸入半軸，并將壓力作用在鋼球上，形成類似牙嵌離合器的輸入端，鋼柱位于輸出半軸的均布槽內(nèi)，并凸出槽面，外環(huán)通過銷釘固定在輸出半軸上，從而形成類似牙嵌離合器的輸出端。在正常傳動過程中，輸入半軸通過其上凸出的鋼球推動輸出半軸上凸出的鋼柱，實現(xiàn)動力輸出。當輸出側(cè)出現(xiàn)過載時，鋼球?qū)⒖朔山M的壓力，從而會向輸入半軸孔內(nèi)部位移，逐漸遠離鋼柱，直至從鋼柱的原有空隙中跳躍到另一個空隙中，只要過載情況持續(xù)存在，那么均布在輸入半軸內(nèi)孔的多個鋼珠將繼續(xù)跳躍在均布在的鋼柱之間，并時刻緊貼鋼柱。這種發(fā)生跳躍的現(xiàn)象稱為離合器打滑。打滑前離合器傳動的最大扭矩稱之為打滑扭矩，打滑扭矩的大小可以通過調(diào)節(jié)螺母進行適當?shù)恼{(diào)整，當調(diào)節(jié)螺母向外環(huán)內(nèi)旋入越深，則該鋼珠式安全離合器的打滑扭矩就越大，反之則打滑扭矩減小。然調(diào)整的范圍是有限定的，過大的打滑扭矩會損傷傳動系統(tǒng)，過小的打滑扭矩則無法使傳動系統(tǒng)可靠完成動作[6-8]。

2 鋼球式安全離合器的原理

鋼球式安全離合器的打滑過程如圖4 所示，圖4（a）至圖4（e）依次表示了鋼球式安全離合器從靜止狀態(tài)—受力滑移狀態(tài)—臨界脫離狀態(tài)—脫離狀態(tài)—下一個靜止狀態(tài)。通常把這種鋼珠從一個位置滑移到另一個靜態(tài)位置的過程稱為鋼球式安全離合器的打滑，以圖4（c）為分界，圖4(a)和圖4(b)表示左側(cè)鋼球爬升的過程，由于該過程鋼球需克服左側(cè)彈簧的壓力，傳動較為平穩(wěn)；當鋼球爬升至圖4(c)最高點之后，彈簧的壓力作為鋼球推力，如圖4（d）到圖4(e)，彈簧的壓力通過鋼球迅速撞擊在右側(cè)半離合器上，并伴隨著“嗒”的響聲，打滑的次數(shù)越多，“嗒嗒”聲持續(xù)越長，這種打滑的性質(zhì)屬于過載保護的一種，通過鋼球式安全離合器的打滑來保護整套機械傳動裝置。這類離合器具有打滑扭矩穩(wěn)定，傳動精度高的優(yōu)點，壽命長，打滑力矩可適當調(diào)節(jié)的功能，應(yīng)用較為廣泛。然而，該類離合器的選型計算和調(diào)節(jié)卻常常困擾著不少工程技術(shù)人員。

圖4 鋼球式安全離合器打滑過程

3 選型計算

3.1 鋼球式安全離合器的保護關(guān)系

鋼球式安全離合器打滑扭矩（極限扭矩）的選擇應(yīng)位于安裝處實際傳動系統(tǒng)正常工作的最小傳遞扭矩Tmin和實際傳動系統(tǒng)臨界破壞條件下工作的最小破壞扭矩Tmax之間。圖5 縱坐標是系統(tǒng)傳遞扭矩值，橫坐標是離合器的起動時間，離合器在正常（理想）傳動條件下，與機械傳動系統(tǒng)配套，系統(tǒng)相對穩(wěn)定時，其離合器的扭矩特性曲線將趨向于d曲線。然而，多數(shù)的傳動系統(tǒng)因其設(shè)計、安裝、負載、使用等因素的不同，離合器的扭矩特性曲線就會差異巨大。圖5中a、b、c、d四條曲線示意出了一款離合器在不同加速時間下的扭矩特性曲線，將該離合器傳遞的標稱扭矩用Tn表示，T0是離合器標稱扭矩的下限扭矩，Tj是離合器標稱扭矩的上限扭矩（打滑扭矩），將上述四條曲線與離合器傳遞的穩(wěn)態(tài)扭矩Tn值的首個交點分別命名為t1、t2、t3、t4，在此定義為該離合器達到穩(wěn)態(tài)扭矩Tn條件下的加速時間?？梢源致钥闯?，即使是同一款離合器，由于起動時間的不同，離合器表現(xiàn)出的扭矩曲線是不同的，并隨著起動時間的縮短，離合器會出現(xiàn)圖5 中的a 曲線，表現(xiàn)為離合器在剛起動時就會出現(xiàn)打滑，導致誤保護。正因為如此，在離合器的選型中，加速時間也是一個關(guān)鍵參數(shù)，直接影響著離合器打滑扭矩的設(shè)計和選型。然而，在實際工況（設(shè)計參數(shù)）中，機械傳動系統(tǒng)十分復雜，常常簡單使用離合器最高轉(zhuǎn)速選型，忽略離合器加速時間，所以較難獲取到離合器上實際的扭矩特性曲線。為此，將通過計算和試驗給出鋼球式安全離合器打滑扭矩的選型計算方法。

3.2 理論分析和計算

為明晰該鋼球式安全離合器的計算，有必要研究一下碟簧組的壓力與打滑扭矩的關(guān)系。將鋼球和鋼柱相互作用的接觸軌跡沿其鋼球分布的中心直徑進行近似展開，見圖6，可以推導出下式：

圖5 離合器扭矩保護關(guān)系

圖6 鋼球式安全離合器力學分析圖

得出：

靜態(tài)傳遞扭矩：

滑移過程中傳遞扭矩

式中：F為碟簧組壓力，N；Ft為作用在鋼柱接觸點上脫開時的圓周力，N；α為鋼柱接觸點的壓力方向與運動方向的夾角，°；ρ為鋼球接觸處的摩擦角，4°～6°；d0為鋼球直徑，m；h為碟簧組最大壓縮量(鋼球最大重合尺寸)，m；t為碟簧組壓縮量(鋼球重合尺寸)，m；Tj為離合器脫開時的極限扭矩，N·m；D為鋼球中心分布圓直徑，m。

方法一：計算法選型

轉(zhuǎn)動慣量是指轉(zhuǎn)動件質(zhì)量乘以平均半徑二次方之和。

轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動慣量公式是：

在如圖7所示的傳動軸系中，定義三個轉(zhuǎn)動慣量，分別為J1、J2、J3，表示對應(yīng)軸上齒輪等以及安裝軸的轉(zhuǎn)動慣量：

圖7 機械傳動系統(tǒng)

再把除軸系W1以外（不與離合器共軸的軸系）的轉(zhuǎn)動慣量折算到W0軸上，

所以，得出W1軸上由離合器加速的總轉(zhuǎn)動慣量：

直線運動的質(zhì)量折算到離合器軸的轉(zhuǎn)動慣量：

當已知離合器起動的角加速度為β，便可得出

式中：m為直線運動體的質(zhì)量，kg；v為直線運動體的速度，m/s；n1、n2、n3為軸轉(zhuǎn)速，r/min；ω為離合器軸的角速度，rad/s；β為角加速度，rad/s2；Tdj為動態(tài)加速扭矩，N·m；Tjl為加載質(zhì)離合器的扭矩，N·m；Tlw為離合器穩(wěn)定扭矩，N·m。

計算出Tjl之后，根據(jù)實際工況，再乘以1.5～3.5 倍的安全系數(shù)（工作情況系數(shù)K），得出鋼球式安全離合器的打滑扭矩(極限扭矩），再直接從專業(yè)離合器廠家的樣本上進行選擇就可以了。如果還需進一步詳細研究，可按后面介紹的方法繼續(xù)做下去。

方法二：試驗法選型

由于離合器實際傳動的復雜性，相關(guān)參數(shù)都會進行簡化或忽略等，例如將角加速度β簡化為一個固定的數(shù)值，然而實際數(shù)據(jù)并非如此，它是一個時刻變化的復雜曲線，為了獲得較為準確的數(shù)據(jù)，動力學仿真和實物的試驗是非常有效的，尤其是后者的試驗方法，通過試驗直接獲取真實數(shù)據(jù)，這是仿真手段無法比擬的[9]。由于Tdj=βJ，中的角加速度β是一個變量，只要得出它的特性數(shù)據(jù)，就可以獲取Tdj的特性數(shù)據(jù)，關(guān)于如何獲取角加速度β特性數(shù)據(jù)，將在后續(xù)其他論文中詳細論述，大致原理是通過測量離合器的轉(zhuǎn)速曲線（見圖8），再進行軟件計算，獲取角加速度β曲線（見圖9），并將其與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量相乘，獲取離合器的動態(tài)負載扭矩特性曲線（見圖10），并與離合器的穩(wěn)態(tài)扭矩相疊加構(gòu)成離合器實際承載的工作扭矩（見圖11）。至此，根據(jù)實際工況，一般再乘以1.5～3.5 倍的安全系數(shù)K（工作情況系數(shù)），獲得該離合器的打滑扭矩Tj值。在取上限系數(shù)時，特別要注意不能對傳動系統(tǒng)造成損傷，這樣才可有效確保機械傳動系統(tǒng)的安全性和可靠性[10-11]。

圖8 離合器轉(zhuǎn)速曲線

圖9 離合器加速度曲線

圖10 離合器負載加速扭矩曲線

圖11 離合器扭矩疊加曲線

4 結(jié) 語

各個鋼球式安全離合器廠家均會給出離合器打滑扭矩（極限扭矩）的對照表，包含了離合器的尺寸、彈簧力值和最高轉(zhuǎn)速等。當計算出傳動系統(tǒng)需求的工作扭矩時，就可以選擇安全系數(shù)K（一般為1.5～3.5），該系數(shù)要充分考慮到負載慣量對離合器產(chǎn)生的沖擊力值，該力值影響著離合器的可靠性和使用壽命。通過此次對鋼球式安全離合器的結(jié)構(gòu)原理和選型計算，通過理論分析計算和試驗方法的研究，結(jié)合軟件計算，比較全面細致地給出了兩種獲取離合器打滑扭矩的方法，尤其是給出了試驗法對離合器進行優(yōu)化選型的方法，這是對現(xiàn)有仿真手段的進一步補充和完善，方案簡便可靠、具有較強的實際應(yīng)用價值。