武曉杰 王顯春

（沈陽機(jī)床股份有限公司，沈陽 110000）

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一種新型液壓摩擦片式離合器

武曉杰 王顯春

（沈陽機(jī)床股份有限公司，沈陽 110000）

摘 要：離合器是機(jī)械裝備中的重要部件。為適應(yīng)機(jī)械傳動(dòng)的需要，目前離合器的種類多種多樣。本文對(duì)當(dāng)今常見的離合器分類、工作原理進(jìn)行簡述，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型液壓摩擦片式離合器，并對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)離合器額定動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行理論計(jì)算，最后介紹其在數(shù)控臥式銑鏜床上的應(yīng)用，并展望其前景。

關(guān)鍵詞：離合器 數(shù)控機(jī)床 摩擦片

前言

在機(jī)械傳動(dòng)鏈中，離合器在動(dòng)力切換、過載保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。按其總體結(jié)構(gòu)分類，它主要可分為牙嵌式、齒輪式、摩擦錐式、離心式、超越式、摩擦片式等。按離合器動(dòng)作驅(qū)動(dòng)方式分類，它主要可分為機(jī)械式、電磁式、液壓式[1]。其中，機(jī)械式離合器與電磁式離合器應(yīng)用最為廣泛。

機(jī)械式離合器主要用于過載保護(hù)或手動(dòng)換向，大多在傳動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)或低轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行結(jié)合脫開，且響應(yīng)時(shí)間較長，在自動(dòng)化控制中應(yīng)用較少。電磁離合器則主要通過電流流經(jīng)電磁線圈產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)結(jié)合部位的松開、吸合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)鏈的通斷。其動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間短，結(jié)構(gòu)緊湊。但電磁式離合器由于受電磁線圈線徑、額定電流的局限，一般額定靜態(tài)、動(dòng)態(tài)傳遞力矩不太大。因此，它在某些結(jié)構(gòu)要求緊湊、力矩傳遞要求高的機(jī)械部件中很難應(yīng)用。液壓式離合器由于采用液壓控制，能夠傳遞較大的靜、動(dòng)態(tài)扭矩，在機(jī)械設(shè)計(jì)中可以作為電磁離合器的一種補(bǔ)充。

本文因臥式銑鏜床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計(jì)出一款液壓摩擦片式離合器，以替代原機(jī)床快速箱部件中的電磁摩擦片式離合器，以期在有限的機(jī)床快速箱內(nèi)部空間內(nèi)，大幅度提升傳動(dòng)扭矩，使改型機(jī)床的動(dòng)力輸出更為充足，切削能力進(jìn)一步提高。

1 新型液壓離合器機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，當(dāng)油缸體內(nèi)注入壓力油時(shí)，活塞6推動(dòng)推力球軸承7，經(jīng)擋圈8對(duì)內(nèi)外摩擦片組施加正向壓力，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，動(dòng)力經(jīng)花鍵套1輸入，由連接法蘭13輸出；當(dāng)油缸內(nèi)液壓油泄壓時(shí)，碟簧復(fù)位機(jī)構(gòu)9推動(dòng)擋圈8，使推力球軸承7、活塞6復(fù)位，內(nèi)外摩擦片間產(chǎn)生間隙、離合器處于脫開狀態(tài)。每次松開、結(jié)合的活塞行程控制在0.5mm左右。油缸缸體采用45#鋼材質(zhì)，缸體內(nèi)圓面精車，表面粗糙度Ra1.6以上。活塞采用40Cr材質(zhì)，淬火至HRC52以上，內(nèi)外圓精磨，外圓與缸體保持0.008～0.012mm的間隙，里孔與缸體保持0.05～0.08mm的間隙。內(nèi)摩擦片采用標(biāo)準(zhǔn)87/SZSC31-2型，共5件；外摩擦片采用標(biāo)準(zhǔn)100/ SZSC31-3型，共4件。

2 靜、動(dòng)態(tài)額定扭矩的理論計(jì)算

2.1 摩擦片組正壓力與離合器輸出扭矩的關(guān)系

液壓離合器摩擦片組部分參數(shù)可作如下假設(shè)：p，摩擦片結(jié)合面正壓力（Pa）；D1，摩擦片結(jié)合面底徑（mm）；D2，摩擦片結(jié)合面頂徑（mm）；Dp—摩擦片結(jié)合面中徑（mm）；S，摩擦片結(jié)合面面積（mm2）；Z，摩擦面對(duì)數(shù)；i1，主動(dòng)片片數(shù)；i2，從動(dòng)片片數(shù)；f，摩擦系數(shù)（鋼-鋼）。

于是，單摩擦面在結(jié)合面正向壓力 的條件下，可確定輸出的傳遞扭矩m，如式（1）。

圖1 液壓摩擦片式離合器

該離合器主動(dòng)片片數(shù)i1=5，從動(dòng)片片數(shù)i2=4，摩擦面對(duì)數(shù)Z=8，于是可求得摩擦片組正壓力p與離合器輸出扭矩M之間的關(guān)系如式（3）所示。

2.2 油缸輸入油壓P與磨擦片組正壓力p之間的關(guān)系

假設(shè)油缸部分參數(shù)如下：Sy，油缸截面積（mm2）；Dy1，活塞里孔直徑（mm）；Dy2，活塞外圓直徑（mm）。

于是，由活塞6的平衡條件得：

2.3 油缸輸入油壓P與離合器輸出扭矩M之間的關(guān)系

聯(lián)立式（3）、式（4），可得

2.4 液壓離合器靜態(tài)額定扭矩Ms與動(dòng)態(tài)額定扭矩Md的計(jì)算

該離合器采用濕式摩擦片，動(dòng)摩擦系數(shù)fd=0.08，靜摩擦系數(shù)fs=0.12。（參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》）

調(diào)整油缸液壓油壓力的上限值，取決于摩擦片間的許用比壓[p]，即摩擦片組正壓力p≤[p]。若p＞[p]，則摩擦片間的磨損會(huì)加劇，離合器壽命會(huì)降低。根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得摩擦片鋼—鋼條件下的許用比壓[p]=12kgf/cm2= 1.176MPa。

取p=[p]為條件，計(jì)算離合器靜態(tài)額定扭矩Ms與動(dòng)態(tài)額定扭矩Md。此時(shí)，由式（4）可得油缸油壓 。

表1 液壓離合器部分尺寸參數(shù)

當(dāng)式（5）中f=fd時(shí)，可求得離合器的動(dòng)態(tài)額定扭矩Md≈106Nm；當(dāng)f=fs時(shí)，可求得離合器的靜態(tài)額定扭矩Ms≈212Nm。

3 與DLM3型電磁離合器性能比較及其實(shí)際應(yīng)用

DLM3型摩擦片式電磁離合器由于具有易于自動(dòng)化控制、結(jié)構(gòu)可靠、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，在當(dāng)今機(jī)床行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，見圖2。例如，數(shù)控臥式銑鏜床主軸箱中鏜軸與平旋盤滑塊間的走刀換向，數(shù)控車床床頭箱主傳動(dòng)高低檔變速等。

圖2 DLM3系列摩擦片式電磁離合器

但是，電磁離合器受電磁力的局限，額定動(dòng)靜扭矩較液壓式離合器要低。本文所述液壓離合器外觀尺寸參考DLM3-5型電磁離合器設(shè)計(jì)，離合器外徑、內(nèi)孔花鍵尺寸均與之相同，只是軸向尺寸略有增加。兩者額定動(dòng)靜扭矩對(duì)比見表2。

表2 兩種離合器額定靜動(dòng)扭矩對(duì)比

由表2可知，液壓離合器額定動(dòng)靜扭矩能達(dá)到相近尺寸電磁離合器的2倍以上，扭矩傳遞性能更為優(yōu)越。

另外，通過調(diào)整離合器油缸中液壓油的輸入壓力，可以方便地調(diào)定最大傳遞扭矩，適用于機(jī)械設(shè)備中使用過載結(jié)合子的場(chǎng)合，這一特性也優(yōu)于電磁離合器。

將該型液壓摩擦片式離合器用于沈陽機(jī)床某型臥式銑鏜床結(jié)構(gòu)改進(jìn)中，獲得了良好效果。通過替換臥式銑鏜床快速箱中電磁摩擦片式離合器，并為之配置液壓管路，機(jī)床Z軸的承載能力及利用鏜軸進(jìn)行重切鉆孔的加工能力均獲得了大幅度提升。通過近一年的驗(yàn)證，證明該離合器有效、可靠，見圖3。

圖3 液壓摩擦片式離合器的實(shí)際應(yīng)用

4 結(jié)論及展望

本文介紹了一種新型液壓摩擦片式離合器，闡述了其機(jī)械結(jié)構(gòu)、理論計(jì)算、性能對(duì)比以及實(shí)際應(yīng)用。由于其具備結(jié)構(gòu)簡單、額定扭矩大、輸出扭矩可調(diào)、易于自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，相信會(huì)給機(jī)械從業(yè)者以借鑒，并在未來獲得一定程度上的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]何伯吹.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)2——零件設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

[2]烏爾里希?菲舍爾.簡明機(jī)械手冊(cè)[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

New Type Friction Clutch Controlled by Hydraulic Pressure

WU Xiaojie
（Shenyang Machine Tool Co., Ltd,Shenyang 110000）

Abstract:The clutches a re important part in mechanical equipment. For the needing of mechanical transmission, many types of clutch are applied. This article introduce the classification and working principle of common clutches and propose a new type of clutch controlled by hydraulic pressure. Introduce its mechanical structure and get the formula of how to calculate static and dynamic torque. Finally, introduce its appli cation on horizontal milling and boring machine and discuss its prospect.

Key words:Clutch,CNC machine,Friction plate