摩擦耦合器设计正文

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1、摘要本设计的题目反馈控制轴向摩擦偶合器，是一种全新的课题，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本上，为了获得更好的软启动效果而设计的一种新产品。同步，它具有与老式的硬启动相似的承载能力。因此本方案具有较好的发展前景。本文的重要任务是整体构造的合理设计，涉及摩擦元件的设计计算，各个传动部件的设计等。此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，是关系到成败的核心因素。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，本方案采用积极级相对于反馈级对称布置的构造，积极级在两侧，中间是反馈级。在启动时采用离

2、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积极级和反馈级离心块甩出，产生径向位移的离心块同步在锥面间产生轴向位移，这样就将积极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。核心词：摩擦偶合器；离心块；摩擦片；锥面摩擦盘；复位弹簧Abstract This design topic, feedback control axial frictional coup

3、lers, 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 time, it is the same with the tradition of hard start bear

4、ing 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. Another choice friction properties of the friction material wi

5、th 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 scheme, realize the feedback control using active level rel

6、ative 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 motivation to certain speed will actively and feedback level and

7、 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 from. The centrifugal cylindrical helical compression sprin

8、g 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 on both sides share equal load bearing, eliminate the uneven phenomenon on both sides.Keywords：Fri

9、ction couplers；Centrifugal； Friction slices； Surface friction disc；Reposition spring目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1国内外轴向摩擦偶合器的研究现状11.2国内外反馈控制轴向摩擦偶合器的发展趋势51.2.1 反馈控制轴向摩擦偶合器的长处51.2.2 反馈控制轴向摩擦偶合器的发展趋势61.3本课题研究目的及意义62反馈控制轴向摩擦偶合器的总体方案设计82.1 反馈控制轴向摩擦偶合器的传动原理方案的分析设计82.2反馈控制轴向摩擦偶合器的设计计算92.2.1 电机的拟定102.2.2 初选摩擦半径112

10、.2.3 摩擦材料及摩擦片的选择112.2.4 起动过程中各传动件的受力分析122.2.5 复位弹簧的设计计算152.2.6 离心块的设计计算203各传动件的强度校核263.1输出花键轴的参数计算及强度校核263.2摩擦片的强度验算273.3轴承的寿命校核313.4端盖处的连接螺栓的设计计算323.5装配尺寸链的求解354摩擦偶合器带载起动过程的动力学分析394.1摩擦偶合器带载起动力学模型的建立394.2摩擦偶合器带载起动过程分析424.3摩擦偶合器软起动精确动力微分方程的建立444.4技术经济性分析46总结48参照文献50道谢51附录152附录2581绪论机械原动机（电动机或内燃机等）和工

11、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，这样就可以实现原动机和工作机一起转动，其作用是连接和传动。但是，随着现代机械制造技术的发展，多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，这就对积极机的运转稳定性规定也越来越高。但是，当原动机在启动时，这两个规定是互相矛盾的，甚至是对立的。这是由于在刚刚启动时，由于原动机要逐渐加速，慢慢达到其工作机规定的额定转速，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）的反映又比较慢。就会对工作机产生较大的冲击，难免会对其

12、导致一定限度的损害，减少了工作机的寿命，进而减少了公司的上产利润，这对公司生产是不利的。机械软启动装置徐徐在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，多种偶合方式的屡屡浮现，摩擦作为一种传动方式也运用到了偶合器的发展行业，慢慢浮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

13、式的轴向摩擦偶合器，如，上海祥树欧茂机电设备有限公司生产的摩擦偶合器， 该厂家是生产离合器的，但目前为了扩大市场，也开始生产摩擦偶合器的产品。同步与其实力相称的尚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。但是诸多有志之士，机械工业协会等研究所的诸多研究人员都在致力于这种产品的研究，同步进行相应的实验。都在争取进行进一步的研究。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、机械制造技术等多种技术还不够成熟，与发达国家相比尚有相称大的差距。目前国内的诸多机械都是靠进口，

14、这其中的一种核心问题就是我们国家的制造工艺还相称落后，特别对材料的解决工艺还不够成熟。这就导致了我们国家的机械产品绝大部分要靠进口，涉及电控行业也是如此。而国外的技术特别是美、日、德，俄罗斯等发达国家的制造水平在世界上始终是处在先进行列。轴向摩擦偶合器的制造厂家是相称多的，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。她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似的，因此说如果我们国家如果率先研制出了这种产品，这必将会增强国内的世界影响力，国内的综合国力也会有很大

15、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，只要我们通过努力就一定可以实现这一超越，外国人可以做到的我们国人也一定可以做到。相信我们可以在摩擦偶合器行业一定可以处在世界先进行列。2、摩擦材料的研究发呈现状与前景20世纪70 年代中期此前，摩擦材料多采用石棉摩擦材料。70年代后来，摩擦材料从老式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。干式摩擦材料重要采用无石棉有机摩擦材料和烧结摩擦材料， 湿式摩擦材料重要采用纸基摩擦材料、石墨基摩擦

16、材料和烧结摩擦材料。金属基体可分为铁基和铜基两种, 事实上, 铁基材料中又具有铜或铜合金。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, 承受较低或中档载荷。 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、制取措施、工艺路线和构造设计等方面出发进行全面改革, 各国采用的措施虽然多种多样, 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保的规定。 就国内摩擦材料行业而言, 尽管已从过去依托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, 过去重要使用石棉摩擦材料的状况也大为改观, 但目前

17、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。为了适应国内机械工业发展的规定和环保规定, 国内的摩擦材料行业应加快改革, 改善管理, 改善工艺, 调节产品构造, 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、国内摩擦偶合器的发呈现状为了减少成本，轴向摩擦偶合器所使用的摩擦片往往是原则的摩擦片，由于这样可以大大缩短产品的研发周期并减少产品的制导致本。摩擦片大多根据使用场合的不同而被设计成多种不同式样，但由于工作条件恶劣，磨损严重，因此需要量大。目前，有许多小型公司瞄准了这个

18、市场，但由于设备条件的限制，在生产工艺中须采用某些措施才干迅速、经济地制造出来。目前国内的摩擦片重要有如下几种：总体可分为金属型、非金属性和半金属性三种。金属型又可以分为如下四种：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3545HRC。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ZCUSn5Pb5Zn5等。其特点是：具有良好的耐磨性、跑合性和耐腐

19、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，合适于中、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；涉及铁基粉末冶金和铜基粉末冶金等，其特点是：具有相称高的摩擦系数（铁基干式可达0.250.5，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。此外还具有相称高的强度和良好的耐磨性，其许用强度高于其她的摩擦材料，可用作摩擦片衬片或摩擦块，在湿

20、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核心组件。它具有足够的强度，合适而稳定的摩擦系数，工作平稳可靠，耐磨及污染少等长处，是现代摩擦材料家族中应用面最大、量最大的材料。 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规定，为了适应这种需要，机理研究和基本实验工作始终没有停止过，对新型摩擦材料的研究也将是此后摩擦材料发展的重点，重要是发展性能优秀、造价低廉的新型材料。新型摩擦材料的研究；一种值得注意的趋势是为了适应不同的工况，已研制和发展了某些

21、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。由于这些材料的制造设备、制造工艺、测试措施、设计根据、所用原材料等有相通和类似之处，因此已有越来越多的粉末冶金摩擦制品公司突破了既有的粉末冶金行业界线，逐渐地向摩擦制品，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构造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长处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

22、有如下诸多长处：1、该装置将启动过程提成两级，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，同步具有与硬启动时相似的承载能力。2、该装置具有缓冲和隔离扭振的性能：使电机起动有一种延迟时间，缓慢加速，减少骤然起动而引起的零件间的互相冲击。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种初始速度。特别是偶合器一般设立反馈机构，从而实现软起动，因此起动时间短，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，当负载超过所能传递的力矩后，就会导致摩擦件

23、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更为明显。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可以实现柔和起动，即本文中所说的软启动。只有这样才干在积极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，因此说这一课题的提出具有较高的研究价值和广阔的

24、市场发展前景，在国内外都具有相称的影响力，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本上提出的。随着多种传动技术的发展，老式的软启动技术虽然基本上可以满足规定，但多种工作机械都对原动机的软启动性能提出了更加严格的规定。因此，为了实现这一目的，在老式的无反馈式偶合器的基本上加以改善，将整个起动加速过程提成两级，分别通过积极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引作用，同步对偶合器行业的发展也具有一定的奉献。因此说这一课题是具有

25、良好的发展前景的，它必将推动国内各行各业的发展。本次设计合理布置积极级的构造（积极级构造相对于从动级构造对称布置），连同反馈级的构造共同而构成的完整而合理的构造。本文根据使用规定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构造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国内机械行业的发展而提出的，缩短国内机械行业同发达国家的差距，带动国内民族行业的发展；另一方面也是为了使得公司获得更高的利润，为公司发明效益。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规定，选择合适的摩擦材料和摩擦半径，及离心块的材料，通过反复试算

26、拟定符合功率传动条件的离心块的质量。并通过合理设计使各个零件具有良好的构造及加工工艺性以减少制导致本。为了保证具有良好的传动能力，积极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原则件，这样也可以大大减少机加工成本，同步，根据机械设计的质量小的规定又使得各零件的构造尺寸尽量小，这样也缩小了整体外形尺寸使其更快凑。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规定，对多种柔和启动产品的研究也越来越受到人们的广泛关注。同步，

27、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奉献，对机械软启动特别是偶合器行业的发展具有一定的指引意义。同步也将在一定限度上推动国内机械行业的发展。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。以期对国内机械制造的发展做出一定的奉献。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积极机构和从动机构两部分构成的，其外壳为积极机构，内部花键轴为从动机构。该装置在设计时，从动机构相对积极机构可实现极小范畴的游动，通过从动轴上的两个向心滚针和保持

28、架组件实目前低速启动时主、从动机的相对转动，同步为了保证可以精确可靠的接合，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。该装置由积极机壳体、从动机花键轴、积极级离心块、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构成。其中积极机壳体由两端盖和带有内花键槽的圆筒构成。该方案的采用离心式接合楔紧以实现传动，且采用积极级的离心结合机构有关反馈级对称布置的设计思想，这一设计思想事实上是为了可以获得更好的软启动效果，这是本次设计的主线

29、宗旨所在。本装置的软启动原理为：电机在低速时起动，积极机和从动机处在断开状态，这是积极级和反馈级离心块均不与摩擦盘接触，电机相称于空载起动；当转速（该转速根据偶合器的设计规定同步为了获得较好的软启动效果，一般在750800rpm范畴内选用）达到一定范畴时积极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。这时积极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。这是其实现软启动的原理及过程。2.2反馈控制轴向摩擦

30、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、积极级离心块 10、积极级壳体 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构成示意图设计一台反馈控制新型轴向摩擦偶合器，规定所传递的功率为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=2.32.4（一般不超过电机的过载系数），积极级过载系数为K=1.21.4，反馈级过载系数为K=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

31、电机的拟定根据偶合器传递的功率及使用条件为矿井下使用可以拟定需要选用防爆电动机，功率P=75 KW，额定转速n=1480rpm。查电机手册可拟定其型号为YB280M4，其输出轴直径为d=75mm。电机的重要参数为：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：T=9550=9550 N.m =484 N.m 式（2.1）其中：P电机的额定功率； n电机的额定转速。那么积极级所需传递的转矩为：T= K T=1.3484 N.m=629.2 N.m 式（2.2）式中：K积极级的过载系数，一般取1.21.4，通过综合考虑在此取K=1.3。反馈级所需传递的转矩为：T=

32、K T=1.1484 N.m=532.4 N.m 式（2.3）式中：K从动级在系数，一般取1.11.3，在此取K=1.1。则该偶合器所能传递的总转矩为：T= K T=2.4484 N.m=1161.6 N.m 式（2.4）式中：K传动机构的综合过载系数，一般取2.32.4，由于K= K+ K =1.3+1.1=2.4。2.2.2 初选摩擦半径考虑到积极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，由于这样可以使得摩擦片只受到正压力的作用而不受其她的弯曲附加载荷的影响，同步要达到与硬启动相似的承载能力。在此取积极离心块和反馈级离心块相似的摩擦半径。根

33、据经验，由电机输出轴直径可拟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，可以初步拟定积极级和反馈级的摩擦直径D=D=D=220mm。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，其厚度是相称小的，一般的材料是不能满足本次设计所规定的强度的，并且一般的摩擦材料的挤压强度也是不够的，为此通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原则的摩擦片，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。

34、而积极级和反馈级离心块要选择密度稍微大一点的材料，并且具有优良的性能。在此选择铜基粉末冶金，其性能为：具有相称高的摩擦系数，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。此外还具有相称高的强度和良好的耐磨性，其许用强度高于其她的摩擦材料，可用作摩擦片衬片或摩擦块。因此，通过多方面的考虑后选择以上两种摩擦材料。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=0.3，其当量摩擦角为=arctan f=arctan0.3=16.699。当淬火钢和淬火钢配对时，其摩擦系数为f=0.2。由=16.699知，摩擦块的楔角应不不小于摩擦面的当量摩擦角

35、，因此选择摩擦块和锥面摩擦盘的楔角为：=12。内外摩擦片的参数拟定，根据所选择的摩擦半径r=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种初速度n=750800rpm，在此取n=750 rpm。而反馈级的起始工作转速n=650rpm。其受力分析重要是下面的两个临界状态。1、 当积极级达到额定转速而反馈级离心块还没有达到起始工作转速时，这时只有积极级工作，而反馈离心块还没有被甩

36、出。则积极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，并且楔角都相似，因此右边的受力和左边的相似。则由正弦定理得，= 式（2.5）Fcos=F 式（2.6）Fcos(+)=F 式（2.7）并且由于本构造是对称式的，因此一侧所能传递的转矩等于所有转矩的一半，图2.2积极级离心块的受力分析有=z F f r+ Fcosf rz+F f r 式（2.8）以上各式中：Q积极级离心块在额定转速下的所受到的离心力； F积极级离心块的工作锥面上受到的正压力和摩擦力的合力； F积极级离心块左端面上受到的正压力和摩擦力的合力； F积极级单独工作时摩擦片上受到的正压力； F额定转速下

37、积极级复位弹簧的弹力。由以上四式可以解得F=2318.3N, F=881N，和关系式Q- F=654.9 N 式（2.9）以及离心力的计算公式Q= 式（2.10）式中：m积极级离心块的质量； r积极级离心块的质心半径； n电动机的额定转速，n=1480 rpm。通过反复计算可以拟定：取m=0.6 Kg, r=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Q=1369.2 N，F=714.3 N。2、当积极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。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

38、）且 F cos(+)=F 式（2.12）以及 =z F f r+ 2Fcosf rz 式（2.13）式中：Q反馈级离心块在额定转速下的所受到的离心力； F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积极级单独工作时摩擦片上受到的正压力； F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Q= 式（2.14）式中：m反馈级离心块的质量； r反馈级离心块的质心半径； n电动机的额定转速，n=1480 rpm。因此由以上三式可以解得：F=4210 N，F=1599.9 N，以及关系式Q- F=1536.6 N 式（2.15）通过反复计算可以拟定：m=1.1 Kg ，r=95 m

39、m。则Q=2510.1 N，F=973.5 N。2.2.5 复位弹簧的设计计算1、积极级复位弹簧的设计计算 已知积极级的起始工作转速为n=750 rpm，则由离心力的计算公式 Q= 式（2.16）式中：n=n=750 rpm，m=0.6 Kg, r=95mm。代入数据得积极级离心块在刚被甩出时所需弹簧的答复力：Q=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=00 Mpa，切变模量G=80000 Mpa，其热解决工艺为：用油淬火并回火，具有较高的疲劳强度。取其旋绕比 C=5，其中：D是弹簧的中经，d是簧丝的直径。则

40、弹（1）簧的曲度系数K=+ 式（2.17）代入数据得：K=1.3105。而弹簧的最大工作载荷可由前面的计算中知：F=714.3 N，圆整为F=720 N（2）估算簧丝的直径d，由式d1.6 式（2.18）得：d3.998 mm，取原则值：d=4 mm，因此D= C d=54 mm=20 mm。（3）计算弹簧的有效圈数n，由式n= 式（2.19）得：n=4.8，取n=4.85。式中：f弹簧的变形量，取f=6 mm。 F弹簧的工作载荷，显然F= Q=351.6 N，将F圆整为F=400 N。（4）计算弹簧的刚度，由式P= 式（2.20）得：P=66 N/ mm。（5）计算弹簧的极限载荷和极限变形量

41、极限载荷为：N= F=400 N。则极限变形量为F= mm=6.06 mm 式（2.21）取支撑处的圈数为2，则总圈数n= n+2=4.85+2=6.85。（6）计算节距pp= d+=4+=5.25 mm 式（2.22）（7）计算自由高度HH= n p+1.5d=(4.855.25+1.54) mm =31.46 mm式（2.23）取原则值：H=32 mm。则节距p=（）mm=5.36 mm 式（2.24）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n=650rpm。则由离心力的计算公式 Q= 式（2.25）式中：n=n=650 rpm，m=1.1 Kg, r=95mm。

42、代入数据得反馈级离心块在刚被甩出时所需弹簧的答复力：Q=484.2 N，圆整后取Q=500 N。选择与积极级材料相似的弹簧，且材料的个参数与积极级弹簧的相似，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=00 Mpa，切变模量G=80000 Mpa，并取其旋绕比 C=5。那么弹簧的曲度系数K=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d1.6可以估算弹簧的簧丝直径为：d4.499 mm，取原则值d=4.5 mm。则中经D= dC=4.55 mm=22.5 mm。（1）计算弹簧的有效圈数n，由式n= 式

43、（2.26）式中：f反馈级弹簧的变形量：取f=5 mm，代入数据得：n=3.6，取n=3.65。（2）计算弹簧的实际刚度P，由式P= 式（2.27）将数据代入并整顿得：P=98.6 N/ mm。（3）计算极限载荷和极限变形量极限载荷：N= Q=500 N。极限变形量：F= mm =5.1 mm。同样取支撑圈数为2，则总圈数为：n= n+2=3.65+2=5.65。（4）计算节距p,由式p= d+ 式（2.28）得：p=5.9 mm。（5）计算自由高度H，由式 H= n p+1.5 d=（3.655.9+1.54.5）mm=28.285 mm 式（2.29）取原则值H=30 mm。则节距p=（）

44、mm=6.37 mm 式（2.30）通过以上的计算可以总结得到弹簧的参数：积极级弹簧：d=4 mm，D=20 mm，H=32 mm，积极级的初始压缩量S=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长的弹簧压缩量为：S=5.5 mm。反馈级弹簧：d=4.5 mm，D=22.5 mm，H=30 mm，反馈级的初始压缩量S=4.9 mm，当达到额定转速时需增长的弹簧压缩量为：S=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，同步为了使构造更快凑，本设计积极级采用三个离心块均匀布置在积极机的圆周上，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

45、向槽（其他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。并且积极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可以传递一部分扭矩。1、积极级离心块参数的设计计算为了使得积极级离心块可以传递转矩，本设计选择积极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，因此其质量要比计算的离心块的质量稍微大某些。（1）积极级离心块的截面尺寸的计算通过反复计算选的原料的尺寸为454550（单位为毫米）。积极级离心块的材料为铜基粉末冶金，查表得其密度为=8500 Kg/ m。那么材料的质量为m=V,代入数据得：m=0.8

46、6 Kg，那么需要去掉部分的质量为m= m- m=（0.86-0.6）Kg=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，通过计算其质量为m=0.158 Kg。而与弹簧座孔同轴的螺栓孔的质量为0.0096 Kg。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，因此采用近似计算的措施求得截去的楔块的质量为m=m- m-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（0.00960.

47、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通过计算解得需要再在本来的斜面处以相似的倾角再往里切去0.5 mm质量。该离心块的截面图形如图2.4所示。图2.4积极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措施知，可以用叠加的措施将一种复杂截面形状的物体提成几种部分后，分别计算其质心后叠加即可得到整体的质心。在图中将其提成三部分，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X=0,Y=0,Z=45/2=22.5 mm，其体积为77358.2 mm。下边

48、的外径为26 mm的空心小圆柱其质心坐标为X=0，Y=0，Z=10/2=5 mm，其体积为4178.3 mm。去掉的斜体其质心坐标为X=0， Z=45/2=-22.5 mm，其体积为-10125 mm。则由质心的叠加公式Z= 式（2.34）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，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。由于两侧是对称的因此只计算单侧的体积即可，计算单侧楔块的体积（采用近似计算的措施）V=式（2.35）通过计

49、算得：V=38796.6-27502.8=11293.8 mm。那么楔块的质量m=V，得到m=0.096 Kg，则两侧共需去掉的楔块的质量为2m=20.096 Kg =0.192 Kg 式（2.36）而圆柱体的总质量为m=V=85000.03350.054 Kg=1.618 Kg式（2.37）则需要从圆柱体上去掉的质量为m= m- m=（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m=m-2m=(0.518-0.192) Kg=0.326 Kg 式（2.39）由于中间要安装弹簧，通过计算拟定要在中间挖出半径为15.5 mm，深度为45 mm圆柱孔作

50、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。通过计算其质量正好为0.326 Kg，因此通过解决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，根据该离心块的构造特点可以将该离心块提成如下四部分：（1）大空心圆柱体，X=0,Y=0,Z=54/2=27 mm （根据其对称性），其体积为V= mm=149627.8 mm式（2.40）（2）中间的空心小圆柱体，同理有，X=0，Y=0，Z=9/2 mm=4.5 mm，体积为V=5775.0327 mm。（3）两边的两个

51、清除的楔形块，由于其对称性，很显然X=0，Y=0，下面来计算 Z。由前面的计算成果知V=211293.8 mm=22578.6 mm，则由质心的计算公式 Z=2 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：Z=38.5 mm。再由式Z= 式（2.42）代入数据得：质心坐标为Z=37.16 mm，式中Z、 V的值应取负值。即质心位于在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，通过综合考虑选择M

52、121.5规格的细牙螺栓（非全螺纹），性能级别为6.8级，材料为中碳钢，查表知：其屈服强度极限为=480 Mpa，取安全系数为S=2,则许用应力为：= /S=240 Mpa。校核螺栓的强度，有公式= 式（2.43）式中：K安全系数，在此取K=1.2； F螺栓所受的载荷； d螺纹的小径，（由螺纹手册可以这样计算螺纹的小径，即d=d-1.0825 P=（12-1.08251.5）mm=10.37625 mm，其中P是螺纹的螺距，P=1.5 mm；d是螺纹的公称直径，即d=12 mm）。由以上条件代入数据并整顿得：=13.8 Mpa = 240 Mpa，符合强度规定。积极级离心块的螺栓选择与反馈级的

53、相似，由前面的计算知，积极级螺栓的载荷使F=714.3 N973.5 N，即不不小于反馈级的螺栓的载荷，又采用相似规格的螺栓，并且螺栓的材料也相似，因此不用校核该螺栓的强度也满足规定。3 各传动件的强度校核3.1输出花键轴的参数计算及强度校核选择输出花键轴的材料为40MnB的合金钢，调质解决，查手册知其屈服极限为=500 Mpa，根据使用条件拟定其安全系数为S=2.5。将花键轴大端的参数初步定为：大经D=88 mm，小径d=78 mm，花键槽的深度为5 mm。而将小端的参数定为：大经D=75 mm，小径d=69 mm，花键槽的深度为3 mm。校核花键轴的强度。很明显该花键轴的小端为危险截面，因

54、此应校核其小端的强度。1、花键轴所传递的转矩为T=K T=2.4484 N.m=1161.6 N.m 式（3.1）其中：K为综合过载系数，K=2.4； T电动机的额定转矩，T=484 N.m；2、计算花键的抗扭截面系数W,由公式：W= 式（3.2）式中：D花键的大经，D=75 mm； d花键的内经，d=69 mm； z花键的齿数，z=6； b花键的宽度，取原则的花键齿，在此取b=10 mm。将以上数据代入到式（3.2）中并整顿得W=62458.2 mm。因此由最大剪应力的计算公式= 式（3.3）3、其许用剪切应力可由如下措施来拟定由于该材料的屈服极限=500 Mpa，由使用条件可得其安全系数为

55、S=2.5，并且=（0.550.62），取=0.6即=0.6500 Mpa=300 Mpa。故许用应力为 = Mpa=120 Mpa。将数据代入式（3.3）计算得：=18.592 Mpa=120 Mpa，符合强度规定。3.2摩擦片的强度验算1、摩擦面上的压强计算查表知摩擦片上的许用比压为p=39 N/cm,则由公式P= 式（3.4）式中：F摩擦片的轴向正压力，F=4210 N； D摩擦副的外径，即内片的外径，D=250 mm； D摩擦副的内径，即外片的内径，D=154 mm。代入数据得：P=1.3810 N/m3.910 N/m。2、计算外摩擦片与外壳接合处的挤压应力由于该连接的移动距离很小，

56、且齿面通过热解决。根据此条件查表知该材料的许用应力为=54 Mpa。由外摩擦片所传递的转矩为T= z F f r 式（3.5）其中：z接合面数，显然z=2； F摩擦片的轴向正压力，F=4210 N； f摩擦片间的摩擦系数，f=0.2；r摩擦片的摩擦半径，r=110 mm。因此，代入数据得：T=185240 N.mm。由式= 式（3.6）式中：载荷分派不均匀系数，在此取=0.8； z外片的齿数，z=4； T一片外摩擦片所传递的转矩，T=185240 N.mm； d摩擦片花键齿接触处的平均直径，易知外径D=268 mm，内径d=258 mm，因此d= mm=263 mm； h花键齿的接触高度，由于

57、花键齿上有倒角，经计算h=3 mm； l花键的接触长度，其值等于摩擦片的厚度，即l=5 mm。将以上各数据代入式（3.6）计算得：=29.347 Mpa=54 Mpa。满足强度条件。3、计算内摩擦片与输出轴结合处的挤压应力 由式= 式（3.7）式中：T一种内摩擦片所传递的转矩，通过度析可知，T= T=185240 N.mm； z内摩擦片的齿数，z=6；d摩擦片花键齿接触处的平均直径，易知外径D=88 mm，内径d=78 mm，因此d= mm=83 mm；h花键齿的接触高度，由于花键齿上有倒角，可由式h=-2C=(-21) mm=3 mm；l花键的接触长度，其值等于摩擦片的厚度，即l=5 mm。

58、将数据代入得：=46.496 Mpa=54 Mpa。满足强度条件。4、计算与积极级离心块相配合的锥面圆盘的尺寸通过度析可以计算其所传递的转矩，又由于该转矩由两部分构成，即与积极级离心块的配合面所传递的转矩和与外摩擦片的配合面所传递的转矩，并且这两个面得摩擦系数不相似，下面分别计算这两个面上的转矩。（1）与积极级离心块的配合面所传递的转矩的计算T= Fcosf rz 式（3.8）式中：F一种离心块与锥面的总作用力，由前面的计算知F=1599.9 N；f离心块与锥面摩擦盘之间的接触面的摩擦系数，f=0.3； z离心块的个数，z=3； r摩擦片的摩擦半径，r=110 mm。通过计算得：T=15490

59、0 N.mm。（2）与外摩擦片的配合面所传递的转矩的计算由式T= Ffr 式（3.9）式中：F摩擦片的轴向正压力，F=4210 N；f摩擦片之间的摩擦系数，f=0.2。通过计算得：T=92600 N.mm。故总的转矩T= T+T=154900 N.mm + 92600 N.mm=247520 N.mm。在此取摩擦盘的宽度为l=10 mm，下面校核其强度。由式 式（3.10）式中：T摩擦盘所传递的转矩，T=T=247520 N.mm 载荷分派不均匀系数，在此取=0.8； z摩擦盘的齿数，与内摩擦片的齿数相似，z=6； d摩擦盘花键齿接触处的平均直径，易知该摩擦盘的平均直径与内摩擦片与花键轴接合处

60、的直径相似，有前面的计算知都d=83 mm ； h花键齿的接触高度， h=3 mm； l花键的接触长度，其值等于摩擦盘的厚度，即l=10 mm。代入计算得：=41.419 Mpa=54 Mpa，因此符合强度条件。同理当取外摩擦盘的厚度与内摩擦盘的厚度相似时，由于外摩擦盘的作用力的半径比内摩擦盘的作用力的半径大，并且在传递相似的转矩时，作用在花键齿上的力要小某些，目前既然内摩擦盘的挤压强度可以满足规定。因此通过多方面的综合考虑后，取外摩擦盘的厚度为l=20 mm，显然也一定可以满足强度规定，因此外摩擦盘的强度在此不用校核就满足规定。3.3轴承的寿命校核为了使该装置的整体构造更快凑，本次设计所使用的滚动轴承为滚针轴承，但通过多方面的考虑后又将滚针