CN102828981A - 一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率风扇调速装置，特别涉及一种用于特种车辆高速大功率风扇的调速装置。属于液体粘性传动领域。包括带输入齿轮的离合器外毂、控制油缸、外齿摩擦片、对偶钢片、压板、轴承座、轴套、动力输出齿轮、右输出轴支撑轴承、输出轴、右离合器外毂支撑轴承、活塞、回位弹簧、弹簧导向销、左离合器外毂支撑轴承、左输出轴支撑轴承、被动片、径向油孔、卡环。本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，输入齿轮和离合器外毂采用一体化设计，提高了结构的紧凑性，降低了装置的质量，提高了可靠性。

Description

一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置

技术领域

本发明涉及一种大功率风扇调速装置，特别涉及一种用于特种车辆高速大功率风扇的调速装置。属于液体粘性传动领域。 

背景技术

目前，结构紧凑、功能多样是特种车辆传动系统的发展方向。特种车辆一般设计有2个风扇。随着传动系统功率的提高，风扇消耗的功率已成为制约车辆动力性的一个关键因素，为有效提高车辆的动力性，降低风扇消耗的功率，原有液力耦合器风扇调速已不适应发展需求，且液力耦合器不能实现1∶1传动。液粘调速离合器既具有0～1传动范围，又具有功率密度高等特点，且结构可靠性高，系统简单。 

申请号为201110047931.3的中国发明专利公开了一种径向紧凑型车辆风扇调速装置，主要由外毂、活塞、弹簧、油缸、配有套、主轴、轴承、输入齿轮以及主、被动摩擦片构成的摩擦副构成。该装置以粘性液体为工作介质，依靠摩擦副间油膜剪切来传递动力，改变输出转速。该装置采用“T”字形功率传递方式，并采用反比例电液比例阀进行控制以避免刚性件的损坏。该装置在润滑油道的设计上采用在主轴花键上设计扩大油道孔孔径的弧形凹槽，弧形凹槽和主轴上的径向孔对应，但没有考虑各摩擦副入口润滑油流量、流速和压力对动力传递稳定性和散热均匀性的考虑。 

申请号为201120124283.2的中国实用新型专利公开了一种液粘调速离合器，该装置由上下箱体、传动轴，上下箱体内的传动轴上套装齿圈、右支座、活塞、被动毂、配油套和测速齿轮等构成，转速的调节通过上箱体阀板的电液比例阀进行控制，该专利没有进行润滑散热及稳定性的影响分析。 

申请号为20090112093.1的中国实用新型专利公开了一种液粘调速离合器，主要由离合器外壳、离合器座、主、从摩擦片组成。该装置具有结构简单，使用方便等特点。但当摩擦片间隙不等时，主从摩擦片安装轴段的部分润滑油孔可能会被挡住，难以提供足够及均衡的润滑油，此时会造成主从摩擦片过热，甚至导致液粘调速装置的烧损。 

因此，迫切需要本领域技术人员开发出一种结构紧凑，满足功率传递，动力传递均匀，散热均匀以及分离间隙均匀的一种结构，满足高速大功率风扇功率传递及调速的需要显得十分迫切。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提高特种车辆高速大功率风扇调速装置的综合性能，使用于特种车辆高速大功率风扇调速装置在满足功率传递、无级均匀调速和便于控制的条件上，还能保证其具有良好的调速性能、散热均匀、高功率密度和高可靠性。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，包括带输入齿轮的离合器外毂、控制油缸、外齿摩擦片、对偶钢片、压板、轴承座、轴套、动力输出齿轮、右输出轴支撑轴承、输出轴、右离合器外毂支撑轴承、活塞、回位弹簧、弹簧导向销、左离合器外毂支撑轴承、左输出轴支撑轴承、被动片、径向油孔、卡环；所述的带输入齿轮的离合器外毂是将输入齿轮和离合器外毂联接为一体。所述的控制油缸和输出轴设计为一体，设计小于摩擦副外径的油缸直径以减小控制油缸的面积。所述外齿摩擦片由基片和摩擦材料层组成，通过短齿形渐开线花键与带输入齿轮的离合器外毂联接。在活塞和压板之间设有由外齿摩擦片和内齿对偶钢片组成的摩擦副，所述的摩擦副数量设计为20至30个摩擦副的多摩擦副数设计。输出转速的调节通过外齿摩擦片和对偶钢片构成的摩擦副之间的工作油实现。所述的输出轴上提供摩擦副动力传递及冷却油的油孔为周向均匀分布，油孔直径在轴向采用不等直径设计。环形活塞一端通过卡环作用在输出轴，限制弹簧导向销和输出轴的相对轴向运动，另一端通过螺纹和活塞联接，同时起到导向和联接作用。活塞的回位通过安装在弹簧导向销上的回位弹簧实现活塞回位。 

其中，所述外齿摩擦片是在基片上带有摩擦材料层，所述的基片为钢片，所述的摩擦材料层为粉末冶金层，所述外齿摩擦片上带有油槽。带输入齿轮的离合器外毂圆周上设计有轴向均匀分布的出油口，保证润滑油的快速循环，降低摩擦副的热量。 

其中，对偶钢片是带有内齿的钢片，并且在活塞后和压盘压板前之间设有 由外齿摩擦片和内齿对偶钢片组成摩擦副，保证整个调速装置热流均匀。 

其中，外齿摩擦片和对偶钢片采用齿形角为20度的短齿形设计，提高了摩擦副轴向移动的灵活性，使摩擦副能够更加容易地结合和分离。 

其中，外齿摩擦片和对偶钢片的厚度设计应在满足刚强度、热应力和热变形的条件下，充分考虑了材料的热传导率和两者的热容量，使各个外齿摩擦片和对偶钢片能够均匀散热，实现摩擦副较为一致的温度场和热应力。 

其中，增加了所述的风扇调速装置的摩擦副数，满足传递高功率和大转矩的同时减小了摩擦副的最大比压，提高了调速过程中的转速稳定性，拓宽了调速范围，保证该调速装置有良好的调速性能。 

其中，所述的风扇调速装置采用动力输入齿轮和离合器外毂一体化设计，提高结构的紧凑性。 

其中，所述的控制油缸采用小直径油缸以减小控制油缸的面积，减小了控制油对摩擦副作用力的灵敏度，提高了最大调速传动比，拓宽了调速范围。 

其中，控制油缸和活塞设计安装在输出轴上，考虑控制油缸离心力的影响，减小了所设有回位弹簧的刚度，使控制油泄压时活塞能够顺利回位，并减小了调速过程中离心油压对摩擦副的影响；同时若风扇出现过载故障，离合器滑磨，输出转速降低的同时也降低了离心油压在活塞上的作用力，使得输出转速快速减小，避免其他结构件的损坏，满足过载保护的功能，实现风扇传动的高可靠性。 

其中，所述的输出轴上提供摩擦副动力传递及冷却油的油孔为周向均匀分布，油孔直径在轴向采用不等直径设计。保证了摩擦副间流体压力和流量的一致，提高流体承载的均匀性，降低动力输出的不稳定性，提高了外齿摩擦片和对偶钢片的散热能力。在各个摩擦副入口直径的设计上，采用计算流体动力学技术，考虑多个摩擦副工作时的压紧力递减因素，以各摩擦副入口流量和压力均匀为目标确定相应的油孔直径大小，保证各摩擦副动力的均匀传递以及良好的散热效果，改善调速装置摩擦副传递的稳定性。 

其中，在活塞和压板之间设有由外齿摩擦片和内齿对偶钢片组成的摩擦副，为改善活塞和挡板的热流分布，在活塞和压板之间各设计了一个尺寸小于对偶钢片0.5mm的被动片，保证了合适的温度场，避免热变形，获得较稳定的使用效果。 

本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置的工作原理为：所述的风扇调速装置的动力通过带输入齿轮的外毂输入，控制油和动力传递工作油分别通过输出轴的两个轴端供油，控制油进入输出轴上的控制油缸，推动活塞轴向移动，改变摩擦副间隙，调节输出转速，润滑油通过输出轴轴端进入后通过周向均匀分布，轴向不等径分布的油孔进入摩擦副，提供润滑冷却及油膜承载力。控制油缸的控制油油压由电液比例溢流阀进行调节，控制活塞的行程，达到改变摩擦副间隙的目的。动力通过主动摩擦片剪切油液，油液剪切力带动被动摩擦片使得输出轴转速发生改变达到调节输出转速的目的。其突出特点是输入齿轮和外毂为一体化设计加工，控制油缸和输出轴为一体化设计，摩擦副采用小比压、多摩擦副数设计，控制油缸采用小面积油缸设计，在异常情况下，离合器的打滑后输出轴转速降低，油缸的离心油压也相应减小，有助于活塞回位，进一步降低输出轴转速，使得其他刚性结构得到良好的保护。 

有益效果： 

(1)本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，输入齿轮和离合器外毂采用一体化设计，提高了结构的紧凑性，降低了装置的质量，提高了可靠性。 

(2)本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，在摩擦片和对偶钢片厚度的设计上，充分考虑了材料的热传导率和热容量，使各个摩擦片和对偶钢片能够均匀散热，提高了整个装置的散热性能。 

(3)本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，在控制油缸和活塞的设计上，考虑离心油压的影响，避免风扇出现刚性损坏，满足过载保护功能，同时能使活塞顺利回位，提高了装置的可靠性。 

(4)本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，在摩擦副最大比压设计上通过增加摩擦副数减小了摩擦副的最大比压，提高了调速过程中的转速稳定性，拓宽了调速范围，保证了风扇调速装置的调速性能。 

(5)本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，在控制油缸设计上，尽可能采用小面积控制油缸结构，提高了最大调速传动比，拓宽了调速范围。 

(6)本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，采用的轴向油孔不等径设计，使各摩擦副间的入口流量和入口压力均能均匀地分布，改善 了摩擦片和对偶钢片的散热性能，提高摩擦副的使用寿命。 

附图说明

图1是本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置结构示意图 

图2是调速装置润滑油道结构分布示意图 

图3是调速装置的弹簧回位机构图 

其中，1-带输入齿轮的离合器外毂，2-控制油缸，3-外齿摩擦片，4-对偶钢片，5-压板，6-轴承座，7-轴套，8-动力输出齿轮，9-右输出轴支撑轴承，10-输出轴，11-右离合器外毂支撑轴承，12-活塞，13-回位弹簧，14-弹簧导向销，15-左离合器外毂支撑轴承，16-左输出轴支撑轴承，17-被动片，18-径向油孔，19-卡环。 

具体实施方式

实施例1 

如图1所示，一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，包括带输入齿轮的离合器外毂1、控制油缸2、外齿摩擦片3、对偶钢片4、压板5、轴承座6、轴套7、动力输出齿轮8、右输出轴支撑轴承9、输出轴10、右离合器外毂支撑轴承11、活塞12、回位弹簧13、弹簧导向销14、左离合器外毂支撑轴承15、左输出轴支撑轴承16、被动片17、径向油孔18、卡环19。所述的带输入齿轮的离合器外毂1是将输入齿轮和离合器外毂联接为一体。所述的控制油缸2和输出轴10设计为一体，设计小于摩擦副外径的油缸直径以减小控制油缸2的面积。所述外齿摩擦片3由基片和摩擦材料层组成，通过短齿形渐开线花键与带输入齿轮的离合器外毂1联接。在活塞12和压板5之间设有由外齿摩擦片3和内齿对偶钢片4组成的摩擦副，所述的摩擦副数量设计为20至30个摩擦副的多摩擦副数设计。输出转速的调节通过外齿摩擦片3和对偶钢片4构成的摩擦副之间的工作油实现。所述的输出轴10上提供摩擦副动力传递及冷却油的油孔为周向均匀分布，油孔直径在轴向采用不等直径设计。环形活塞12一端通过卡环19作用在输出轴10，限制弹簧导向销14和输出轴10的相对轴向运动，另一端通过螺纹和活塞联接，同时起到导向和联接作用。活塞12的回位通过安装在弹簧导向销14上的回位弹簧13实现活塞12回位。 

其中，所述外齿摩擦片3是在基片上带有摩擦材料层，所述的基片为钢片，所述的摩擦材料层为粉末冶金层，所述外齿摩擦片3上带有油槽。带输入齿轮的离合器外毂1圆周上设计有轴向均匀分布的出油口，保证润滑油的快速循环，降低摩擦副的热量。 

其中，对偶钢片4是带有内齿的钢片，并且在活塞12后和压盘压板5前之间设有由外齿摩擦片3和内齿对偶钢片4组成摩擦副，保证整个调速装置热流均匀。 

其中，外齿摩擦片3和对偶钢片4采用齿形角为20度的短齿形设计，提高了摩擦副轴向移动的灵活性，使摩擦副能够更加容易地结合和分离。 

其中，外齿摩擦片3和对偶钢片4的厚度设计应在满足刚强度、热应力和热变形的条件下，充分考虑了材料的热传导率和两者的热容量，使各个外齿摩擦片3和对偶钢片4能够均匀散热，实现摩擦副较为一致的温度场和热应力。 

其中，增加了所述的风扇调速装置的摩擦副数，满足传递高功率和大转矩的同时减小了摩擦副的最大比压，提高了调速过程中的转速稳定性，拓宽了调速范围，保证该调速装置有良好的调速性能。 

其中，所述的风扇调速装置采用动力输入齿轮和离合器外毂一体化设计，提高结构的紧凑性。 

其中，所述的控制油缸2采用小直径油缸以减小控制油缸的面积，减小了控制油对摩擦副作用力的灵敏度，提高了最大调速传动比，拓宽了调速范围。 

其中，控制油缸2和活塞12设计安装在输出轴10上，考虑控制油缸2离心力的影响，减小了所设有回位弹簧13的刚度，使控制油泄压时活塞能够顺利回位，并减小了调速过程中离心油压对摩擦副的影响；同时若风扇出现过载故障，离合器滑磨，输出转速降低的同时也降低了离心油压在活塞12上的作用力，使得输出转速快速减小，避免其他结构件的损坏，满足过载保护的功能，实现风扇传动的高可靠性。 

其中，所述的输出轴10上提供摩擦副动力传递及冷却油的油孔为周向均匀分布，油孔直径在轴向采用不等直径设计。保证了摩擦副间流体压力和流量的一致，提高流体承载的均匀性，降低动力输出的不稳定性，提高了外齿摩擦片3和对偶钢片4的散热能力。在各个摩擦副入口直径的设计上，采用计算流体动力学技术，考虑多个摩擦副工作时的压紧力递减因素，以各摩擦副入口流量和 压力均匀为目标确定相应的油孔直径大小，保证各摩擦副动力的均匀传递以及良好的散热效果，改善调速装置摩擦副传递的稳定性。 

其中，在活塞12和压板5之间设有由外齿摩擦片3和内齿对偶钢片4组成的摩擦副，为改善活塞和挡板的热流分布，在活塞12和压板5之间各设计了一个尺寸小于对偶钢片0.5mm的被动片17，保证了合适的温度场，避免热变形，获得较稳定的使用效果。 

本发明的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置的工作原理为：所述的风扇调速装置的动力通过带输入齿轮的外毂1输入，控制油和动力传递工作油分别通过输出轴10的两个轴端供油，控制油进入输出轴10上的控制油缸2，推动活塞12轴向移动，改变摩擦副间隙，调节输出转速，润滑油通过输出轴10轴端进入后通过周向均匀分布，轴向不等径分布的油孔进入摩擦副，提供润滑冷却及油膜承载力。控制油缸2的控制油油压由电液比例溢流阀进行调节，控制活塞的行程，达到改变摩擦副间隙的目的。动力通过主动摩擦片剪切油液，油液剪切力带动被动摩擦片使得输出轴转速发生改变达到调节输出转速的目的。该结构传递的额定功率为180kW，输入转速为4200r/min。其突出特点是输入齿轮和外毂为一体化设计加工，控制油缸和输出轴为一体化设计，摩擦副采用小比压、多摩擦副数设计，控制油缸2采用小面积油缸设计，在异常情况下，离合器的打滑后输出轴转速降低，油缸的离心油压也相应减小，有助于活塞12回位，进一步降低输出轴10转速，使得其他刚性结构得到良好的保护。此外，该装置带输入齿轮的离合器外毂的径向尺寸小仅145mm，有效提升了该装置的功率密度。 

如图2所示，由于本发明结构紧凑，应用工况恶劣，工作温度超过90℃，输入转速达到4200r/min，为改善活塞12和挡板的热流分布，在活塞12前和挡压板后各设计了一个较薄的被动片17，保证活塞和压板合适的温度场，避免热变形，获得较稳定的使用效果。 

如图3所示，活塞12回位利用安装在弹簧导向销14上的回位弹簧13实现，为保证弹簧导向销14向限制，弹簧导向销14通过输出轴销孔卡环19轴向定位，另一端通过弹簧导向销14螺纹和活塞12联接，即保证了回位弹簧13压缩的稳定性，又能防止活塞12旋转，且结构紧凑。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限 制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，包括带输入齿轮的离合器外毂(1)、控制油缸(2)、外齿摩擦片(3)、对偶钢片(4)、压板(5)、轴承座(6)、轴套(7)、动力输出齿轮(8)、右输出轴支撑轴承(9)、输出轴(10)、右离合器外毂支撑轴承(11)、活塞(12)、回位弹簧(13)、弹簧导向销(14)、左离合器外毂支撑轴承(15)、左输出轴支撑轴承(16)、被动片(17)、径向油孔(18)、卡环(19)；所述的带输入齿轮的离合器外毂(1)是将输入齿轮和离合器外毂联接为一体；所述的控制油缸(2)和输出轴(10)设计为一体，设计小于摩擦副外径的油缸直径以减小控制油缸(2)的面积；所述外齿摩擦片(3)由基片和摩擦材料层组成，通过短齿形渐开线花键与带输入齿轮的离合器外毂(1)联接；在活塞(12)和压板(5)之间设有由外齿摩擦片(3)和内齿对偶钢片(4)组成的摩擦副，所述的摩擦副数量设计为20至30个摩擦副的多摩擦副数设计；输出转速的调节通过外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)构成的摩擦副之间的工作油实现；所述的输出轴(10)上提供摩擦副动力传递及冷却油的油孔为周向均匀分布，油孔直径在轴向采用不等直径设计；环形活塞(12)一端通过卡环(19)作用在输出轴(10)，限制弹簧导向销(14)和输出轴(10)的相对轴向运动，另一端通过螺纹和活塞联接，同时起到导向和联接作用；活塞(12)的回位通过安装在弹簧导向销(14)上的回位弹簧(13)实现活塞(12)回位。

2.如权利要求1所述的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，其特征在于：所述外齿摩擦片(3)是在基片上带有摩擦材料层，所述的基片为钢片，所述的摩擦材料层为粉末冶金层，所述外齿摩擦片(3)上带有油槽；所述的对偶钢片(4)是带有内齿的钢片。

3.如权利要求1或2所述的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，其特征在于：外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)采用齿形角为20度的短齿形设计。

4.如权利要求1所述的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，其特征在于：所述的外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)采用不等厚设计，外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)的厚度设计应在满足刚强度、热应力和热变形的条件下，充分考虑了材料的热传导率和两者的热容量，使各个外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)能够均匀散热，实现摩擦副较为一致的温度场和热应力。 

5.如权利要求1或2所述的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，其特征在于：所述的输出轴(10)上提供摩擦副动力传递及冷却油的油孔为周向均匀分布，油孔直径在轴向采用不等直径设计，在各个摩擦副入口直径的设计上，采用计算流体动力学技术，考虑多个摩擦副工作时的压紧力递减因素，以各摩擦副入口流量和压力均匀为目标确定相应的油孔直径大小，保证各摩擦副动力的均匀传递以及良好的散热效果，改善调速装置摩擦副传递的稳定性。

6.如权利要求1或2所述的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，其特征在于：在活塞(12)和压板(5)之间分别设有被动片(17)。

7.如权利要求6所述的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，其特征在于：所述的外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)采用不等厚设计，外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)的厚度设计应在满足刚强度、热应力和热变形的条件下，充分考虑了材料的热传导率和两者的热容量，使各个外齿摩擦片(3)和对偶钢片(4)能够均匀散热，实现摩擦副较为一致的温度场和热应力。

8.如权利要求6所述的一种用于特种车辆的高速大功率风扇调速装置，其特征在于：所述的输出轴(10)上提供摩擦副动力传递及冷却油的油孔为周向均匀分布，油孔直径在轴向采用不等直径设计，在各个摩擦副入口直径的设计上，采用计算流体动力学技术，考虑多个摩擦副工作时的压紧力递减因素，以各摩擦副入口流量和压力均匀为目标确定相应的油孔直径大小，保证各摩擦副动力的均匀传递以及良好的散热效果，改善调速装置摩擦副传递的稳定性。 

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