CN110737961A - 一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法，包括提出了一种运动学分析和图形学转换的计算方法，并根据计算结果，修正斜撑块宽度方向的结构定位，进而使楔块上下圆弧的弧长成比例分布，优化楔块的有效升程值，步骤包括楔块的运动学分析、最大升程的确定方法和最大升程的求解方法。本发明属于斜撑离合器的设计方法技术领域，具体是提供了一种在不改变基本参数的前提下，对斜撑块宽度方向的结构进行修正优化，使四种标准斜撑块的有效凸轮升程S_R，理论上全部大于对应的原标准数据并达到最大值，进而提高了离合器整体的翻转力矩和极限载荷，使得离合器整体性能得以提升的圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法。

Description

一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法

技术领域

本发明属于斜撑离合器的设计方法技术领域，具体是指一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法。

背景技术

强制连续型斜撑离合器和全相位型斜撑离合器，两种都属于摩擦式超越离合器，超越离合器是一种根据主、从动部分的相对运动速度变化，或旋转方向的变换，能自动接合或脱开的离合器，其中斜撑离合器具有传递扭矩大、质量小的特点，广泛应用于直升机传动系统、航空发动机的起动机，以及自动挡汽车变速箱等工作环境中。早期国外文献中的结构数据，是国内圆弧型面离合器设计计算的主要参考依据，但并未对楔块宽度等细节给出具体的位置，其中蕴含的设计方法和依据也未给出。后期的研究中，主要集中于性能的比较分析，以及型面的结构设计。但时至今日，圆弧型面离合器仍是相关研究所和企业的主要产品结构形式，因此有必要深入其结构细节，做好相关的基础研究和优化升级，为后续离合器的正向设计提供理论和技术的支撑。

发明内容

为解决上述难题，本发明提供了一种在不改变基本参数的前提下，对斜撑块宽度方向的结构进行修正优化的设计与计算方法，使四种标准斜撑块的有效凸轮升程S_R，全部大于对应的原标准数据并达到最大值，进而提高了离合器整体的翻转力矩和极限载荷，使得离合器整体性能得以提升。

本发明采取的技术方案如下：一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构，包括楔块、外滚道和内滚道，所述楔块为圆弧型面设置，所述外滚道和内滚道为同心设置的两个弧面，所述楔块可滚动设于外滚道和内滚道之间，所述楔块与外滚道和内滚道接触的两个弧面由两个偏心圆弧组成。

一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构的计算方法，包括以下步骤：

1)对楔块的运动学分析：所述楔块在外滚道和内滚道的初始楔合高度为H_nom，所述楔块在外滚道和内滚道之间翻转达到的最大高度记为H_max，利用所述楔块翻转达到的最大高度与初始楔合高度之间的差值，求得楔块的升程，升程关系式如I式所示：

S_R＝H_max-H_nom I式

式中，S_R表示楔块的升程距离；

所述楔块在外滚道和内滚道之间初始楔合时，楔块与外滚道接触的点记为C点，楔块与内滚道接触的点记为Q点，随着发动机扭矩载荷的施加，楔块从Q点和C点开始楔入传动，若不断增大载荷，则楔块逐渐翻转至最大升程，楔块翻转至最大升程时楔块与外滚道接触的点为C’边界点，楔块与内滚道接触的点为Q’边界点，接触点C’和Q’沿两圆弧圆心各自转过的角度分别设为θ₀和θ_i；由此认定，楔块在楔合、翻转过程中存在运动学关系如Ⅱ式所示：

r_i·θ_i＝r₀·θ₀ Ⅱ式

Ⅱ式可以转化成转角关系式，如Ⅲ式所示：

Ⅱ式和Ⅲ式中，参数参照标准规格的离合器楔块，标准规格的离合器楔块五项基本参数分别为：楔块的宽度为b，内外侧圆弧半径为r_i和r₀、中心距Z、中心角α；

2)对最大升程的确定：首先根据余弦定理可以得到关系式如Ⅳ式所示：

式中，O点为外滚道和内滚道圆弧对应的圆心，B点为楔块内侧圆弧半径r_i对应的圆心，A点为外侧圆弧半径r₀对应的圆心，R_i为内滚道所在圆弧对应的半径，R₀为外滚道所在圆弧对应的半径；

求得∠OBA数值后，由正弦定理可得关系式如Ⅴ式所示：

求得∠OAB数值后，同时可得关系式如Ⅵ式所示：

Ω＝∠OAB-90°-α Ⅵ式

式中，Ω为楔块的转角；

再次，求得Ω数值可得关系式如Ⅶ式所示：

求得角度β_i和β₀数值，式中β_i为∠OBA的补角减去α后与θ_i的差值，β₀为Ω加直角后与θ₀的差值；

最后，根据Ⅱ式设定θ_i为递增自变量，根据离合器几何结构，得出设定楔块宽度关系式如Ⅷ式所示：

b′＝r_i cosβ_i+Zcosα+r₀ cosβ₀ Ⅷ式

式中，b′为楔块宽度，根据Ⅷ式可知，b′将随着θ_i的递增对而递增，对b′的取值设定关系式如Ⅸ所示：

b′＝b Ⅸ式

由Ⅸ式得出，表明楔块将逐渐增厚达到标准值，升程也达到最大值，此时满足楔块的外、内圆弧的C’与Q’边缘点，同时与外套的内圆弧以及内轴的外圆弧接触，实现升程的最大取值；同时为方便表达楔块宽度b的位置，设定AK＝L₀，其中AK为A点至楔块侧边的垂直距离，即可由L₀的取值，实现宽度b的定位；

3)对最大升程的求解：在确定楔块的最大升程位置时，同时可以得到θ_i和θ₀转角，由此可以确定Q′和C′的位置，并在此基础上，求解相应的最大升程值；

由前文可知，楔块的最大升程由Q′、C′两点的距离与Q、C两点的距离差值所确定，为了求得Q′、C′两点的距离，运用计算机图形学原理，在两点分别建立局部坐标并进行平移和旋转，得到各自的原始坐标，其坐标转换的关系式如Ⅹ式所示：

式中，θ为局部坐标相对与外滚道和内滚道所在圆心处坐标的转角，T_x和T_y分别为局部坐标系原点至外滚道和内滚道所在圆弧中心的坐标；

通过两点之间的距离公式，求得Q′C′两点之间的距离，设为

下面求解Q、C两点的距离，由余弦定理得到关系式如Ⅺ式所示：

式中，

为楔块两接触点处楔角的差值；

由此进一步得到Q、C两点的距离关系式如Ⅻ式所示：

最后得到优化后的最大升程值关系式如XIII式所示：

由此求得优化后的最大升程值关系式。

将楔块升程优化值列于常用的标准值表中，进行对比如下表所示：

可见，四种标准楔块的理论有效升程全部得到优化，计算可得平均增长率为25.2275％。这就使得离合器的翻转力矩得以提升，降低了翻转失效的概率，整体性能得以提升。

另外，离合器与本发明相关的主要组成结构，包括外套、内轴和楔块，所述楔块设于外套和内轴之间。

采用上述结构和计算方法本发明取得的有益效果如下：本方案圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法，提出了一种运动学分析和图形学转换的计算方法，并根据计算结果，修正斜撑块宽度方向的结构定位，进而使楔块上下圆弧的弧长成比例分布，优化楔块的有效升程值，不改变楔块5个基本参数的前提下，将四种标准楔块全部运用上述方法进行宽度位置的优化，得到新的斜撑块升程优化值，四种标准楔块的理论有效升程全部得到优化，使得离合器的翻转力矩得以提升，降低了翻转失效的概率，整体性能得以提升。

附图说明

图1为本发明一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法的楔块的升程示意图；

图2为本发明一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法的楔块结构示意图；

图3为本发明一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法的坐标转换示意图；

图4为本发明一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构及其计算方法的离合器的主要组成结构示意图。

其中，1、楔块，2、外滚道，3、内滚道，4、外滚道和内滚道变形前的初始位置。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1-4所示，一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构，包括楔块、外滚道和内滚道，所述楔块为圆弧型面设置，所述外滚道和内滚道为同心设置的两个弧面，所述楔块可滚动设于外滚道和内滚道之间，所述楔块与外滚道和内滚道接触的两个弧面由两个偏心圆弧组成。

一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构的计算方法，包括以下步骤：

1)对楔块的运动学分析：所述楔块在外滚道和内滚道的初始楔合高度为H_nom，所述楔块在外滚道和内滚道之间翻转达到的最大高度记为H_max，利用所述楔块翻转达到的最大高度与初始楔合高度之间的差值，求得楔块的升程，升程关系式如I式所示：

S_R＝H_max-H_nom I式

式中，S_R表示楔块的升程距离；

所述楔块在外滚道和内滚道之间初始楔合时，楔块与外滚道接触的点记为C点，楔块与内滚道接触的点记为Q点，随着发动机扭矩载荷的施加，楔块从Q点和C点开始楔入传动，若不断增大载荷，则楔块逐渐翻转至最大升程，楔块翻转至最大升程时楔块与外滚道接触的点为C’边界点，楔块与内滚道接触的点为Q’边界点，接触点C’和Q’沿两圆弧圆心各自转过的角度分别设为θ₀和θ_i；由此认定，楔块在楔合、翻转过程中存在运动学关系如Ⅱ式所示：

r_i·θ_i＝r₀·θ₀ Ⅱ式

Ⅱ式可以转化成转角关系式，如Ⅲ式所示：

Ⅱ式和Ⅲ式中，参数参照标准规格的离合器楔块，标准规格的离合器楔块五项基本参数分别为：楔块的宽度为b，内外侧圆弧半径为r_i和r₀、中心距Z、中心角α；

2)对最大升程的确定：首先根据余弦定理可以得到关系式如Ⅳ式所示：

式中，O点为外滚道和内滚道圆弧对应的圆心，B点为楔块内侧圆弧半径r_i对应的圆心，A点为外侧圆弧半径r₀对应的圆心，R_i为内滚道所在圆弧对应的半径，R₀为外滚道所在圆弧对应的半径；

求得∠OBA数值后，由正弦定理可得关系式如Ⅴ式所示：

求得∠OAB数值后，同时可得关系式如Ⅵ式所示：

Ω＝∠OAB-90°-α Ⅵ式

式中，Ω为楔块的转角；

再次，求得Ω数值可得关系式如Ⅶ式所示：

求得角度β_i和β₀数值，式中β_i为∠OBA的补角减去α后与θ_i的差值，β₀为Ω加直角后与θ₀的差值；

最后，根据Ⅱ式设定θ_i为递增自变量，根据离合器几何结构，得出设定楔块宽度关系式如Ⅷ式所示：

b′＝r_i cosβ_i+Zcosα+r₀ cosβ₀ Ⅷ式

式中，b′为楔块宽度，根据Ⅷ式可知，b′将随着θ_i的递增对而递增，对b′的取值设定关系式如Ⅸ所示：

b′＝b Ⅸ式

由Ⅸ式得出，表明楔块将逐渐增厚达到预定值，即升程最大值，此时满足楔块的外、内圆弧的C’与Q’边缘点，同时与外套的内圆弧以及内轴的外圆弧接触，实现升程的最大取值；同时为方便表达楔块宽度b的位置，设定AK＝L₀，其中AK为A点至楔块侧边的垂直距离，即可由L₀的取值，实现宽度b的定位；

3)对最大升程的求解：在确定楔块的最大升程位置时，同时可以得到θ_i和θ₀转角，由此可以确定Q′和C′的位置，并在此基础上，求解相应的最大升程值；

由前文可知，楔块的最大升程由Q′、C′两点的距离与Q、C两点的距离差值所确定，为了求得Q′、C′两点的距离，运用计算机图形学原理，在两点分别建立局部坐标并进行平移和旋转，得到各自的原始坐标，其坐标转换的关系式如Ⅹ式所示：

式中，θ为局部坐标相对与外滚道和内滚道所在圆心处坐标的转角，T_x和T_y分别为局部坐标系原点至外滚道和内滚道所在圆弧中心的坐标；

通过两点之间的距离公式，求得Q′C′两点之间的距离，设为

下面求解Q、C两点的距离，由余弦定理得到关系式如Ⅺ式所示：

式中，

为楔块两接触点处楔角的差值；

由此进一步得到Q、C两点的距离关系式如Ⅻ式所示：

最后得到优化后的最大升程值关系式如XIII式所示：

由此求得优化后的最大升程值S_ry的关系式。

图4为离合器与本发明相关的主要组成结构，包括外套A、楔块B和内轴C。

本发明的内容通过实施例加以进一步描述：

实施例1：对规格为J₀＝6.3的标准楔块进行计算优化，给定5项基本参数。按上述方法与计算公式(I)-(XIII)，求得楔块宽度b的重要定位参数L₀＝1.7054。此时，最大升程为S_ry＝0.3072。

实施例2：对规格为J₀＝8.331的标准楔块进行计算优化，给定5项基本参数。按上述方法与计算公式(I)-(XIII)，求得楔块宽度b的重要定位参数L₀＝2.2425。此时，最大升程为S_ry＝0.4498。

实施例3：对规格为J₀＝9.5的标准楔块进行计算优化，给定5项基本参数。按上述方法与计算公式(I)-(XIII)，求得楔块宽度b的重要定位参数L₀＝2.4487。此时，最大升程为S_ry＝0.4168。

实施例4：对规格为J₀＝12.7的标准楔块进行计算优化，给定5项基本参数。按上述方法与计算公式(I)-(XIII)，求得楔块宽度b的重要定位参数L₀＝3.2616。此时，最大升程为S_ry＝0.6757。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构，其特征在于：包括楔块、外滚道和内滚道，所述楔块为圆弧型面设置，所述外滚道和内滚道为同心设置的两个弧面，所述楔块可滚动设于外滚道和内滚道之间，所述楔块与外滚道和内滚道接触的两个弧面由两个偏心圆弧组成。

2.一种圆弧型面斜撑离合器的楔块结构的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对楔块的运动学分析：所述楔块在外滚道和内滚道内的初始楔合高度为H_nom，所述楔块在外滚道和内滚道之间翻转达到的最大高度记为H_max，利用所述楔块翻转达到的最大高度H_max与初始楔合高度H_nom之间的差值，求得楔块的升程，升程关系式如I式所示：

S_R＝H_max-H_nom I式

式中，S_R表示楔块的升程距离；

所述楔块在外滚道和内滚道之间初始楔合时，楔块与外滚道接触的点记为C点，楔块与内滚道接触的点记为Q点，随着发动机扭矩载荷的施加，楔块从Q点和C点开始楔入传动，若不断增大载荷，则楔块逐渐翻转至最大升程，楔块翻转至最大升程时楔块与外滚道接触的点为C’边界点，楔块与内滚道接触的点为Q’边界点，接触点C’和Q’沿两圆弧圆心各自转过的角度分别设为θ₀和θ_i；由此认定，楔块在楔合、翻转过程中存在运动学关系如Ⅱ式所示：

r_i·θ_i＝r₀·θ₀ Ⅱ式

Ⅱ式可以转化成转角关系式，如Ⅲ式所示：

Ⅱ式和Ⅲ式中，参数为标准规格的离合器楔块，楔块的宽度为b，内外侧圆弧半径分别为r_i和r₀、中心距Z、中心角α；

2)对最大升程的确定：首先根据余弦定理可以得到关系式如Ⅳ式所示：

式中，O点为外滚道和内滚道圆弧对应的圆心，B点为楔块内侧圆弧半径r_i对应的圆心，A点为外侧圆弧半径r₀对应的圆心，R_i为内滚道所在圆弧对应的半径，R₀为外滚道所在圆弧对应的半径；

求得∠OBA数值后，由正弦定理可得关系式如Ⅴ式所示：

求得∠OAB数值后，同时可得关系式如Ⅵ式所示：

Ω＝∠OAB-90°-α Ⅵ式

式中，Ω为楔块的转角；

再次，求得Ω数值可得关系式如Ⅶ式所示：

求得角度β_i和β₀数值；

最后，根据Ⅱ式设定θ_i为递增自变量，根据离合器几何结构，得出设定楔块宽度关系式如Ⅷ式所示：

b′＝r_icosβ_i+Zcosα+r₀cosβ₀ Ⅷ式

式中，b′为楔块宽度，根据Ⅷ式可知，b′将随着θ_i的递增而递增，对b′的取值设定关系式如Ⅸ式所示：

b′＝b Ⅸ式

由Ⅸ式得出，表明楔块将逐渐增厚达到标准值，升程也达到最大值，此时满足楔块的外、内圆弧的C’与Q’边缘点，同时与外套的内圆弧以及内轴的外圆弧接触，实现升程的最大取值；同时为方便表达楔块宽度b的位置，设定AK＝L₀，其中AK为A点至楔块侧边的垂直距离，即可由L₀的取值，实现宽度b的定位；

3)对最大升程的求解：在确定楔块的最大升程位置时，同时可以得到θ_i和θ₀转角，由此可以确定Q′和C′的位置，并在此基础上，求解相应的最大升程值；

由前文可知，楔块的最大升程由Q′、C′两点的距离与Q、C两点的距离差值所确定，为了求得Q′、C′两点的距离，运用计算机图形学原理，在两点分别建立局部坐标并进行平移和旋转，得到各自的原始坐标，其坐标转换的关系式如Ⅹ式所示：

式中，θ为局部坐标相对与外滚道和内滚道所在圆心处坐标的转角，T_x和T_y分别为局部坐标系原点至外滚道和内滚道所在圆弧中心的坐标；

通过两点之间的距离公式，求得Q′C′两点之间的距离，设为

下面求解Q、C两点的距离，

由余弦定理得到关系式如Ⅺ式所示：

式中，

为楔块两接触点处楔角的差值；

由此进一步得到Q、C两点的距离关系式如Ⅻ式所示：

最后得到优化后的最大升程值关系式如XIII式所示：

由此求得优化后的最大升程值关系式。

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