CN86104095A - 离心式调速稳速油膜离合器 - Google Patents

Abstract

本发明属机械工程中离合器领域。本发明采用了湿式摩擦片离合方式，通过调速稳速反馈自控油路发出的指令来改变主从动摩擦片结合的程度，以实现在0～100％内的全范围无级调速的目的。并可达到从动轴的转速控制在：输入转速1/750转的波动范围之内。本发明调速灵敏度高，稳定性好，传动效率高，节能显著，能适用于各种不同的负载，在机械工程中具有广泛地应用。

Description

所属技术领域：本发明属机械工程中的工程元部件的离合器领域。

已有技术：油膜离合器是现代机械工业出现的一种新型的机械与液压传动装置。依靠调速阀给出的指令，用活塞推动主从摩擦片，使摩擦片之间的距离发生变化，以改变从动片的切应力，从而实现无级变速，以达到改变从动轴转速和扭矩的目的。

国内同行在80年代初期开始研制油膜离合器。目前都在试用阶段，如杭州齿轮箱厂，该厂生产的TL系列调速离合器的主要特点是：1.变速指令信号通过从动轴的传动齿轮反馈到安装在调速离合器体外的速度控制器，并通过操作人员在机旁或远距离操纵，实现30～100%之间的无级调速。2.以控制系统油路中油压推动离合器主动轴的活塞来使主，从动摩擦片结合，实现主、从动轴的滑差传动。国内还有些同行也有准备或设想把调速阀直接设置在从动轴上，利用从动轴产生的离心力作用，使阀芯径向活动，以控制系统油路中离合器运转油压的大小，以实现调速。

国内同行对于油膜离合器的研制，在调速范围从0～100%全范围内实现调速，並且实现调速稳定性好，调速灵敏度高和自适应控制能力强等方面还未取得实质性的突破。

国外同行如日本、美国、瑞典等国也很早开始研制油膜离合器，但在已有技术的文献中，对此仅作原理性的叙述，对于工程实践中需解决的问题均未作详细论述。

国外同行对油膜离合器的研制，在70年代就已开始，如日本“新泻控巴达株式会社”（新泻コンバタ一株式会社）研制的奥美伽离合器（OMEGA    DRIVE），其基本特点与国内杭州齿轮厂的样机类似。它采用了多片湿式摩擦离合方式，通过活塞推动主、从动摩擦片来改变其结合程度，以达到在30～100%范围内无级变速的目的。其自控作用为：按照指令信号控制奥美伽阀，使奥美伽阀及时将信号反馈给活塞，使活塞压力得到变化，改变主、从动摩擦片结合程度，以达到无级调速的目的。

瑞典已取得专利的奥美伽驱动装置，专利号：NL8204681。它是用于集装箱起重机的控制系统，具有冷却和液压的传动装置。奥美伽驱动装置的离合器选用摩擦片形式和由主轴控制的液压装置，液压装置包括：冷却器、过滤器、供油箱、排油装置和调节阀。其调速范围从0～100%，实现了全范围调速。

本发明的目的是使其在0～100%内调速的同时，实现调速自适应控制，并通过对系统结构独特的设计，成功地解决了调速反映快，稳定性好的技术关键，达到了高效率地传动和节能的目的。

本发明的技术内容：本发明是运用牛顿粘性定律， $\mathrm{\tau =\; \mu }\frac{\mathrm{dv}}{{\mathrm{dx}}_1}$ 在主、从动摩擦片之间充满一定粘度的工作油，由于主、从动摩擦片之间的相对速度而产生切应力，切应力的大小取决于控制活塞的推力，活塞推动主、从动摩擦片，改变了它们的结合的程度，由此使受负荷一端获得不同的旋转速度或扭矩，并可根据工况需要，在调速稳速阀的作用下，从0～100%全范围实现调速，并稳速旋转。

以下本文将结合附图对本发明的实施例进一步作详细叙述：

图1a为离心式调速稳速离合器部分结构示意图;

图1b为调速稳速反馈控制油路示意图;

图1c为调速稳速阀结构示意图;

图2为调速稳速阀阀芯受力示意图;

图3a为三种阀顶孔直径与控制压力、阀底压力关系图;

图3b为三种阀顶孔直径与控制压力、阀顶压力关系图;

图4为压力反馈自控器示意图。

本发明的部分结构示意图如图1a所示，主要由支持在轴承上的主动轴（1）、从动轴（2）、转子（3）和密封装置等组成。转子装在从动轴一端，它由支座（6）、主动摩擦片（8）、从动摩擦片（9）、弹簧（10）、活塞（7）、调速稳速阀（14）、节流器（13）等组成。

主、从动摩擦片采用齿形花键，分别与主动轴和转体连结，工作油PW经工作油路（4），通过小孔（11），到主、从动摩擦片之间，工作时，油通过主、从动摩擦片之间经滑差作用后，通过小孔（12）流出，並作往复循环使用。控制油Pc经控制油路（5）见图1b，通过节流器（13）到活塞腔（15）和调速稳速阀（14）。调速稳速阀由阀盖（16），阀体（21）、阀座（26），阀芯（27）组成，安装在从动轴上，阀芯（27）轴线通过从动轴的旋转中心。阀芯沿从动轴径向方向在一定范围内移动。

当主动轴带动主动摩擦片旋转后，主动摩擦片由于高速旋转和油的粘度产生切应力，将动力传递给从动摩擦片带动从动轴转动。调速稳速阀随从动轴同时转动，并同时根据工况实现0～100%全范围的调速稳速作用。控制油Pc流经节流器小孔（23）分别通过油腔（24）和（25），当通过油腔（24）直接进入活塞腔（15）时：如Pc≈P₁主、从动摩擦片之间距离减少，切应力增大，使从动轴转速不断增大;当通过油腔（25），进入调速稳速阀腰子槽（28），见图1c，同时进入调速稳速阀阀底小孔（29），阀体孔腔（30），腰形槽（31），最后流入阀芯顶腔（18）。由于节流小孔（17）的作用，产生阀顶腔压力P₂，这时如图2，当满足式

F_f+P₂·A₂＞P₁·A₁+F

F_f-阀芯与腔壁摩擦力;

P₂-阀顶腔压力;

A₂-阀芯截面积;

P₁-阀底腔油压力;

A₁-阀底截面积;

F-阀芯离心力;

此时，阀芯向里，小孔（20）仍关闭，见图1b，这样使油腔（25）的油压继续升高，活塞向左移动，摩擦之间结合的程度，趋向紧密，同时从动轴的转速升高。

如果转速继续上升，引起阀芯打开小孔（20），阀芯向外，在此瞬间关闭阀盖小孔（17），阀顶腔（18）压力由P₂＜P₁到P₂＝P₁，使阀芯的力平衡方程式为：

F_f+P₂·A₂≤P₁·A₁+F₁

此时接通槽（22），使活塞油腔（25）的压力下降一个△P值，活塞向右移动，从动轴转速下降。

由于转速下降，则离心力F减少，当减小到满足下式时，

F_f+P₂·A₃＞P₁·A₁+F

其中：A₃-（A₂-Ac）截面积;

A_c-阀顶截面积;

又循环到上述情况。这样往复循环，使转速稳定在某一转速范围内波动旋转。当F_f很小时，A₂，A₁，A₂，A_c值合理匹配，转速波动可控制在输入转速的 1/750 转之内，调速稳定反馈波动的自控频率为1～3周/秒。

根据式：F_f+P₂A₂＝P₁A₁+F（当F_f忽略不计，A₂＝2A₁），可导出A₂（P₂- 1/2 P₁）＝1.119×10^-8m·R·n²（式中A₂＝ (πd²)/4 ，m为阀芯质量，n为从动轴同步转速，R为阀芯的质心回转半径），阀芯截面积A₂可按下式计算：

A₂＝ (2.238 ×10^-8m ·R ·n²)/(2P₂-P₁)

根据式F_f+P₂A₂＝P₁A₁+F，控制压力P_cmax＝25kg/cm²阀芯的直径d分别为12、14、16mm，阀芯高度取（1.5～2）d时，离心力F的选择范围为：d＝12mm，F＝5～10kg;d＝14mm，F＝5～16kg，d＝16mm，F＝8～20kg。对于同样阀芯的直径，当高转速时，离心力大，可以改变阀芯的结构使阀芯质量减小，能满足转速增加时离心力F也在上述范围之内。如果改变阀芯结构，减小质量仍不能满足上述要，则可减小A₁截面及增加P₂的值。

阀底腔压力P₁：与阀顶腔压P₂可根据图3b查得，如阀底孔（29）为1.2mm，阀顶孔（17）为0.8mm，节流器孔（23）为1.6，最大控制压力P_c为25kg/cm²时，查得P₁＝22.8kg/cm²，P₂＝13.5kg/cm²。也可根据伯努利方程求得。

节流器（13）其孔径（23）的大小要根据起动时△t的大小来定，活塞腔最大容积为V₁通过节流器的流量为Q，△t＝V/Q，考虑工艺问题，节流器孔取1.5～2mm，孔（20）取1.2～1.4mm，孔（17）取0.8～1mm，孔（29）取1～1.2mm，通过改变孔（23），（20），（17）可得到不同的P₁、P₂、△P值。

本发明装置中的弹簧是使活塞进退的重要元件，它设置在转体的弹簧室内，弹簧室均布在转体的圆周上，为了实现活塞的平稳移动，受力均匀，要求弹簧个数只≥6，要求每只弹簧的长度L±0.1mm，刚度P±0.2kg/mm。P＝P_max/Z，其中弹簧最大负荷P_max由下式求出：

P_max＝50+（D₁+D₂）ψ×0.3（单位kg）

D₁-活塞外径（cm）

D₂-活塞内径（cm）

ψ-常数，其值为π（kg/cm）

本发明的压力反馈自控器（见图4）用于水泵传动的保证水头压力为一常数的自控器，它是利用水泵压力反馈来控制油膜离合器控制油压变化的装置。当水泵流量变化的条件下，通过油膜离合器的变速仍能保持水泵压力不变，自控器是由调整螺母（33），弹簧（34），壳体（35），推杆（36）、活塞（37），接头（38），盖（39），溢流阀控制杆（41）等构成。调整螺母使弹簧力与作用在活塞上的压力相平衡，此时是油膜离合器在其转速下的控制压力P_c在此控制压力下的泵水头压力是P_b，如压力P_b下降，在弹簧力的作用下，推杆向右使溢流阀控制杆向下压紧，P_c即增加，则油膜离合器的转速上升;当P_b增加，推杆向左，使控制杆向下，则转速随P_c的变化而下降，水泵压头P_b降低，就这样使P_b值稳定在某一范围之内。

技术经济效果分析：

例：用油膜离合器调节水泵的转速与原来用阀门节流调节相比较，其节电效果明显不同，经现场测试，按每小时排水量一立方米计，节能效果分析如表一：

排水量立方米／小时	电耗（千瓦）
			节流调	用本发明调节
	130	25			21
100			22	14
	70	20			10

表一：三种工况节能效果比较表

又例：在15天内，分别在三种典型的工况下运行其节能情况

如表二：

表二：15天内三种工况节能效果比较表

用本发明调节在15天（360小时）共可节电2780瓩，假设在这种情况下运行一年，可获得年节电量66720瓩。其节电效果相当明显。

本发明的用途：本发明具有能在0～100%全范围实行无级调速，调速灵敏度高，而且稳定性好，能够适用于各种不同的负载，在动力工程机械，矿冶机械，船舶机械，农业机械，化工机械、机床等工程机械的传动领域内具有广泛地用途。

Claims (3)

1、一种离心式调速稳速离合器，由主动轴(1)、从动轴(2)、转子(3)，包括支座(6)、活塞(7)、主动摩擦片(8)、从动摩片(9)、调速稳速阀(14)和节流器(13)组成，本发明的特征在于它设有调速稳速反馈自控油路，控制油压Pc经过节流器小孔(23)流入油腔(24)和(25)，当Pc与P₁相等时，从动轴(2)转速逐步增大，增大到某一转速范围时，在离心作用下阀芯(33)向外移动，接通油腔(22)、腰子槽(28)、阀底小孔(20)、阀座腔(19)和槽(22)使压力油流出槽外，导致从动轴转速下降。瞬时另一路控制油Pc经过腰子槽(28)，经阀底小孔(29)、阀体孔腔(30)，进入阀顶腔(18)，由于阀顶腔压力大于阀芯摩擦力和阀底腔压力及阀芯离心力，又迫使阀芯关阀底小孔(24)，造成从动轴转速迅速提高。如此往复循环，使其稳速控制在：输入转速的 1/750 的波动范围之内，调速稳速反馈波动的自控频率为1～3周/秒。

2、按照权利要求1所述的油膜离合器，其特征在于转子（3）内所设的这种弹簧是均布在活塞的圆周上，弹簧个数应大于等于6。

3、一种离心式调速稳速离合器，由主动轴（1）、从动轴（2）、转子（3），包括支座（6）、活塞（7）、主动摩擦片（8）、从动摩片（9）、调速稳速阀（14）、和节流器（13）组成，本发明的特征在于还设有压力反馈自控器，当用于带动水泵时，它可用水泵输出的压力反馈来控制油压的变化，以实现对从动轴的调速作用，获得在水量变化下，而水头压力不变。它由带有刻度标记的调整螺母（33）、弹簧（34）、壳体（35）、推杆（36）、活塞（37）、接头（38）、盖（39）、溢流阀（40）、溢流控制杆（41）构成。

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