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文 |泰西太腻

编辑 |泰西太腻

前言

斜撑式超越离合器是直升机传动系统的关键部件，具有承载能力强，结构紧凑，制造工艺性好等优点，对直升机传动性能有重要影响。

在高速、重载工况下，超越离合器需要满足更高的承载能力，快速楔合脱楔能力以及既定的使用寿命。

而某型高速斜撑式超越离合器使用过程中存在楔合失败、楔合响应慢等问题，我们为进一步优化该离合器，对其合性能影响因素进行分析。

高速斜撑超越离合器工作原理

高速斜撑超越离合器结构包括内环、斜撑块、环形弹簧、保持架、外环，如图1所示，Ri，Re分别为内、外环半径。

当外环（主动件）相对内环逆时针旋转时，因弹簧的张紧力以及斜撑块和滚道的摩擦力，斜撑块绕其中心逆时针转动，此时斜撑块楔紧于内、外环之间，外环的运动和载荷传到内环，离合器进入楔合工作状态。

当外环相对内环顺时针旋转时，因弹簧的张紧力以及斜撑块和滚道的摩擦力，斜撑块围绕其中心顺时针转动，导致外环的运动和载荷不能传到内环，离合器进入超越工作状态。

我们以某高速斜撑超越离合器为研究对象，其主要结构参数为：外径30mm，内径17mm，安装宽度15.5mm，斜撑块15个，斜撑块材料为W18，保持架及内、外环材料为Cr3Ni，材料参数见表1。

建模时作如下假设：1）装配间隙为0，制造误差忽略不计；2)转动约束为理想约束；3)各零件均视为钢体；4）不考虑斜撑块和滚道变形对动力学性能的影响。

高速斜撑超越离合器仿真模型参数设置取决于外环负载的转动惯量、离合器旋转阻尼、离合器旋转刚度等，考虑内、外环初始速度、加速度以及外环负载力矩等初始条件，基于ADAMS/View仿真软件建立离合器差速仿真模型，约束和载荷条件如下：

创建内环、外环、保持架相对于固定坐标系的旋转副。

离合器旋转阻尼一部分由内、外环和斜撑块的摩擦及碰撞产生，与接触机理和润滑状态有关，仿真时应设置碰撞阻尼。

离合器旋转刚度由内、外环和斜撑块的碰撞产生，与内、外环和斜撑块的刚度有关，仿真时应设置碰撞刚度。斜撑式超越离合器为含间隙的多刚体动力学模型，碰撞过程需考虑间隙的影响，故以赫兹接触理论为基础计算碰撞参数。

ADAMS在处理碰撞问题时主要有恢复系数法和等效弹簧阻尼法，对应的算法为补偿法和冲击函数法，我们在实验中采用冲击函数法分析碰撞参数，需选择合适的接触刚度K、切入深度d、力指数e和阻尼D。

两接触体的接触刚度为：

公式1

式中：R为两接触体在接触点的相对曲率半径；R1，R2为两接触体在接触点的曲率半径；E*为综合弹性模量；1，2为两接触体材料的泊松比；E1，E2为两接触体材料的弹性模量，斜撑块与内、外环的碰撞参数见表2。

将离合器工作时的负载等效为负载转矩，施加在离合器外环上，并且弹簧作用简化为力矩形式，经计算弹簧力矩T和内环转速ni的关系为：

公式2

内环施加匀加速驱动，外环施加匀减速驱动，基于ADAMS建立的高速斜撑超越离合器动力学模型如图2所示。

高速斜撑超越离合器转速初始条件为缩短仿真时间，简化差速楔合过程，将内、外环同速前0.1s时刻的内、外环转速设为初始转速，仿真过程包含差速和楔合阶段，内、外环初始转速及转速曲线如图3所示：

内环初始转速为12541.33r/min，做加速运动；外环初始转速为13158.14r/min，做减速运动；理想状态下内、外环楔合转速n为12600r/min。

高速斜撑超越离合器楔合性能影响因素分析

在理想状态下，离合器按图3转速过程楔合，但楔合过程会受惯性及离合器零件间的碰撞影响，存在延迟。

在此通过动力学模型分析摩擦因数、弹簧等效力矩、负载等效质量、阻尼、接触刚度等对离合器楔合转速的影响。

楔合过程中内、外环存在转速差，最大转速差max是衡量楔合性能的指标，定义内、外环转速差为：

公式3

式中：ne为外环转速，结合材料有/无润滑下的摩擦状况，设置4组摩擦因数组合：1)fs=0.10，f=0.08；2)fs=0.20，f=0.16；3)fs=0.30，f=0.24，4)fs=0.40，f=0.32，不同摩擦因数组合下内、外环的转速曲线如图4所示。

根据图4可得不同摩擦因数组合下的楔合转速及内、外环最大转速差，见表3，由图4和表3可知：随摩擦因数增大，契合转速及内外环最大转速差max几乎不变，说明摩擦因数对离合器楔合性能影响较小。

将弹簧作用等效为力矩加载到斜撑块上，分别设置1倍、2倍、3倍、4倍的弹簧力矩，不同弹簧力矩下的内、外环转速曲线如图5所示。

图 5 不同弹簧力矩下的内、外环转速曲线

根据图5可得不同弹簧力矩下的楔合转速及内、外环最大转速差，见表4。

由图5和表4可知：随弹簧力矩增大，楔合转速减小，楔合时间提前，内、外环最大转速差max增大。

这是由于弹簧力矩增大，在超越阶段斜撑块与外环的接触力增大，导致摩擦力增大，外环转速减小，但楔合转速及内、外环最大转速差变化较小，说明弹簧力矩对离合器楔合性能影响较小。

负载等效质量

离合器输出端外环负载与外环和驱动负载的机械结构有关，直接影响楔合冲击力及楔合时间，可将外环负载等效为外环质量。

外环质量分别设置为11.13，22.26，44.52，89.04kg，内、外环转速曲线如图6所示。

根据图6可得不同外环质量下的楔合转速及内、外环最大转速差，见表5。

由图6和表5可知：随等效质量增大，楔合时间延迟，楔合转速及内、外环最大转速差 max增大，说明负载对离合器楔合性能影响较大。

而在不同阻尼下的内、外环转速曲线如图7所示，根据图7可得不同阻尼下的楔合转速及内、外环最大转速差，见表6。

由图7和表6可知：随阻尼增大，楔合时间提前，楔合转速增大，内、外环最大转速差减小，但楔合转速和内、外环最大转速差变化较小，说明阻尼对离合器的楔合性能影响较小。

并且由于接触刚度数量级较大，分别设置0.1倍、10倍、100倍的接触刚度，不同接触刚度下的内、外环转速曲线如图8所示。

0.1倍接触刚度下外环转速低于内环，内环不能带动外环，这主要是由于接触刚度小，斜撑块同内、外环的接触或楔合不能传递足够的力或力矩。

10倍、100倍接触刚度时外环转速波动较大，未能随内环稳定转动，这是由于接触刚度较大时系统稳定性较差，离合器无法稳定楔合，故在设计高速斜撑超越离合器时应合理选择接触刚度。

结论

基于ADAMS建立某型高速斜撑式超越离合器的动力学仿真模型，分析了斜撑块与内、外环的摩擦因数、弹簧等效力矩、负载等效质量、阻尼、接触刚度等对离合器楔合性能的影响。

负载等效质量、接触刚度对离合器楔合性能影响较大，摩擦因数、弹簧等效力矩、阻尼对离合器楔合性能影响较小，随负载等效质量增大，楔合时间延长，楔合转速增大。

接触刚度过小会导致离合器楔合失败，接触刚度过大会导致斜撑块受到较大冲击力，离合器无法达到稳定楔合状态。