CN1126881C - 静压式可控离合器 - Google Patents

Abstract

静压式可控离合器，是动力传递系统的重要部件，该离合器内由静压式流体泵，控制阀、溢流阀等零部件组成封闭液压回路。通过控制流体泵高低压口流体的导通或关闭使离合器产生分离或接合，离合器设置了各一组主、从摩擦板，通过流体泵产生的高压流体大面积作用于摩擦板而产生很大的结合力，从而提高了离合器传递扭矩的能力。本发明具有体积小、结合柔和、操作功小、反应快、寿命长，传扭能力大，无污染等显著特点。

Description

静压式可控离合器

本发明是一种关于离合器、特别是一种利用了容积式液压泵所产生的流体压力而使离合器的主、从动轴产生接合或分离的静压式可控离合器。

离合器，是一种广泛使用在动力传递系统中的重要元件，其功能主要是按照动力传递系统的工作要求，将从原动机发出的机械能量切断或接通至后续部分如变速箱或动力执行机构等。

目前常用的离合器可大致分为可控式离合器及自动式离合器两大类。在可控式离合器中，其控制方式可分为电控、液控，气控及机械控制等。从现在广泛使用的可控式离合器的类型来看，主要有电磁式离合器、机械嵌合式离合器、磨擦式离合器等。由于这几种离合器的结构特点及工作性能各有不同，故各自的优缺点及适用范围也有所不同。

一般而论，电磁式离合器具有容易实现远程控制，过载性能好、接合柔和等优点。但其缺点是功率密度较小、发热量大及可靠性较差且需要一套电源系统等。与此相对应，机械磨擦式离合器则具有功率密度较大、可靠性较高等优点。但因其传扭能力与磨擦面的几何尺寸、磨擦系数及正压力成正比，故在外形尺寸及磨擦系数一定的情况下，需要较大的弹簧力或多枚磨擦片才能产生较大的工作扭矩。对于使用船舶、坦克、重型卡车、工程机械、煤矿机械等的大功率离合器，仅用人力已不能进行操作，而需采用一套或液压，或气动，或电动或机械助力系统。尽管如此，由于上述优点，目前在行走机械如汽车及摩托车中，仍主要采用磨擦式离合器。

至于液力偶合器，则被广泛使用于自动变速车辆及大功率原动机软起动系统中。后者的主要缺点在于分离不彻底、高效工作范围较窄、平均工作效率低且体积庞大等。

对于使用于行走机械的离合器而言，一般希望离合器具有如下特性：1.分离彻底，接合柔和，无冲击且工作状态转换平稳；2.操作力或操作功小；3.热衰减小即热稳定性好；4.抗冲击及过载性能好；5.体积小，功率密度大；6.磨擦副的耐磨性好，寿命长；7.性能稳定，可靠性高；8.成本低廉，维修更换方便；9.磨擦副没有毒性粉尘逸出；10.操纵控制方便，即使对于大功率机型及远距离操纵，也勿需外加助力系统等。

但令人遗憾的是，现有的各种机械式磨擦离合器，不管是哪一种结构形式，均只能满足上述部分要求，无一例外。虽然世界各国的有关厂家及科研单位均投入了大量的人力物力不断地进行研究开发，但迄今为止，还没有任何一个团体或个人已开发出能同时满足上述全部性能或大部分性能的离合器。

针对此种现状，本发明的目的在于提供一种能满足上述全部要求的新型静压可控式离合器。

发明的意图是这样实现的：采用一台静压式流体泵或者说容积式流体机械(从理论上说，所论静压流体泵的结构可以是柱塞式、叶片式、齿轮式或其他型式，但实际上以双作用柱塞式或双作用叶片式结构为最佳)，将流体泵的壳体部分与动力输入轴相连结，泵元素部分如缸体(转子)、柱塞或叶片等则与动力输出轴相连结。在流体泵的流体吸入口(低压口)及流体排出口(高压口)之间安设一个控制阀，以接通或切断流体泵的高低压口。当控制阀处于连通位置时，流体泵的壳体(离合器的输入轴)与转子及柱塞(离合器的输出轴)在几乎没有压力或力矩作用的情况下运转，此时的离合器处于分离状态。当控制阀处于切断位置时，由于流体泵的壳体(离合器的输入轴)与泵元素之间的相对转动，会使流体的压缩腔内迅速产生(可以事先由溢流阀设定的)高压，从而使流体泵的壳体与转子之间产生作用扭矩即接合力矩，此时的情况相当于离合器的接合状态。

应当强调的是：在许多情况下，因为要求离合器具有很大的工作扭矩，仅靠流体泵本身的作用扭矩难以达到中、大功率离合器的传扭要求。为解决这一问题，在本发明中采用了以下方法：采用数块磨擦盘，一部分磨擦盘为主动磨擦盘，与流体泵的壳体作不可相对转动但可轴向位移的连接；另一部分磨擦盘为从动磨擦盘，与流体泵的泵元素如缸体(转子)等作不可相对转动但可轴向移动的连接，主动磨擦盘与从动磨擦盘间隔安装。然后，将从流体泵高压口排出的高压流体导入(可作轴向间隙补偿的)浮动配流盘或其它适当元件的密封高压腔，该高压腔的流体压力可使上述主动磨擦盘与从动磨擦盘之间产生接合或分离，由此产生足够大的磨擦扭矩。

对于小型离合器如小型汽车及摩托车用的离合器，为了使结构简单及体积小巧，可直接利用缸体(转子)的两侧面作为从动磨擦盘传递扭矩(如附图5所示)。

总而言之，在本发明中，将一个流体泵的壳体部分与离合器的输入轴相连接，泵元素部分(转子等)则同离合器的输出轴相连接。当控制阀切断所论流体泵的高、低压流体口时，由于输入轴与输出轴的相对转动，使泵压缩区内的流体受到压缩而产生高压，高压流体一方面使流体泵本身产生相当的扭矩，另一方面(该高压流体)被导入浮动配流盘或其它有关零件的密封高压腔内，由此产生巨大的轴向压力(该流体压力代替传统离合器中的机械弹簧产生的轴向力或径向作用力)，使(分别与主、从动轴连接的)磨擦副之间产生接合，传递扭矩。

反之，当控制阀将泵的高、低压口接通时，动力输入轴及与此作旋转固定的零件如主动磨擦盘等，便可容易地相对于动力输出轴及与之作旋转固定的零件如从动磨擦盘转动，从而实现动力传递的切断。这样，控制离合器接合与分离的力仅为移动控制滑阀或锥阀(或转阀)所需的力，该力一般为弹簧式离合器所需控制力的百分之几甚至更小。

由于所论控制滑阀或锥阀均可设计成液压力平衡式结构，故控制滑阀或锥阀所需的力很小。同时，因流体泵可产生高达数百巴的压力且可将泄漏作得很小，故即使对于传递数千牛顿-米乃至更大力矩的离合器，所需的操纵力也完全可由人力提供而勿需任何外部助力系统。这意味着，本发明可大大节省系统成本，减少安装空间，提高操纵性能尤其是遥控性能。同时，可避免有关辅件如离合器控制钢绳、铰接件及力臂系统构成零件等的短期破损等问题。

值得一提的是：为了避免离合器接合时产生所谓“硬冲”现象，在现有的机械磨擦式离合器一般多采用多级切向布置的减振弹簧的结构设计。而在本发明中，只需通过调整控制阀的几何形状及工作特性等，便可得到不同的接合性能，保证即使在不使用任何弹性材料的情况下，仍能得到极为柔和的接合特性。

采用控制阀的另一个好处是，离合器的工作性能如接合与分离扭矩不会受转速的影响。

将流体泵的壳体部分与离合器的主动轴(输入轴)相连接的原因，主要是考虑到尽量减少从动轴部分的转动惯量及减少离心力对离合器分离特性的不良影响。根据需要，也可将流体泵的壳体作为离合器的输出轴，而转子等则作为离合器的输入轴连接安装。

另一方面，为了保证离合器具有良好的过载性能即安全保护性能，在本发明中，采用了在流体泵的高压出口设置溢流阀的方法。当离合器所传递的扭矩值超过最大设定值时，溢流阀打开，离合器的主、从动轴带载打滑，这一特性正是行走机械包括汽车及摩托车所要求的。由于本发明可以用矿物油作为工作介质及采用高<PV>值的材料作为摩擦副，故带载打滑的时间可以大大超过现有的干式离合器这就是说，本发明所提出的离合器不易产生烧盘现象。

对于某些要求过载后即自行切断动力传递的离合器，只要对本发明中的溢流阀的设计及结构稍加修改后即可得到。实际上，根据具体设计，可以得到动力切断后延时自动恢复接合或只能人为恢复接合等特性的各种离合器。

利用溢流阀设定工作压力即额定扭矩的另一个好处是：对应于一定范围的使用扭矩如不同的车型或其他动力传递系统，均可使用同一外型尺寸的离合器。这一点意味着；即使对于小批量、多品种定货，也可方便地进行大批量生产，十分有利于产品的系列化及降低生产成本。

如前所述，因为在本发明中利用了静压式流体泵所产生的巨大流体压力来代替传统的机械弹簧力，从而使得控制磨擦副接合与分离的力可达很高的数量级，故即使采用磨擦系数低但耐磨性能好的(金属)材料，也可传递很大的扭矩。由于金属的热稳定性远高于非金属材料如石棉基材料或合成塑料，故可保证离合器具有良好的高温工作特性、很小的热衰减及很高的耐磨性。这意味着既可降低生产成本，又可大大提高离合器的可靠性及延长离合器的使用寿命。

以行走车辆所用离合器为例，依据本发明而得到的离合器(磨擦片)的寿命至少可以是圆柱弹簧或膜片弹簧磨擦离合器的数倍乃至数十倍。

此外，因为可将离合器做成一个封闭式部件，当采用油液作为工作流体时(湿式结构)，不会对环境及大气产生任何有害磨屑粉尘或其他污染。

在将本发明用于行走车辆时，可将离合器外壳直接与飞轮连接，输出轴与第一级变速箱之间则采用十字联轴节或其他适当的联轴器连接。这样一方面可大大降低传动系统的振动与噪音，另一方面可保证在不移动发动机与变速箱的前提下，对离合器进行维修与保养，从而可显著地降低人工成本及缩短维修时间。

作为使用在本发明中的工作流体，可采用油、高水基流体、水、空气或其它任何一种适当的流体。具体采用哪一种流体，可根据对离合器的使用要求而定。

与现有的各种可控式离合器包括广泛使用在行走机械中的磨擦式离合器相比，本发明具有体积小，重量轻，结合柔和，无冲击，操作功小，反应快，操纵特性好及易于进行远距离控制，寿命长，热衰减小，加工及维修成本低，可方便地组织大规模生产及系列化，无磨屑污染等一系列显著优点。

有关附图的说明：

图1静压式可控离合器工作原理示意图

图2静压式可控离合器结构示例

图3图2中C-C剖面图

图4螺旋槽板的典型结构示意图

图5小功率静压式可控离合器结构示例

附图中有关符号的说明：

01壳体，02定子，03柱塞，04转子，05从动轴，06浮动配流盘，07溢流阀芯，08浮动侧板，09主动磨擦板，10从动磨擦板，14支承轴承，15分离轴承，16控制滑套，17拨动销，18控制拨叉。RV溢流阀，CV1控制阀体，CV2控制阀芯，CP控制板，CS控制板回程弹簧

下面，结合图1～图5详细说明依据本发明所提出的静压式可控离合器的结构特点及工作原理等。

如图1所示，为了较直观地说明有关工作原理，此处采用了双作用叶片泵作为代表结构。离合器主要由壳体(01)，定子(02)，转子(04)，从动轴(05)，浮动配流盘(06)，浮动侧板(08)，主动磨擦板(09)，从动磨擦板(10)，两个轴承(14)，叶片(31)，溢流阀(RV)，控制阀(CV)，控制拉杆(OD)，回程弹簧(OE)，低压油管(OF)，高压油管(OG)等零件组成。为了尽量减少从动轴系的转动惯量，将壳体(01)，主动磨擦板(09)与主动轴侧如发动机的飞轮相连接，从动轴(06)则与转子(04)及从动磨擦板(10)相连接。

当控制阀(CV)处于“A”工作位置时，尽管由于壳体(01)相对于转子(04)及叶片(31)有相对转动而使油腔“I”，“III”有产生高压的趋势，但由于高、低压油路(OF)及(OG)相通而使流体循环流动，故无法在离合器(叶片泵)内产生足够的压力，从而无法使泵本身及主动摩擦板(08)与从动摩擦板(10)之间产生足够的接合力，最终使得壳体(01)及与之具有刚性转动连接的零部件如主动摩擦板(09)等，相对于转子(04)及有关零部件如叶片(31)，从动摩擦板(10)及从动输出轴(05)等自由转动，此时意味着离合器处于分离状态。

当控制阀(CV)的“B”位进入工作状态时，高低压油路被切断，图中所示腔“I”、“III”中的压力迅速升高，与两腔相通的浮动配流盘(06)及浮动侧板(08)之间的压力腔中的压力也同时升高。于是，浮动配流盘推动转子(04)、主动摩擦板(09)及从动摩擦板(10)向左移动，最后产生足够的轴向接合力，使(与传动系主动轴相连接的)壳体(01)及有关零件带动(与传动系从动轴相连接的)转子(04)及有关零件一起转动，此时的工作状态即是离合器的接合状态。

为了防止流体泵的高压泵的高压腔压力过高及由此而产生的原动机过载如发动机熄火等不良现象发生，在本发明中，采用了一个压力可自由设定的溢流阀。当流体泵高压腔压力升高至溢流阀的工作压力时，溢流阀芯自动开启，将由流体泵高压腔排出的高压流体溢流回离合器壳体中的空间(该空间相当于一个小流体箱)，此时的工作状态相当于带载打滑，即在主、从动轴之间虽然作用有相当大的扭矩且主动轴高速旋转，但从动轴部分并不转动或仅以微小转速转动。

图2及图3表示了一种可传递中、大扭矩的静压可控式离合器的剖视图，图3为图2中的C-C剖视图。在该离合器中，采用了双作用径向柱塞泵作为力源装置，壳体中的工作介质为矿物油。

离合器主要由壳体(01)，定子(02)，数个柱塞(03)，转子(04)，花键输出轴(05)，浮动配流盘(06)，浮动侧板(08)，主动摩擦板(09)，从动摩擦板(10)，两根整体式柱塞回程弹簧(11)，盖板(12)，定位销(13)，两个输出轴轴承(14)，分离轴承(15)，溢流阀(RV)，溢流阀芯(07)，控制阀体(CV1)，控制阀芯(CV2)，控制压板(CP)，控制压板回程弹簧(CS)，控制滑套(16)，拨动销(17)，控制拨叉(18)等零件组成。

图中的零部件如从动摩擦盘(10)，转子(04)及数个柱塞(18)，花键输出轴(05)等刚性联结，构成从动部分或称从动系。

不转动的零部件为控制滑套(16)，拨动销(17)，控制拨叉(18)等。

其他零件如壳体(01)，盖板(12)，主动摩擦盘(09)，定子(02)，浮动配流盘(06)，浮动侧板(08)，溢流阀(RV)，控制阀(CV)，控制压板(CP)，控制压板回程弹簧(CS)等则构成主动部分或称主动系。

下面以该离合器使用在汽车传动系统中的情况为例，讨论其工作原理。

为了尽量减少从动轴系的转动惯量，将静压离合器的主动系通过壳体(01)直接与发动机的飞轮相连接，从动系的花键输出轴(05)则与后面的变速箱输入轴(30)(图中未画出)相联接。

当离合器各零部件处于图示位置时，因为控制阀及溢流阀均处于关闭位置，故离合器为接合状态。此时，设花键输出轴(05)等与变速箱输入轴(30)等汽车的从动轴系处于静止状态。如设发动机的飞轮旋转，则离合器壳体等便会相对于柱塞(03)及转子(04)等零件转动。由于转子与柱塞接触的内表面为椭圆形面，故将在相对运动过程中，使柱塞产生往复运动，即构成一个双作用径向柱塞泵。由该泵输出的高压油，推动浮动配流盘(06)向图中的左侧作轴向运动，使得转子(04)的两个圆环形侧面和从动配流盘的两个圆环形侧面分别与主动部分零件的对应平面产生很大的轴向流体压力“FZ”及摩擦扭矩，迫使离含器的主、从动部分同步运转。

如果泵的泄漏量为零，则可保证离合器主、从动系在接合过程完成后的转速完全相同。

与此相对应，当控制拨叉(18)通过拨动销(17)，分离轴承(15)，控制压板(CP)及控制阀芯(CV2)等零件往左运动一定距离后，控制阀逐渐将泵的高低压油路接通，使流体压力消失，由此导致主、从动零件之间的轴向流体压力“Fz”及接合扭矩接近于零，从而使得两部分脱离接合，产生相对运动。此时的工作状态即是离合器的分离状态。

显然，调整控制阀的开闭特性，便可得到接合性能十分柔和的控制特性，而这是其他机械摩擦式离合器所无法得到的。

在上述实施例中，因为转子及柱塞等是作为从动系而同齿轮变速箱相联接的，故保证柱塞在任何情况下均能同定子的椭圆形内表面接触便成为一个重要问题。为此，在本发明中，在柱塞两侧采用了两根封闭型柱塞回程弹簧(11)，参看图3。

为了防止因各种意外原因而导致流体泵的高压腔压力过高，从而引起原动机过载而熄火等不良现象发生，在本发明中，采用了一个压力可自由设定的溢流阀(RV)。当流体泵高压腔压力升高至溢流阀的工作压力时，溢流阀阀芯(07)自动开启，将流体泵高压腔排出的高压流体溢流回离合器壳体中的空间(该空间相当于一个小流体箱)，此时的工作状态相当于带载打滑，即在主、从动轴之间虽然作用有相当大的扭矩且主动轴高速旋转，但从动轴部分并不转动或仅以微小转速转动。

调整溢流阀的开启压力，便可得到不同的传扭能力。这对制造同一外形尺寸但额定工作扭矩却不同的离合器系列产品是极为有利的。

对于需双向旋转的静压式可控离合器，只要在泵的吸排油口之间安设四个单向阀即可。

流体泵的配流形式，根据具体结构，既可以是平面(轴向)配流，也可以是柱面(径向配流)

除了采用矿物油作为离合器的工作介质以外，还可采用高水基流体、水乃至空气等各种流体作为工作介质。

为了进一步减少离合器接合时所产生的硬冲及在离合器内使流体形成对散热及润滑有利的循环流动，在有关摩擦面上开设了数条螺旋槽。由此构成一种承载能力与间隙大小密切有关的螺旋槽动压轴承及简易循环油泵。一方面保证在高速接合时摩擦面不会产生粘烧，另一方面使流体沿所定路径在离合器内部作循环流动，以便将在内部产生的局部高温迅速有效地散发到壳体及周围空气中。螺旋槽板的典型形状如图4所示。

对于直径较大的摩擦平面，可在其中部开设一个深度不大的沉孔，使摩擦面为一个径向宽度适中的圆环面。这样做的好处既可保证产生足够的摩擦力矩，又可减少平面的加工难度等。

若需进一步减少因运动面之间的剪切流动而产生的摩擦损失即使分离更为彻底，可在除配流平面以外的各摩擦平面之间，安设分离弹簧。

由于本发明所论离合器体积可做得特别小，解决热平衡及提高热容量便成了一个较为重要的问题。为此，可在壳体外部设置散热翅片，这些散热翅片将使空气产生沿轴向(径向)或混流式的高速流动，从而构成一个轴向或混流式散热风机(实施例中未画出)。

为降低壳体上或定子上椭圆形内孔的加工成本，可采用以下方法：先在壳体上或定子上加工出一个椭圆形内孔，然后将一个当量直径的薄壁圆筒压入即可。这样，便将磨削椭圆孔的工序改变成了磨削薄壁筒的工序。一来可使加工大为简化，二来使定子内表面磨损后便于更换。

当采用液体如矿物油等作为本发明中所论离合器的工作介质时，应采用具有可靠性高、寿命长的旋转轴油封或机械密封。

图5表示了一种工作扭矩不大的静压可控式离合器的结构示意图。与前述实施例所不同的是：在本实施例中，没有附加的主、从动摩擦盘，而是直接利用双作用径向柱塞泵转子两侧的平面作为摩擦传扭面。因为其他方面基本同附图2中所示实施例相同，故不在此赘述。

除了行走机械以外，由本发明提出的静压可控式离合器还可以使用在其他许多动力传动系统中，如矿山机械，煤矿机械，冶金机械，造纸机械，化工机械，食品机械，制药机械等。

顺便指出，只要对本发明中所列实施例结构作部分改动，便可制造出其他类型的各种自动离合器如静压式速度感应型自动离合器，静压式扭矩感应型自动离合器，静压式速度扭矩同时感应型自动离合器及其他派生、组合产品。

Claims (4)

1.一种静压式可控离合器，在壳体(01)内，设置了由定子(02)，数个柱塞(03)，转子(04)，浮动配流盘(06)组成的柱塞式流体静压泵，该泵与位于壳体(01)端板上的控制阀(CV)和溢流阀(RV)以及壳体(01)内的浮动配流盘(06)与浮动侧板(08)之间的环形空间形成液压回路；在壳体(01)开口一侧设置了主动摩擦板(09)和从动摩擦板(10)，分别与壳体(01)和花键输出轴(05)相连接；当控制拨叉(18)，拨动销(17)，带动控制阀芯(CV2)处于阀体中两个不同位置(A)和(B)时，泵的液压回路分别处于连通无压力状态和切断产生高压力状态，处于连通位置(A)时，离合器脱开；处于切断位置(B)时，因高压流体通过浮动配流盘(06)，转子(04)作用于主、从动摩擦板而使离合器结合传递扭矩，其特征在于：包括控制阀(CV)和溢流阀(RV)在内的所有液压回路元件全部安装在离合器壳体(01)内；壳体(01)为动力输入元件，花键输出轴(05)为动力输出元件；泵的结构无论为柱塞式、齿轮式或叶片式流体静压泵，均具有浮动配流盘(06)；主动摩擦板(09)和从动摩擦板(10)可以各为数块；高压油通过浮动配流盘(06)；和浮动侧板(08)之间的环形空间放大了对主、从动摩擦板间的压紧力。

2.根据权力要求1所述的静压式可控离合器，其特征在于：壳体(01)的外表面设置有多个环形散热片。

3.根据权力要求1所述的静压式可控离合器，其特征在于：主动摩擦板(09)和从动摩擦板(10)，其摩擦板面上均开设有数条螺旋槽。

4.根据权力要求1所述的静压式可控离合器，其特征在于：柱塞式流体静压泵为双作用柱塞式泵，其柱塞两侧各设置了一根封闭式回程弹簧(11)，泵的具有椭圆内表面的定子(02)为嵌套式结构。

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