摩擦耦合器设计正文资料

1、山东科技大学学士学位论文 摘要 本设计的题目反馈控制轴向摩擦偶合器， 是一个全新的课题， 在国内 外算得上是一种比较先进的产品，本设计是在无反馈轴向摩擦偶合器的基础 上，为了获得更好的软启动效果而设计的一种新产品。 同时，它具有与传统的 硬启动相同的承载能力。因此本方案具有很好的发展前景。 本文的主要任务是整体结构的合理设计， 包括摩擦元件的设计计算， 各个 传动部件的设计等。另外选择摩擦性能较好的摩擦材料对本次设计来说显得尤 为重要，是关系到成败的关键因素。 还要对各个传动和链接元件进行强度校核。 从而使得该方案具有较好的可行性和实用性。 为了便于实现反馈控制，本方案采用主动级相对于反馈级对

2、称布置的结 构，主动级在两侧，中间是反馈级。在启动时采用离心式压紧，在径向均匀布 置的带有锥面的离心块 （与锥面摩擦盘配合） 在主、从动机达到一定转速时将 主动级和反馈级离心块甩出， 产生径向位移的离心块同时在锥面间产生轴向位 移，这样就将主动级机摩擦片和从动机摩擦片挤紧，主、从动机结合并传动。 离心块采用圆柱螺旋压缩弹簧复位。 个摩擦片和摩擦盘上带有花键槽。 从动轴 为花键轴， 固定反馈级离心块的锥面圆盘可以在花键轴上滑动， 使得其两侧的 摩擦片分担相等的负载，杜绝了两边承载不均匀的现象。 关键词： 摩擦偶合器；离心块；摩擦片；锥面摩擦盘；复位弹簧 山东科技大学学士学位论文 Abstract

3、 This design topic, feedback control axial frictional couplers, is a brand-new topic at home and abroad, is one of the more advanced product, the design is in no feedback axial frictional couplers, on the basis of the soft start to get better effect and design of a kind of new products. At the same

4、time, it is the same with the tradition of hard start bearing capacity. Therefore, this scheme has the very good prospects for development. This is the main task of the whole structure reasonable design, including friction components design calculation of various components of transmission, etc. Ano

5、ther choice friction properties of the friction material with good design, it is particularly important to the success of the relationship is the key factor. For each drive and links to check intensity components. So that this scheme has good feasibility and practicality. In order to facilitate this

6、 scheme, realize the feedback control using active level relative level structure of feedback symmetrically arranged on both sides, active levels, feedback. CHKNTFS using centrifugal tightly in radial layout, the surface with centrifugal block (and cone friction disc in the Lord, with) from the moti

7、vation to certain speed will actively and feedback level and produce centrifugal blocks of radial displacement between cone simultaneously in centrifugal block axial displacement, this machine will be active and friction level from the motivation, friction slices crowded, motivation and transmission

8、 from. The centrifugal cylindrical helical compression spring return. A friction slices and friction plate with flowers keyways. The driven shaft for spline, fixed feedback level of centrifugal disk blocks in the surface, make the spline sliding friction slices II 山东科技大学学士学位论文 on both sides share eq

9、ual load bearing, eliminate the uneven phenomenon on both sides. Keywords：Friction couplers；Centrifugal； Friction slices； Surface friction disc； Reposition spring III 山东科技大学学士学位论文 目录 摘要 I. . AbstractI.I. . 1 绪论 1 1.1 国内外轴向摩擦偶合器的研究现状 1 1.2 国内外反馈控制轴向摩擦偶合器的发展趋势 5 1.2.1 反馈控制轴向摩擦偶合器的优点 5 1.2.2 反馈控制轴向摩擦偶合

10、器的发展趋势 6 1.3 本课题研究目的及意义 6 2 反馈控制轴向摩擦偶合器的总体方案设计 8 2.1 反馈控制轴向摩擦偶合器的传动原理方案的分析设计 8 2.2 反馈控制轴向摩擦偶合器的设计计算 9 2.2.1 电机的确定 10 2.2.2 初选摩擦半径 1.1. 2.2.3 摩擦材料及摩擦片的选择 1.1 2.2.4 起动过程中各传动件的受力分析 12 2.2.5 复位弹簧的设计计算 15 2.2.6 离心块的设计计算 20 3 各传动件的强度校核 26 3.1 输出花键轴的参数计算及强度校核 26 3.2 摩擦片的强度验算 27 3.3 轴承的寿命校核 31 IV 山东科技大学学士学位

11、论文 3.4 端盖处的连接螺栓的设计计算 32 3.5 装配尺寸链的求解 35 4 摩擦偶合器带载起动过程的动力学分析 39 4.1 摩擦偶合器带载起动力学模型的建立 39 4.2 摩擦偶合器带载起动过程分析 42 4.3 摩擦偶合器软起动精确动力微分方程的建立 44 4.4 技术经济性分析 46 总结 48 参考文献 50 致谢 51 附录 1 52 附录 2 58 山东科技大学学士学位论文 1 绪论 机械原动机 （电动机或内燃机等） 和工作机之间都需要连接装置， 如联轴 器等，这一装置一般是将原动机和工作机刚性连接在一起的， 这样就能够实现 原动机和工作机一起转动，其作用是连接和传动。 但

12、是，随着现代机械制造技术的发展， 各种工作机构的零部件的制造精度 越来越高， 这就使得其对载荷不稳定比较敏感， 甚至载荷的轻微波动都会使得 机械的整体工作性能受到较大的影响， 这就对主动机的运转稳定性要求也越来 越高。但是，当原动机在启动时，这两个要求是相互矛盾的，甚至是对立的。 这是因为在刚刚启动时， 由于原动机要逐渐加速， 慢慢达到其工作机要求的额 定转速，而启动时间往往都比较短，瞬时加速度是很大的。而工作机（负载） 的反应又比较慢。 就会对工作机产生较大的冲击， 难免会对其造成一定程度的 损害，降低了工作机的寿命， 进而降低了企业的上产利润， 这对企业生产是不 利的。机械软启动装置渐渐在

13、各行各业得到比较广泛的应用， 因此近几年来机 械的软启动性能也越来越受到人们的广泛关注。 1.1 国内外轴向摩擦偶合器的研究现状 1、国内外轴向摩擦偶合器的研究现状概述 近年来， 随着机械类偶合器行业的发展， 各种偶合方式的频频出现， 摩擦 作为一种传动方式也利用到了偶合器的发展行业，慢慢出现了径向摩擦偶合 器，轴向摩擦偶合器， 这两种摩擦偶合器相比较而言， 前者相对来说是发展较 快的一种偶合器。轴向摩擦偶合器的发展称得上是刚刚起步。 目前国内真正生产反馈控制轴向摩擦偶合器的厂家是几乎没有的。 只有很 少的厂家生产无反馈式的轴向摩擦偶合器， 如，上海祥树欧茂机电设备有限公 山东科技大学学士学位

14、论文 司生产的摩擦偶合器， 该厂家是生产离合器的，但现在为了扩大市场，也开 始生产摩擦偶合器的产品。 同时与其实力相当的还有深圳市友盛精密机械有限 公司， 该公司也生产偶合器，以及苏州安固科技等。但是在国内对于反馈控 制轴向摩擦偶合器的生产厂家还没有，几乎是不存在的。不过很多有志之士， 机械工业协会等研究所的很多研究人员都在致力于这种产品的研究， 同时进行 相应的试验。 都在争取进行深入的研究。 就目前来说，有多处研究所都在研究 这种偶合器产品。 但是由于目前国内的材料技术、 机械制造技术等各种技术还不够成熟， 与 发达国家相比还有相当大的差距。 目前我国的很多机械都是靠进口， 这其中的 一个

15、关键问题就是我们国家的制造工艺还相当落后， 尤其对材料的处理工艺还 不够成熟。这就造成了我们国家的机械产品绝大部分要靠进口， 包括电控行业 也是如此。 而国外的技术尤其是美、 日、德，俄罗斯等发达国家的制造水平在世界上 一直是处于先进行列。 轴向摩擦偶合器的制造厂家是相当多的， 其技术也是很 成熟的，但是真正制造反馈控制摩擦偶合器的生产厂家还是很少的。 他们也是 生产无反馈的摩擦偶合器，如日本的安森 -三木产品专卖，美国 NEXEN 公司， 中美合资四机赛瓦公司全球供应工业 ATD 等。 这就是说我们和外国的起步是相同的， 所以说如果我们国家如果率先研制 出了这种产品， 这必将会增强我国的世界

16、影响力， 我国的综合国力也会有很大 的提高。这或许会给我们国家带来很大的经济利益。 可以说这种利益是很大的。 虽然目前国内的轴向摩擦偶合器与国外的相比还是存在很大的差距的。 我们坚 信，只要我们经过努力就一定能够实现这一超越， 外国人能够做到的我们国人 也一定能够做到。相信我们能够在摩擦偶合器行业一定能够处于世界先进行 列。 2、摩擦材料的研究发展现状与前景 山东科技大学学士学位论文 20 世纪 70 年代中期以前，摩擦材料多采用石棉摩擦材料。 70 年代以后， 摩擦材料从传统的石棉型材料过渡到半金属型、少金属型、无金属型。 摩擦材料成分： 无石棉摩擦材料按使用条件可分为干式和湿式两种。 干式

17、 摩擦材料主要采用无石棉有机摩擦材料和烧结摩擦材料， 湿式摩擦材料主要 采用纸基摩擦材料、 石墨基摩擦材料和烧结摩擦材料。 金属基体可分为铁基和 铜基两种 , 实际上, 铁基材料中又含有铜或铜合金。 铁基材料一般用于干式条 件和重载条件下 , 而铜基材料则多用于湿式条件 , 承受较低或中等载荷。 发展趋势和前景展望： 目前 , 国外摩擦材料的研究、 应用工作仍是从材料 成分、制取方法、 工艺路线和结构设计等方面出发进行全面改革 , 各国采用的 方法虽然多种多样 , 但其目的仍是为了全面提高新型无石棉摩擦材料的性能 , 以满足汽车工业高速度发展的需求和社会对环境保护的要求。 就我国摩擦材料行业而

18、言 , 尽管已从过去依靠进口发展到引进国外先进 技术和自行设计、 研制、生产无石棉摩擦材料 , 过去主要使用石棉摩擦材料的 状况也大为改观 , 但目前与国外相比仍存在较大的差距。 目前 , 国内外已开发研制了多种无石棉汽车摩擦材料以及许多先进的制 造技术和设备 , 但摩擦材料的综合性能仍有待进一步全面提高。 为了适应我国 机械工业发展的要求和环保要求 , 我国的摩擦材料行业应加快改革 , 改善管 理, 改进工艺, 调整产品结构 , 提高产品质量 ,大力开发新型无石棉摩擦材料 积极参与国际竞争。 3、我国摩擦偶合器的发展现状 为了降低成本， 轴向摩擦偶合器所使用的摩擦片往往是标准的摩擦片， 因

19、为这样可以大大缩短产品的研发周期并降低产品的制造成本。 摩擦片大多根据 使用场合的不同而被设计成各种不同式样，但由于工作条件恶劣，磨损严重， 因此需要量大。 目前，有许多小型企业瞄准了这个市场， 但由于设备条件的限 山东科技大学学士学位论文 制，在生产工艺中须采取一些措施才能快速、 经济地制造出来。 目前国内的摩 擦片主要有以下几种：总体可分为金属型、非金属性和半金属性三种。 金属型又可以分为以下四种：淬火钢摩擦片；如 10、15 号等低碳钢渗 碳淬火后硬度达到 5662HRC和 45、65Mn等中碳钢淬火回火硬度达到 35 45HRC。其性能和特点是：具有良好的耐磨性、导热性和表面贴合性、强

20、度高， 但高温时的耐磨性差， 并易擦伤对偶表面， 一般用于制造在润滑油中工作的湿 式摩擦片。与淬火钢、青铜等材料等配对工作，用于制造摩擦盘、超越离合器 的滚柱和楔块等。青铜摩擦片；如 ZCUSn5Pb5Zn等5 。其特点是：具有良好 的耐磨性、跑合性和耐腐性，并有较高的强度，可制成摩擦片或摩擦盘，在有 润滑或无润滑条件下与淬火钢或铸铁配对工作。铸铁摩擦片；如HT200、 HT250等，其特点是：具有较好的耐磨性，也有一定的强度和抗胶合能力，但 不耐冲击，适宜于中、低速和轻载工况下，制成较厚的摩擦片或摩擦盘，在干 式或湿式的条件下与淬火钢或青铜配对使用。 粉末冶金摩擦片； 包括铁基粉 末冶金和铜

21、基粉末冶金等， 其特点是： 具有相当高的摩擦系数 （铁基干式可达 0.25 0.5 ，铜基稍低，但稳定少变，接合平稳），并有良好的导热性和耐热 性（其许用工作温度可达 560），工作可靠。此外还具有相当高的强度和良 好的耐磨性，其许用强度高于其他的摩擦材料，可用作摩擦片衬片或摩擦块， 在湿式或干式条件下与钢或铸铁配对使用，用于重载或高速工况。 烧结金属摩擦材料是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组元， 用粉末冶金技术制成的复合材料， 是摩擦式离合器与制动器的关键组件。 它具 有足够的强度， 合适而稳定的摩擦系数， 工作平稳可靠，耐磨及污染少等优点， 是现代摩擦材料家族中应用面最大、量最大

22、的材料。 发展方向：现代科学技术和工业的迅速发展对摩擦材料提出了越来越高的 要求，为了适应这种需要， 机理研究和基础试验工作一直没有停顿过， 对新型 摩擦材料的研究也将是今后摩擦材料发展的重点， 主要是发展性能优异、 造价 山东科技大学学士学位论文 低廉的新型材料。 新型摩擦材料的研究； 一个值得注意的趋势是为了适应不同 的工况，已研制和发展了一些新型摩擦材料，如纸基、半金属、碳基等摩擦材 料。虽然这些材料不属于粉末冶金范畴， 但是它们同属于摩擦材料领域。 因为 这些材料的制造设备、制造工艺、测试方法、 设计依据、所用原材料等有相通 和类似之处，所以已有越来越多的粉末冶金摩擦制品企业突破了现有

23、的粉末冶 金行业界线，逐步地向摩擦制品，即按大产品分类的格局发展。 1.2 国内外反馈控制轴向摩擦偶合器的发展趋势 由于反馈控制轴向摩擦偶合器较无反馈式轴向摩擦偶合器具有更好的软 启动性能，因此将来反馈控制轴向摩擦偶合器结构逐渐向着实用化的方向发 展，从而必将呈现出新的发展趋势。 1.2.1 反馈控制轴向摩擦偶合器的优点 与无反馈式轴向摩擦偶合器相比， 反馈控制轴向摩擦偶合器具有以下诸多 优点： 1、该装置将启动过程分成两级，大大提高了软启动性能。具有更好的软 启动效果， 启动时对工作机具有更好的保护作用， 同时具有与硬启动时相同的 承载能力。 2、该装置具有缓冲和隔离扭振的性能： 使电机起动

24、有一个延迟时间， 缓慢加速，减少骤然起动而引起的零件间的相互冲击。 3、该装置具有使电机轻载起动性能：为了保证电机在刚起动时为空 载起动，偶合器一般采用圆柱螺旋压缩弹簧进行离心块的复位，从而使 电机在起动负载时有一个初始速度。尤其是偶合器一般设置反馈机构， 从而实现软起动，所以起动时间短，起动电流小，起动平稳。 4、具有过载保护性能：由于偶合器靠摩擦力矩进行传动，当负载超 山东科技大学学士学位论文 过所能传递的力矩后，就会造成摩擦件之间的剧烈打滑，从而保护电机、 工作机不受损坏，延长了机器的使用寿命。 5、具有节电的性能：与刚性传动相比具有起动电流小和对电网冲击 小的特点，这在起动大惯量负载时

25、更为显著。且具有使用寿命长，故障 率低，不需特殊维护保养的特点。 1.2.2 反馈控制轴向摩擦偶合器的发展趋势 随着现代机械制造技术的发展，而这种冲击载荷一般在启动时才会产生， 因此，这就需要整个工作机构在启动时能够实现柔和起动， 即本文中所说的软 启动。只有这样才能在主动机构和从动机构之间实现较好的匹配。 这对原动机 和工作机都具有较好的保护作用。 反馈控制轴向摩擦偶合器在国内外可以称得 上是一种全新的课题， 所以说这一课题的提出具有较高的研究价值和广阔的市 场发展前景， 在国内外都具有相当的影响力， 无论对机械行业还是对各行各业 都必将产生深远的影响， 对人类社会的进步也会产生一定的推动作

26、用。 为此本 论文提出了这一课题。 1.3 本课题研究目的及意义 本课题是在无反馈式轴向摩擦偶合器的基础上提出的。 随着各种传动技术 的发展，传统的软启动技术虽然基本上能够满足要求， 但各种工作机械都对原 动机的软启动性能提出了更加严格的要求。 因此，为了实现这一目的， 在传统 的无反馈式偶合器的基础上加以改进， 将整个起动加速过程分成两级， 分别通 过主动级和反馈级来实现其功能。 因此这一设计思想是具有独创性的对偶合器 的设计具有指导作用， 同时对偶合器行业的发展也具有一定的贡献。 所以说这 一课题是具有良好的发展前景的， 它必将推动我国各行各业的发展。 本次设计 合理布置主动级的结构（主动

27、级结构相对于从动级结构对称布置） ，连同反馈 山东科技大学学士学位论文 级的结构共同而组成的完整而合理的结构。 本文根据使用要求选择摩擦材料及 离心块的材料，选择合理的摩擦半径来使得结构紧凑进而具有了较为合理的外 形尺寸。 因此总的来说，这一课题的提出一方面是为了配合我国机械行业的发展而 提出的， 缩短我国机械行业同发达国家的差距， 带动我国民族行业的发展； 另 一方面也是为了使得企业获得更高的利润，为企业创造效益。 本文所设计的摩擦偶合器具有更好的软起动效果， 根据其特定的使用条件 以及功率等各方面的要求， 选择合适的摩擦材料和摩擦半径， 及离心块的材料， 经过反复试算确定符合功率传动条件的

28、离心块的质量。 并通过合理设计使各个 零件具有良好的结构及加工工艺性以降低制造成本。 为了保证具有良好的传动 能力，主动级离心块与端盖的配合面是平面。 机构中的连接件等功能元件尽量 选择的标准件， 这样也可以大大降低机加工成本， 同时，根据机械设计的质量 小的要求又使得各零件的结构尺寸尽量小， 这样也缩小了整体外形尺寸使其更 加紧凑。摩擦面的接触面积较大，贴合较严密，传动更加可靠。离心块与机体 的配合面为圆柱形配合面，这样就具有了良好的工艺性和较好的运动性能。 特别是近几年来， 随着机械等各行业的较快发展， 各个领域都对柔和启动 提出了较高的要求，对各种柔和启动产品的研究也越来越受到人们的广泛

29、关 注。同时，这也关系到我们国家的工业综合实力的提高。我们坚信：它必将为 机械软启动行业做出其应有的贡献， 对机械软启动特别是偶合器行业的发展具 有一定的指导意义。同时也将在一定程度上推动我国机械行业的发展。 因此，为了实现这一愿望， 本文进行了对新型反馈控制轴向摩擦偶合器这 一课题的研究。以期对我国机械制造的发展做出一定的贡献。 山东科技大学学士学位论文 2反馈控制轴向摩擦偶合器的总体方案设计 2.1 反馈控制轴向摩擦偶合器的传动原理方案的分析设计 本方案所设计的反馈控制轴向摩擦偶合器是由主动机构和从动机构两部 分组成的，其外壳为主动机构，内部花键轴为从动机构。该装置在设计时，从 动机构相对

30、主动机构可实现极小范围的游动， 通过从动轴上的两个向心滚针和 保持架组件实现在低速启动时主、 从动机的相对转动， 同时为了保证能够准确 可靠的接合， 又要限制其轴向的相对游动。 因此，向心滚针和保持架组件要通 过其两端的轴承盖来限制主、从机构的相对位移。 该装置由主动机壳体、从动机花键轴、主动级离心块、反馈级离心块（本 设计采用轴向均匀布置的三个离心块） 、离合器摩擦片、与离心块的圆锥面相 配合的锥面摩擦盘、安装反馈级离心块的带有径向圆柱面槽的锥面圆盘以及复 位弹簧等组成。 其中主动机壳体由两端盖和带有内花键槽的圆筒组成。 该方案 的采用离心式接合楔紧以实现传动， 且采用主动级的离心结合机构关

31、于反馈级 对称布置的设计思想，这一设计思想实际上是为了能够获得更好的软启动效 果，这是本次设计的根本宗旨所在。 本装置的软启动原理为： 电机在低速时起动， 主动机和从动机处于断开状 态，这是主动级和反馈级离心块均不与摩擦盘接触， 电机相当于空载起动； 当 转速（该转速根据偶合器的设计要求同时为了获得较好的软启动效果， 一般在 750800rpm 范围内选取 ）达到一定范围时主动级离心块克服弹簧的弹力开始外 移，通过锥面推动锥面压盘将摩擦片压紧， 带动从动机转动， 从动机开始起动。 这时主动机在电机带动下继续加速， 当从动机转速达到某一转速时， 反馈级离 心块开始克服弹簧的弹力外移（反馈级离心块

32、装在从动机轴的径向槽中） ，这 样就推动摩擦盘将摩擦片压得更紧， 达到硬启动时的承载能力。 这是其实现软山东科技大学学士学位论文 启动的原理及过程。 2.2 反馈控制轴向摩擦偶合器的设计计算 1、从动轴 2、螺钉 3、轴承盖 4、滚针和保持架组件 5、右端盖 6、主动级离心块 10、 主动级壳体 11、带锥面摩擦盘 12、外摩擦片 13、反馈级离心块 14、复位弹簧 15、内 摩擦片 16、端盖螺钉 图 2.1 反馈控制轴向摩擦偶合器的组成示意图 设计一台反馈控制新型轴向摩擦偶合器， 要求所传递的功率为 75KW ，额 定转速为 1480rpm，并带有弹簧复位功能， 其综合过载系数为 K zh

33、=2.32.4（一 山东科技大学学士学位论文 般不超过电机的过载系数） ，主动级过载系数为 K z=1.2 1.4，反馈级过载系 数为 Kc=1.11.3，其原理示意图如图 2.1 所示。其特定使用条件为矿井下使 用，设计时要考虑电机的防爆问题。 2.2.1 电机的确定 根据偶合器传递的功率及使用条件为矿井下使用可以确定需要选用防爆 电动机，功率 P=75 KW ，额定转速 nn =1480rpm。查电机手册可确定其型号为 YB280M 4，其输出轴直径为 d=75mm。电机的主要参数为：转子的中心高 为 280mm，即转子中心距离底座的 280mm。 计算电机的额定转矩： P75 T N =

34、9550 =9550N.m =484 N.m式（2.1 ） n1480 其中： P电机的额定功率； n电机的额定转速。 那么主动级所需传递的转矩为： T1= Kz T N =1.3484 N.m=629.2 N.m式（2.2 ） 式中： K z 主动级的过载系数，一般取1.21.4，经过综合考虑在此取 K z=1.3。 反馈级所需传递的转矩为： T2= Kc T N =1.1484 N.m=532.4 N.m式（2.3 ） 式中： K c从动级在系数，一般取 1.11.3，在此取 K c=1.1。 则该偶合器所能传递的总转矩为： T ZH = K zh T N =2.4484 N.m=1161

35、.6 N.m 式（ 2.4 ） 10 山东科技大学学士学位论文 式中：K zh 传动机构的综合过载系数， 一般取 2.32.4，由于 Kzh= Kz+Kc =1.3+1.1=2.4。 2.2.2 初选摩擦半径 考虑到主动级和反馈级离心块的挤压力的作用中心在一条直线上可以使 得摩擦偶合器具有的更好的性能和使用寿命， 因为这样可以使得摩擦片只受到 正压力的作用而不受其他的弯曲附加载荷的影响， 同时要达到与硬启动相同的 承载能力。在此取主动离心块和反馈级离心块相同的摩擦半径。 根据经验， 由电机输出轴直径可确定偶合器的摩擦半径， 即根据经验公式 D（35）d，d 为电机输出轴直径，可以初步确定主动级

36、和反馈级的摩擦直 径 D1=D2 =D=220m。m 2.2.3 摩擦材料及摩擦片的选择 根据其使用条件和煤矿的有关规定， 由于摩擦盘一般是片状， 其厚度是相 当小的，一般的材料是不能满足本次设计所要求的强度的， 并且一般的摩擦材 料的挤压强度也是不够的， 为此经过多方面的考虑应选择综合力学性能好的摩 擦材料。对于主、从动机的摩擦片尽量选择标准的摩擦片， 且强度高的摩擦片。 因此主、从动机的摩擦片选择淬火钢在此选择 65Mn，其性能为：具有良 好的耐磨性、 导热性和表面贴合性、 强度高，且淬火后其硬度可达 3545HRC。 而主动级和反馈级离心块要选择密度稍微大一点的材料， 并且具有优良的 性

37、能。在此选择铜基粉末冶金，其性能为：具有相当高的摩擦系数，且摩擦系 数稳定少变，接合平稳，并有良好的导热性和耐热性（其许用工作温度可达 560），工作可靠。此外还具有相当高的强度和良好的耐磨性，其许用强度 高于其他的摩擦材料， 可用作摩擦片衬片或摩擦块。 因此，经过多方面的考虑 后选择以上两种摩擦材料。 11 山东科技大学学士学位论文 由手册可知：当铜基粉末冶金和淬火钢配对时，其摩擦系数为 f 1 =0.3， 其当量摩擦角为 =arctan f 1 =arctan0.3=16.699 。当淬火钢和淬火钢配对 时，其摩擦系数为 f 2 =0.2。由=16.699知，摩擦块的楔角应小于摩擦面的 当

38、量摩擦角，因此选择摩擦块和锥面摩擦盘的楔角为： =12。 内外摩擦片的参数确定，根据所选择的摩擦半径 r f =110mm，查手册选择 内外摩擦片的参数为： 内片为：外径 250mm，内径 150mm；外片为：外径 256mm， 内径 154mm。 2.2.4 起动过程中各传动件的受力分析 为了保证偶合器在刚启动时为空载起动， 本设计采用了圆柱螺旋弹簧进行 离心块的复位，从而使电机在启动负载时有一个初速度n z =750800rpm，在 此取 n z=750 rpm。而反馈级的起始工作转速 n c =650rpm。其受力分析主要是 下面的两个临界状态。 1、当主动级达到额定转速而反馈级离心块还

39、没有达到起始工作转速时，这时 只有主动级工作， 而反馈离心块还没有被甩出。 则主动级离心块的受力分析图 如下图 2.2 所示。 由于右边和从动机的锥面摩擦盘相接触， 并且楔角都相同， 所以右边的受 力和左边的相同。则由正弦定理得， Qz FZE = Fzf 式（2.5 ） sin( 2 ) sin(90 ) Fzf cos =FNz 式（2.6 ） 1 F zf cos( + )= F1 式（2.7 ） 3 并且由于本结构是对称式的，所以一侧所能传递的转矩等于全部转矩的一半， 12 山东科技大学学士学位论文 Qz Qz Fze FfFzf Fzf Ff Fze 图 2.2 主动级离心块的受力分

40、析 T1 =z F 1 f 2 2 r f+ Fzf cosf 1 r fz+F N2 式（2.8 ） 以上各式中： Qz 主动级离心块在额定转速下的所受到的离心力； zf 主动级离心块的工作锥面上受到的正压力和摩擦力的合 力； Nz 主动级离心块左端面上受到的正压力和摩擦力的合力； 式（2.9 ） 式（2.10） 1主动级单独工作时摩擦片上受到的正压力； ZE 额定转速下主动级复位弹簧的弹力。 由以上四式可以解得 F1=2318.3N, F zf =881N，和关系式 Qz- F ZE =654.9 N 以及离心力的计算公式 22 m1r1 n Qz = z 900 13 山东科技大学学士学

41、位论文 式中： m1 主动级离心块的质量； r 1 主动级离心块的质心半径； n电动机的额定转速， n=1480 rpm。 通过反复计算可以确定：取 m1=0.6 Kg, r 1 =95mm考（ 虑到避免使摩擦片受到多 余附加弯曲载荷而取了此值 ）, 则 Qz =1369.2 N ，FZE =714.3 N。 2、当主动级和反馈级的转速都达到了额定转速时 这时从动级离心块也开始工作，对从动级离心块的受力分析如下图 2.3 所示。 Qc Qc Fce Fcf2( +) Fcf 图 2.3 从动级离心块的受力分析 同理，由正弦定理可得： 式（2.11） Qc FCE =Fcf sin( ) sin

42、90 () 且 以及 Fcf cos( +)= F2 3 式（2.12） 14 山东科技大学学士学位论文 K ZHT N =z F 2 2 r f+ 2Fcf cosf1 r f z 式（2.13） 式中： Qc 反馈级离心块在额定转速下的所受到的离心力； F cf 反馈级离心块的工作锥面上受到的正压力和摩擦力的合力； F 2 主动级单独工作时摩擦片上受到的正压力； F CE 额定转速下反馈级复位弹簧的弹力。 由反馈级离心力的计算公式 m2r2 2n 2 Qc= 2 2式（ 2.14 ） c 900 式中： m2 反馈级离心块的质量； r 2 反馈级离心块的质心半径； n电动机的额定转速， n

43、=1480 rpm。 所以由以上三式可以解得： F2 =4210 N，Fcf =1599.9 N ，以及关系式 Qc- F=1536.6 N 式（2.15） c CE 通过反复计算可以确定： m2 =1.1 Kg ，r 2=95 mm。则 Qc =2510.1 N，F =973.5 CE N。 2.2.5 复位弹簧的设计计算 1、主动级复位弹簧的设计计算 已知主动级的起始工作转速为 n z =750 rpm ，则由离心力的计算公式 2 2 m1r1 n Qz= 1 1式（2.16） z 900 15 山东科技大学学士学位论文 式中： n=n z =750 rpm，m1=0.6 Kg, r 1=

44、95mm。 代入数据得主动级离心块在刚被甩出时所需弹簧的回复力：Q1 =351.6 N。 根据使用条件，查弹簧手册选择弹簧的材料为 50CrVA（类压缩弹簧），许用 切应力： =750Mpa，其弹性模量 E=200000 Mpa，切变模量 G=80000 Mpa， 其热处理工艺为：用油淬火并回火，具有较高的疲劳强度。 取其旋绕比 C1=D1 =5，其中： D1是弹簧的中经， d1是簧丝的直径。则弹 d1 （1）簧的曲度系数 K1= 4C1 1 +0.615式（ 2.17 ） 1 4C1 4 C1 代入数据得： K1=1.3105。 而弹簧的最大工作载荷可由前面的计算中知： FZE =714.3

45、 N，圆整为 FZE =720 N （2）估算簧丝的直径 d1 ，由式 d11.6 K1C1FZE式（ 2.18 ） 得：d1 3.998 mm，取标准值： d1=4 mm，所以 D1= C1 d 1=54 mm=20 mm。 （3）计算弹簧的有效圈数 n1，由式 4 n1=Gd13 f1式（2.19） 1 8D13F1 得： n 1 =4.8 ，取 n1=4.85 。 式中： f 1 弹簧的变形量，取 f 1=6 mm。 F 1弹簧的工作载荷，显然 F1= Q1=351.6 N，将F1圆整为 F1 =400 N。 16 山东科技大学学士学位论文 4）计算弹簧的刚度，由式 Ff11 4.8 P

46、1= 1 4.85 式（2.20） 400 4.8 =66 N/ mm。 极限载荷为： Nj = F1=400 N。则极限变形量为 取支撑处的圈数为 6）计算节距 p1 N j 400 Fj = j =400 mm=6.06 mm j Pi66 2，则总圈数 nz= n 1+2=4.85+2=6.85 式（2.21） 7）计算自由高度 H1 p1= d1+Fnj n1 =4+6.06 =5.25 mm 4.85 式（2.22） H1= n 1 p 1 +1.5d 1 =(4.85 5.25+1.5 4) mm =31.46 mm 式（2.23） 取标准值： H1=32 mm。 则节距 p1=H

47、1 1.5d1 =( n1 32 1.5 4 32 1.5 4 )mm=5.36 mm式( 2.24 ) 4.85 2、反馈级复位弹簧的设计计算 由前面的分析知， 反馈级的起始工作转速 nc =650rpm。则由离心力的计算 17 得：P1= 64.85 （5）计算弹簧的极限载荷和极限变形量 山东科技大学学士学位论文 公式 Qc= 22 m1r1 n 900 式（2.25） 式中： n=nc =650 rpm，m2 =1.1 Kg, r 2 =95mm。 代入数据得反馈级离心块在刚被甩出时所需弹簧的回复力：Q2 =484.2 N，圆 整后取 Q2 =500 N 选择与主动级材料相同的弹簧， 且

48、材料的个参数与主动级弹簧的相同， 即 弹簧的材料为 50CrVA（类压缩弹簧），许用切应力 =750Mpa，其弹性模 量 E=200000 Mpa，切变模量 G=80000 Mpa，并取其旋绕比 C 2 =5。 FCEC2K 2 可以估算 那么弹簧的曲度系数 K2 =1.3105。由前面的计算知，弹簧的最大载荷为： F =973.5 N，圆整为 F =980 N。则同样由式 d2 1.6 CE CE 弹簧的簧丝直径为： d 2 4.499 mm，取标准值 d 2 =4.5 mm。则中经 D2= d2 C2 =4.5 5 mm=22.5 mm。 1）计算弹簧的有效圈数 n2 ，由式 n 2 Gd

49、2 f2 3 8D2 Q2 式（2.26） 式中：f 2 反馈级弹簧的变形量：取 f 2=5 mm，代入数据得： n 2 =3.6 ，取 n2 =3.65 。 （2）计算弹簧的实际刚度 P2 ，由式 18 山东科技大学学士学位论文 Q2 3.6 P2= 2 3.65 式（2.27） 将数据代入并整理得： P2 =98.6 N/ mm （3）计算极限载荷和极限变形量 极限载荷： Nj = Q 2 =500 N。 极限变形量： F j =N j = 500 mm =5.1 mm。同样取支撑圈数为 2，则总圈数为： j Pi 98.6 n= n 2 +2=3.65+2=5.65 。 （4）计算节距

50、p2, 由式 Fj p2= d 2+ j 式（2.28） n2 得：p2 =5.9 mm。 （5）计算自由高度 H2 ，由式 H 2= n 2 p 2+1.5 d 2 =(3.65 5.9+1.5 4.5 ) mm=28.285 mm 式(2.29) 取标准值 H2 =30 mm。则节距 p2=H2 n1.5d2 = n2 ( 30 1.5 4.5 )mm=6.37 mm 式(2.30) 3.65 经过以上的计算可以总结得到弹簧的参数：主动级弹簧： d1=4 mm，D1 =20 mm，H1=32 mm，主动级的初始压缩量 S0 =5.3 mm，即刚刚装上时弹簧的压缩量。 当达到额定转速时需增加

51、的弹簧压缩量为： S1 =5.5 mm。反馈级弹簧： d2 =4.5 19 山东科技大学学士学位论文 mm，D2 =22.5 mm，H2 =30 mm，反馈级的初始压缩量 S0 =4.9 mm，当达到额定 转速时需增加的弹簧压缩量为： S1=4.9 mm。 2.2.6 离心块的设计计算 为了使偶合器的传动更加平稳， 同时为了使结构更加紧凑， 本设计主动级 采用三个离心块均匀布置在主动机的圆周上， 且反馈级也采用三个离心块均匀 布置在套装在从动机花键轴上的带有径向槽（其余离心块的配合面是圆柱面） 的锥面圆盘上。这种布置方式大大地减少了工作过程中离心块与机芯的相对震 动，提高了偶合器的使用寿命。

52、并且主动级离心块与端盖径向槽的配合面是平 面，这样可以保证离心块能够传递一部分扭矩。 1、主动级离心块参数的设计计算 为了使得主动级离心块能够传递转矩， 本设计选择主动级离心块的形状为 长方体，由于选出的原材料要去掉一部分质量， 所以其质量要比计算的离心块 的质量稍微大一些。 （1）主动级离心块的截面尺寸的计算 经过反复计算选的原料的尺寸为 45 4550（单位为毫米）。主动级离心 块的材料为铜基粉末冶金，查表得其密度为 =8500 Kg/ m 3。 那么材料的质量为 mz=V, 代入数据得： mz =0.86 Kg，那么需要去掉部分 的质量为 m= mz- m 1=（0.86-0.6 ）Kg

53、=0.26 Kg式（2.31） 中间挖出半径为 26 mm，深度为 35 mm的圆柱孔作为复位弹簧的座孔，经 过计算其质量为 my =0.158 Kg 。而与弹簧座孔同轴的螺栓孔的质量为 0.0096 Kg。 20 山东科技大学学士学位论文 那么右边用圆锥面截取的质量为： 由于用锥面截得的质量和用于垂直方向 夹角为 12的斜面所截得的体积非常接近，所以采用近似计算的方法求得截 去的楔块的质量为 mq =m- my -0.0096 Kg=(0.26-0.158-0.0096) Kg=0.0924 Kg 式(2.32) 而如果从底边的端点处开始截得话，所截去的质量为 V=8500( 0.0096

54、0.045/2 )0.045 Kg =0.083 Kg 式(2.33) 因此还需要再截去一部分质量， 其质量为(0.0924-0.083 ) Kg =0.0094 Kg 经过计算解得需要再在原来的斜面处以相同的倾角再往里切去 0.5 mm质量。 该离心块的截面图形如图 2.4 所示。 图 2.4 主动级离心块的截面尺寸图 (2) 寻找离心块的质心 由力学中计算质心的方法知， 可以用叠加的方法将一个复杂截面形状的物 体分成几个部分后， 分别计算其质心后叠加即可得到整体的质心。 在图中将其 分成三部分，并建立如图所示的坐标系。 长方体的中间去掉一圆柱体 其质心坐标为 X1=0,Y1=0,Z1=45

55、/2=22.5 mm，其体积为 77358.2 mm3。 21 山东科技大学学士学位论文 下边的外径为 26 mm的空心小圆柱 其质心坐标为 X2 =0，Y2 =0，Z2 =10/2=5 mm，其体积为 4178.3 mm3 去掉的斜体 其质心坐标为 X3=0， Z 3 =45/2=-22.5 mm ，其体积为 -10125 mm3 。 则由质心的叠加公式 式（2.34） Z1V1 Z2V2 Z3V3 Z= V1 V2 V3 代入数据得： Z=27.9 mm。 即质心位于在 Z轴方向上距原点 27.9 mm处 2、反馈级离心块参数的设计计算 为了获得较好的配合， 选择反馈级离心块的形状为圆柱体

56、， 从其上面切去 一部分从而得到锥面。圆柱体的原材料尺寸为：底面半径是67 mm，高 54 mm 的圆柱。由于两侧是对称的所以只计算单侧的体积即可， 计算单侧楔块的体积 （采用近似计算的方法） 54 VX = 0 33.52 2 11 x 21 2 arccos( 54) 33.5 33.52 (5114 x 21)2 ( x 21)dx 54 式（2.35） 经过计算得： VX =38796.6-27502.8=11293.8 mm 3 。那么楔块的质量 mx =V， 式（2.36） 得到 mx =0.096 Kg ，则两侧共需去掉的楔块的质量为 2mx =2 0.096 Kg =0.192

57、 Kg 而圆柱体的总质量为 mz=V=85000.0335 2 0.054 Kg=1.618 Kg 式（2.37） 22 山东科技大学学士学位论文 则需要从圆柱体上去掉的质量为 m= mz- m 2 =（1.618-1.1 ）Kg =0.518 Kg式（2.38） 那么中间需去掉的圆柱体的质量为 mq =m-2mx =（0.518-0.192） Kg=0.326 Kg式（2.39） 由于中间要安装弹簧，经过计算确定要在中间挖出半径为 15.5 mm，深度 为 45 mm圆柱孔作为复位弹簧的座孔，再在下面挖出半径为 9mm，深度为 9 mm 的圆柱孔作为螺栓孔。经过计算其质量正好为0.326 K

58、g ，所以经过处理后的 反馈级离心块的质量正好为 1.1 Kg 。该离心块的截面图形如图 2.5 所示，并 建立如图所示的坐标系。 图 2.5 反馈级离心块的截面尺寸 计算该离心块的质心， 根据该离心块的结构特点可以将该离心块分成以下 四部分： （1）大空心圆柱体， X1=0,Y 1 =0,Z 1 =54/2=27 mm（ 根据其对称性），其体积为 h 2 2 54 2 2 3 3 V1= h（D 2 d 2）= 54（672 312） mm3 =149627.8 mm3 44 式（2.40） （2）中间的空心小圆柱体，同理有， X2 =0，Y2 =0，Z2 =9/2 mm=4.5m m，体积

59、 23 山东科技大学学士学位论文 为 V2 =5775.0327 mm3 。 （3）两边的两个去除的楔形块，由于其对称性，很显然 X3=0，Y3=0，下面来 计算 Z 3 。由前面的计算结果知 V3=211293.8 mm3=22578.6 mm3，则由质心 的计算公式 Z3=2 2 zdv 式（2.41） 和边界条件： Z=-tan78 （y-32） ，即 Z=-4.7 y+150.5。代入数据可得：Z3=38.5 再由式 式（2.42） Z=Z1V1 Z2V2 Z3V3 Z= V1 V2 V3 代入数据得：质心坐标为 Z=37.16 mm，式中 Z3 、 V 3的值应取负值。即质心 位于在

60、 Z轴方向上距原点 37.16 mm处。 3、计算固定反馈级复位弹簧的螺栓的参数 由前面的计算知：螺栓所受到的最大拉力（弹簧所受载荷） F=973.5N，根 据其使用条件， 螺杆直径不能比弹簧内径小太多， 经过综合考虑选择 M12 1.5 规格的细牙螺栓（非全螺纹） ，性能等级为 6.8 级，材料为中碳钢，查表知： 其屈服强度极限为 s=480 Mpa，取安全系数为 S=2,则许用应力为： = s /S=240 Mpa。 KsF 校核螺栓的强度，有公式 式（2.43） 24 山东科技大学学士学位论文 式中： Ks 安全系数，在此取 Ks=1.2 ； F 螺栓所受的载荷； d 1 螺纹的小径，