一种滚柱式超越离合器的改进设计

朱胜李萍井江

（湖北三江航天万山特种车辆有限公司 地面装备研究所，孝感 432000）

一种滚柱式超越离合器的改进设计

朱胜李萍井江

（湖北三江航天万山特种车辆有限公司 地面装备研究所，孝感 432000）

针对滚柱式超越离合器结构存在缺陷，导致传动轴运转过程中受到冲击导致十字轴断裂的故障，通过对超越离合器的结构进行详细的分析，找到了结构所存在的问题，通过对超越离合器进行改进设计，解决了超越离合器弹簧固定不可靠的问题。改进后的结构经过了试验验证，保证了超越离合器安全、可靠工作。

滚珠超越离合器设计

1问题提出

滚柱式超越离合器是一种随速度变化或回转方向的变换而能自动接合或脱开的离合器，利用滚柱对外环及星轮同时楔紧作用来传递单向运动和扭矩，在机械传动中广泛地用作速度转换装置、逆转装置和间歇运动装置。在某型专用车车载发电机组的二档变速箱中，使用了滚柱式超越离合器，由于该超越离合器的结构缺陷，导致发电过程中出现传动轴十字轴断裂故障。

某型专用车在用户使用过程中，发生了车载发电机组传动轴十字轴断裂故障。专用车行车时使用发电机组发电过程中，听到发电机组出现异响，立即停机、停车进行检查，经检查发现发电机组传动轴十字轴出现断裂导致出现异响，发电机组停止工作。传动轴断裂的状态如图1所示。

图1断裂的传动轴

发电机组的原理是发电机组从底盘变扭器动力输出口取力，通过传动轴一将动力传递到分动箱，由分动箱通过传动轴二将动力传递给两档变速箱，两档变速箱带动发电机组，为专用车部件供电。传动轴二为故障传动轴。

超越离合器安装于两档变速箱内，发动机转速较低时，通过传感器输出信号给控制器，控制器给电磁离合器通电，电磁离合器处于吸合状态，底盘的动力通过一组齿轮传递给发电机，该组齿轮的传动比较高，超越离合器内快外慢，出现超越打滑。随着发动机转速提高，高于设置的转速时，通过传感器输出信号给控制器，控制器给电磁离合器断电，电磁离合器断电松脱，扭矩因电磁离合器松脱而停止传递，此时超越离合器的滚柱在摩擦力和弹簧推力的共同作用下，进入了楔合状态。底盘的动力通过另一组齿轮传递给发电机，该组齿轮的传动比较低。通过两档箱的不同传动比的两个档位的切换，来适应底盘行驶过程中发动机转速的变化，使得发电机的转速保持在一定的范围内，可以正常工作。

通过对故障的分析，将故障原因定位在二档变速箱上，将故障车上的两档变速箱进行了开盖检查，看到的现象为超越离合器的三根弹簧原本应该顶在环形槽内侧面的一端已翘起，伸出到了弧形卡槽外，伸出长度有5mm左右如图2所示。

图2超越离合器故障点

弹簧已处于自由状态，不起作用。顺时针及逆时针盘动输入轴，超越离合器均处于超越打滑状态。超越离合器弹簧失效后，超越离合器滚柱处于失控状态，很容易导致超越离合器脱开，出现左右打滑现象。打滑运转过程中，由于振动会造成滚柱突然进入楔合状态，在转速差很大的情况下，突然启动转动，传动系统将受到转动惯性的影响（发电机的飞轮转动惯量很大），会产生很大的冲击，冲击通过齿轮啮合和法兰连接传递到传动轴上，在传动轴最薄弱的部位造成断裂。

2原结构现状及故障原因分析

超越离合器的具体结构如图3～5所示。

图3超越离合器结构

图4超越离合器三维

图5超越离合器实物

16个滚柱处于芯体、保持架和Z6齿轮内圆组成的一个楔形空间内，这个楔形空间一边是宽松的弧形空间，一边是狭小的楔形空间。图示状态，如果外圈逆时针转动速度小于内圈的逆时针转动速度，则摩擦力将滚柱推向宽松的弧形空间，超越离合器出现超越打滑功能。反之则将滚柱推向楔形的狭小空间，超越离合器出现啮合功能。同时也可以看出，弹簧的作用是通过推动保持架，将滚柱推向狭小的楔形空间。打滑时，外圈与滚柱的摩擦力克服弹簧的推力，驱动滚柱向宽松空间移动或者有移动趋势。啮合时，外圈与滚柱的摩擦力在弹簧的推力的帮助下，一起驱动滚柱向狭小的楔形空间移动，由于没有空间移动，因此在滚柱、芯体和外圈之间产生了很大的挤压力，进而产生了更大的摩擦力来带动内圈与外圈一起转动。但是，如果弹簧翘曲导致压缩力不够或者没有，则不能起到推动作用，滚柱始终处于宽松空间，将无法建立摩擦体系，则不能实现超越离合器的楔合功能，本应楔合的工况无法楔合，出现的是打滑情景。

图6超越离合器装配图

通过装配图6可以看到，超越离合器座的前后均有限位，后端为垫板及轴承定位，前端通过轴套定位。外圈向后的运动靠与超越离合器座接触的端面限制，而向前的运动只有靠与超越离合器座固定在一起的弹簧压盖翻边限制。弹簧压盖为钣金件，三处翻边的折弯角度自由公差较大，而且在装配过程中，由于需要加工装配弹簧的槽，并且由于零件有加工误差，有时需要对翻边的角度进行调整。因此，弹簧压盖的翻边对于外圈的限位是不可靠的，其间隙数值精度不高，受零件的加工及装配过程的影响较大。从本次故障件看，间隙数值达到了2.6～3.3mm。而弹簧的直径只有5mm，两档变速箱运行过程中，外圈产生向前的轴向位移，位移的值已接近弹簧的直径，在外圈侧面摩擦力的作用下，将弹簧的自由端向外带动一定的距离，使弹簧外翘，然后在随机的条件下，外圈又向后回位，如果回位的过程较快，弹簧不一定能完全回位。外圈前后运动多次后，使弹簧外翘不断加剧，并最终翘出卡槽内部。

对出现故障的小超越离合器的状态进行了详细的分析，分析过程中，可以观察到外圈的轴向位移过大的现象。人为操作使超越离合器外圈处于轴向的前后极限位置，对其轴向位移进行测量，测量结果为外圈相对超越离合器座的轴向位移在2.6～3.3mm范围内，如图7～8所示。

图7超越离合器外圈I

图8超越离合器外圈II

拆解后发现，与超越离合器座连接在一起的弹簧压盖的翻边侧端面上有碰撞的痕迹，外圈的相应位置处也有碰撞的痕迹。图9、图10可以看出碰撞的痕迹是由于外圈相对超越离合器座有较大的轴向移动造成的。

图9弹簧压盖

图10弹簧压盖局部

超越离合器座的凸起处，有长度3～4mm的光亮摩擦痕迹，如图11所示；外圈对应位置处，也存在宽度为4mm左右，长度3～4mm的光亮摩擦痕迹，宽度与超越离合器座的凸起处宽度4.2mm较吻合，如图12所示。可以看出，此处摩擦痕迹也是由于超越离合器座与外圈之间有较大的相对轴向位移造成的，摩擦痕迹的长度与测量的轴向位移尺寸相吻合。

通过上述分析，故障定位如下：小超越离合器外圈的轴向定位不可靠，装配完成后外圈相对超越离合器座轴向间隙过大，造成在超越离合器工作过程中，弹簧会脱出卡槽，不能有效控制滚柱的工作位置和工作状态，小超越离合器会出现打滑现象。打滑过程中如果遇到振动，滚柱又会突然进入啮合状态，对传动系统造成冲击，使传动轴所受扭矩突然增大，进而造成传动轴断裂。

图11超越离合器外圈摩擦处

图12超越离合器座

3结构改进

为解决内外圈轴向定位不可靠及弹簧脱出问题，对弹簧压盖的结构进行了改进，由冲压件改成了机加件，在安装板的周圈加工有三处凸台，机械加工的凸台的下端面安装后，对外圈进行轴向定位，控制外圈与超越离合器座之间有0.5mm的间隙。凸台上加工了3×3小立柱，固定弹簧的一端。具体如图13所示。

对弹簧压盖进行改进后，为进一步提高可靠性，防止弹簧脱出，在最上端又增加了一个盖板，挡在弹簧的外侧。该盖板与弹簧压盖共标准件安装。具体件（图14）。改进后实物（图15）。

图13凸台

图14盖板

图15改进后实物局部

4试验考核

按照要求，改进状态超越离合器2件，装入2件两档变速箱中。两档变速箱进行台架试验，试验结果正常，未出现传动轴损坏情况。

另将改进状态后的超越离合器经过台架试验考核后，两档变速箱装配至专用车，对发电机组进行行驶试验验证，行驶里程为200Km，试验路段为高速环道。试验过程中对传动轴运转过程中的扭矩进行测试，测试过程中未观测到扭矩冲击，最大扭矩不大于250Nm，远远低于传动轴所能承受的扭矩。试验结果正常。

5　结束语

针对专用车发电机组传动轴十字轴断裂故障，从影响传动轴运转的各个部件的故障可能性进行了分析，通过文件、实物复查以及设计计算、故障排查试验，找出了故障产生的原因，定位在超越离合器的结构存在问题，对超越离合器进行了改进设计，改进了弹簧压盖，增加了弹簧盖板，进一步提高可靠性。改进后的结构经过了试验验证，解决了弹簧固定不可靠的问题，保证了发电机组安全、可靠工作，在后续专用车使用过程中未再出现问题。

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An Improved Design of Overrunning Roller Clutch

ZHU Sheng，LI Ping，JING Jiang
（HubeiSanjiangSpaceWanshanSpecialvehicleCO.，LTD. Institue of Ground Equipment，Hubei Xiaogan，432000）

Based on the flaw of roller overrunning clutch，which resulted in the broken of the universal joint，we analyzed the structure problem.To improve the design of the overrunning clutch，we solve the unreliablefixintheoverrunningclutchandverifiedthedesign improvement and ensured the clutch in safe and reliable operation.

roller；overrunning clutch；design