航空传动系统超越离合器设计

航空传动系统超越离合器设计
【摘要】航空超越离合器是传动系统的关键部件，本文对滚柱式超越离合器
的工作原理进行了分析，阐述了滚柱式超越离合器设计的两个阶段，以多年以来
滚柱式超越离合器使用经验为基础，建立了较完整的离合器设计计算方法。

【关键词】航空传动系统；离合器；设计
1、引言
超越离合器是一种靠主、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。超越离合器仅在一个方向上输入传递扭矩，当输入方
向相反或者在传动方向上输出端转速超过输入端转速时就自动脱开。

超越离合器按其工作原理可分为棘爪式和摩擦式两类，摩擦式超越离合器又
分为三种：滚柱式超越离合器、斜撑式超越离合器和弹簧式超越离合器，其中滚
柱式超越离合器和斜撑式超越离合器在直升机传动系统中得到广泛应用，弹簧式
超越离合器应用较少。本文主要针对滚柱式超越离合器的设计及应用展开研究。

2、滚柱式超越离合器的工作原理
滚柱式超越离合器靠楔紧作用传递扭矩。基本的滚柱式超越离合器包括：凸
轮轴、一套滚子、保持架、弹簧和外套圈。

凸轮轴截面是等边的多边形，边的个数与滚子数相等。滚子在保持架的作用
下限位在凸轮上，保持架靠一弹簧/销机构限位，以使滚子与凸轮和外套圈都接
触。凸轮轴为主动轮，当其转速高于外套圈时，滚子被楔紧在小平面与外套圈之
间，从而带动外套圈一同旋转，离合器处于接合状态；当外套圈转速高于离合器
轴时，滚子从楔紧位置脱开，离合器处于脱开状态。

3、滚柱式超越离合器的设计方法
3.1滚柱式超越离合器设计的两个阶段
滚柱式超越离合器设计包括结构设计阶段和试验验证阶段。
超越离合器应该设计成尽可能小的单元件，符合结构要求。这样做的主要目
的是能够降低重量和成本，同时通过减小尺寸进而减小离心的影响和节圆线速度
的影响。工作中，发动机运转时凸轮轴是锁定的。锁定位置的应力实际上是稳定
的，只随着功率和转速的变化而变化。因此，在设计时不需要考虑高周疲劳，但
需考虑低周疲劳。

离合器的研制试验包括性能试验、静扭试验和疲劳试验。性能试验考核离合
器接合、脱开性能及结构完整性，静扭试验考核离合器静强度，疲劳试验考核离
合器持久超越工作性能及确定离合器磨损特性。

3.2滚柱式超越离合器设计方法
3.2.1初步确定尺寸。在论述初选尺寸方法之前，需确定与离合器设计和分
析相关的参数：

L=离合器滚子长度，mm；n-离合器滚子数量；R-外轴孔的半径，mm；T-
离合器设计扭矩，N·m；ρ- 滚子半径，mm。

滚柱式超越离合器最佳滚子数量是12或14。最佳滚子数目应与设计和制造
凸轮的尺寸和几何因素相适应，通常宜采用最大滚子数目，因为这样可以减少离
合器应力，离合器更紧凑。滚子数量确定后，根据公式（1）初步确定滚子半径：

（1）
3.2.2滚子接触角分析。合理选择内接触角是滚柱离合器正常工作的关键。
咬入角一半的正切值必须小于滚子和凸轮轴之间的摩擦系数。如果咬入角一半的
正切值大于摩擦系数，滚子不能正确楔入，会“吐出”，就阻碍了扭矩的传递。通
常初始无载荷啮合角在3°到5°之间，全载荷啮合角在5°到6°之间。

3.2.3保持架的抗扭矩设计。当滚柱离合器超越时，作用在滚子上有两个基
本阻力，如图1所示。扭矩阻力是滚子转过外套圈上的油膜时由滚动摩擦和粘滞
摩擦引起的。滚动阻力是滚子离心力的函数，离心力随凸轮轴转速的增加而增大；
而粘滞阻力是凸轮轴和外套圈转速之差的函数。

根据哪个是传动元件和哪个元件是超越元件，无论在同速条件下还是在差速
条件下，都可能存在粘滞阻力和滚动阻力的最大值。例如，如果凸轮轴是主动元
件，在凸轮轴转速最大时滚动阻力最大，粘滞摩擦最小。如果外套圈是主动元件，
在全速超越时由于凸轮轴全速运转而外套圈不转，粘滞摩擦和滚动阻力都是最大
值。

在滚柱离合器中，一般通过弹簧-销组件施加给滚柱保持架一个力矩以克服
由超越滚柱所产生的摩擦阻力。在所有的工作条件下，最小的销子和弹簧合力必
须超过粘滞阻力与滚动阻力，以达到减少磨损与使得离合器接合平稳。

3.2.4外套圈设计方法。滚柱离合器外套圈应设计成能承受住由滚子处法向
载荷引起的作用在外套圈内孔上的圆周应力。超越期间，滚子在外套圈上滚动，
如果凸轮轴旋转，则产生作用在外套圈上的离心力场。因离合器驱动时赫兹应力
高，所以外套圈材料需进行硬化处理以获得高硬度表面。

外套圈上通常设置一个滑油挡板来保证滚子和外套圈间润滑良好，挡板的高
度控制外套圈内孔中油面。即使在相对低的转速下，由于离心力对滑油的作用，
滑油挡板也会提供一个与旋转轴线平行的油面。在超转时，滚子必须费力穿过滑
油，因而最好不要有过于高的油面；而滑油挡板太低不能提供充分的润滑。外套
圈转速与滑油挡板高度的关系见图2。

外套圈本身是“开式”结构，既通常一端以滑油挡板终止，另一端与扭矩传动
链相连。这种结构导致其自身沿滚子长度的变形不相等，常称为“喇叭口”。为减
小“喇叭口”的影响并保持沿滚子长度径向变形均衡，外套圈横截面一般是变化
的，不同的横截面将补偿不等的径向变形。

3.2.5凸轮轴设计方法
凸轮轴的功能与外套圈相似，它必须承受如同外套圈一样具有n个均等负载
的滚柱法向载荷，但凸轮轴基本上是受压缩，而外套圈基本上是受拉伸。

理论上在外套圈内滚柱是纯滚动，在凸轮轴上滚动是纯滑动，这种纯滑动对
于磨损来说是更为恶劣的环境，凸轮轴与滚柱之间的接触应力比外套圈与滚柱之
间的接触应力要高，因而凸轮轴比外套圈更需要坚硬的表面。

凸轮轴内腔常用来为离合器的滚动区域提供润滑油，当凸轮轴为输出元件
时，在凸轮轴一直正常旋转的情况下，就能够通过离心力作用供油，一般的习惯
是每个滚柱至少设置一个润滑孔。如果转速高，即超过10000r/min.定量润滑可
能变成为一个问题，由于孔的位置公差等原因，容易使某一特定区域缺油。因而
在高速条件下，润滑设计更为关键。

3.2.6“弹簧/销机构”设计方法
为了斜面滚柱离合器正常工作，另一个重要的考虑因素是销/弹簧机构的设
计，它使滚子保持着一直与外接触。不合适的结构设计会引起销卡住，既会阻碍
离合器在适当的时候啮合又会阻碍离合器在适当的时候脱开。在设计销和弹簧的
时候，必须将摩擦力和离心力计算在内。

为保证高速下的平衡，一般在相隔180°的位置上各设置一个“弹簧/销”组件。
即使在低速下也必须考虑销子和弹簧离心力的影响，不合适的设计可以引起差速
超越期间保持架卸载，从而可能导致离合器冲击接合。销子一般制成空心，可以
减少销的重量并使重心移动，从而减小摩擦的影响。

3.2.7保持架设计
保持架的作用是把滚子安放在适当的位置，以便全部滚子与凸轮轴和外套圈
接触，借助于“弹簧/销”机构施加给保持架的微小扭矩，最大限度迫使其中一个
滚子与凸轮轴和外套圈接触，由于公差的缘故，并非所有的滚柱同时都接触上。
在载荷作用下，零件的变形将迫使全部滚子进入完全接触，超越一段时间后，滚
子、保持架和凸轮平面都会磨损使所有滚子在同一时刻精确接触。
滚柱离合器一般采用偶数滚柱，以便保持架上的滚柱槽可以采用拉削或其他
方法加工。保持架所受到的主要机械损伤时在滚柱槽侧面的磨损、支撑衬套表面
的磨损以及销子碰撞保持架止动挡的磨损。保持架一定要由凸轮轴来支撑，通常
在保持架和凸轮轴之间采用一个中间元件。

保持架的一端具有凸耳，且该凸耳设计有能在工作期间与销子垂直的平面，
这个平面作为销子和弹簧组件的终止挡。用作限位挡的单独凸耳位于销子法向载
荷方向的对应方向，这种限位挡在正常情况下不起作用，而仅仅在装配开始期间
起作用。当转动保持架，使保持架上的限位挡靠着凸轮上的止动挡时，滚柱对准
凸轮上的凹槽中心。

4、结论
本文针对滚柱式超越离合器的工作特点进行研究，总结了超越离合器的工作
原理及性能影响因素，建立了较完整的离合器设计计算方法。

近年来，随着航空技术的发展，超越离合器的设计更加要求转速高、外形小、
重量轻、制造成本低。根据本文中的设计方法可以设计出更多、形式更为灵活的
结构，以适用于不同设计需求。