1、 建筑机械化 2011(07) 39楔块式超越离合器在装载机变速箱中的应用The application of wedge type overrunning clutch in loaders reduction gearbox徐东云1，殷 琳1，许水电2XU Dong-yun, YIN-Lin, XU Shui-dian(1.徐工集团工程机械股份有限公司 科技分公司，江苏 徐州 221004；2.厦门大学，福建 厦门 361005)介绍了一种应用于装载机变速箱的新型楔块式超越离合器的结构和工作机理，通过超越离合器工作原理分析，说明楔块式超越离合器在装载机变速箱应用中的优越性，有效解决了装载机
2、变速箱中传统超越离合器的失效问题，结合可靠性试验验证了超越离合器的承载能力和工况适应性。装载机；变速箱；楔块式超越离合器；应用摘 要关键词超越离合器是装载机变速箱总成中一个极其重要的关键部件，目前装载机变速箱大多采用滚柱式超越离合器。滚柱式超越离合器传动效率较低、工况适应性较差、滚柱承载能力不足、可靠性不高以及质量不稳定等问题日益明显。最常见故障是打滑或抱死。失效形式表现为内环凸轮的工作平面过早出现弧线压痕、推动滚柱的保持架损坏、弹簧及顶销的失效和滚柱的过度磨损或变形等。为了更有效地解决超越离合器可靠性和承载能力问题，进一步提高其使用寿命和工况适应能力，针对滚柱式超越离合器的结构和同步性引起的
3、上述问题，我们研制并应用了新型楔块式超越离合器。1 新型楔块式超越离合器简介楔块式超越离合器是一种单向传递动力的装置。即当主动滚道的速度与从动滚道的速度相同时进行传动；而当主动滚道的速度小于从动滚道的速度时，从动滚道自由转动。当所有楔块通过弹簧带、固定簧片以及内外保持架安装、联结在内外滚道之间后，楔块就能起到传递扭矩的作用了，由于楔块的自身高度大于内外滚道之间的距离，故楔块会倾斜一定的角度，即自锁角。国外企业的研究与应用表明：楔块与内外滚道接触的工作面采用对数螺旋线曲面后可以极大地提高扭矩传递区域的工作寿命并降低噪音，而整个楔块式离合器内44个楔块均具有对数螺旋线的曲面特征，其同步性的保证是整
4、个超越离合器提高承载能力的先决条件，是所有组件中的关键件。因此，楔块的结构设计和制造工艺很关键。在结构设计方面，要求楔块能精密啮合，体积小、重量轻、结构紧凑；在同一规格超越离合器条件下的楔块数量最多，提高承载能力；降低高的分度或转位频率所产生的惯性力；在切线上所有点的螺距角保持不变，而且楔块的啮合角在整个啮合区中的所有接触点是稳定的；对数螺旋线啮合母线是取得精密分度或转位和长寿命的先决条件。在制造方面，要确保设计要求的高精密度。楔块材料采用SKD11高温模具钢，其工艺流程：精密冷拔成型切割修整热处理纳米处理；双保持架采用碳钢经过精密冲制，确保有足够的刚性和强度；弹簧带采用合金钢精密冲压成型，其
5、抗疲劳强度是圆柱弹簧的4倍以上，确保使用寿命。设计研究 Design & Research40 2011(07)CONSTRUCTION MECHANIZATIONTstart( Tmon-T) K01( Z2/Z1)3 500Nm。已知：超越外滚道 D 210mm( RL105mm)，内滚道 d184.18mm( rL92.09mm)，初始楔角 3.4 ， 2.58 ，对数螺旋线曲率半径 r1 r27.85mm，楔块个数 Z44，楔块宽度b20.5mm，安全系数取 f0.45（从图3可知离合器对应的接触次数大于107)，故超越离合器承受的动扭矩为： Tmax Tstart/f7 778Nm。
6、由上述可知：当安全系数取 f0.45时，离合器对应接触次数为大于107，相当于装载机的使用寿命达到55 000h以上（按装载机离合器每分钟啮合3次计算)。表1列出了装载机几种可能的负载安全系数情形下所对应的整机使用寿命。一般而言，装载机超越离合器承受的工作扭矩值范围在3 500Nm4 000Nm之间，由图3及表1可知对应的动扭矩值范围在4 000Nm7 778 Nm之间。根据中国机械设计大典第4卷中关于楔块式超越离合器内、外滚道可传递扭矩的计算公式可得（式中29.4为单位转换后的常量值）：2 在装载机变速箱中的应用2.1 有效地解决了传统超越离合器的易失效问题目前，装载机变速箱大多采用传统滚柱
7、式超越离合器（如图1)。滚柱式超越离合器主要是由内环凸轮、滚柱、圆柱弹簧、隔离环和压盖等零件组成。当离合器结合时，由于结构限制及同步性原因，有效工作的滚柱数量较少，离合器内环凸轮的工作平面与滚柱为线接触，表面压应力过大而形成弧坑，摩擦角迅速增大，造成离合器打滑而失效。因此，承载能力低和使用寿命较短是滚柱式超越离合器最为致命的问题。而应用于装载机变速箱中的楔块式超越离合器，楔块工作面为对数螺旋线型，数量可以达到44个（图2)。该离合器工作时，每个楔块都能实现较小的角位移和作用面补偿功能而形成全同步啮合，受力均匀，大大提高了整个离合器的承载能力和使用寿命。2.2 具有更大的扭矩传递能力，更好地适应
8、装载 机工况以ZL50型装载机为例，发动机功率为162kW，额定转速 n2 200r/min时，额定扭矩Tnom703.23Nm，装载机双联泵、转向泵取力口及其损耗总扭矩取 T30Nm（ZL50型装载机实验数据的平均值)；变矩器在“零速工况”下的变矩系数 K04.02，一级涡轮的变矩系数 K012.01；一级输入齿轮齿数 Z120，外环齿轮齿数 Z252，则超越离合器承受的静扭矩(工作扭矩)为：图 1 传统滚柱式超越离合器1-滚子楔紧状态；2-分离状态；3-外环齿轮；4-内环凸轮图 2 楔块式超越离合器图 3 楔块式超越离合器负载安全系数图(日本、德国标准 )表 1 几种工作扭矩的超越离合器使
9、用寿命超越离合器承受的静扭矩(Nm) 6 800 4 000 2 500 3 500超越离合器承受的动扭矩(Nm) 4 000 4 000 5 000 7 778对应负载安全系数 f1.70 1.00 0.50 0.45接触次数(次) 105106107107对应装载机使用寿命（h）(按3次/min)555 5 500 55 000 55 000Design & Research 设计研究建筑机械化 2011(07) 41中图分类号 TH243文献标识码 文章编号 1001-1366(2011)07-0039-03收稿日期 2011-05-18在外滚道上为：M1 ZFN1tgRL29.4( R
10、L r1)/(RL-r1)bZRLtg1 063 094kgmm10 418.33Nm在内滚道上为：M2 ZFN2tgrL=29.4( rL r2)/(rL+r2)bZrLtga=1 049 290kgmm10 283.04Nm故能满足装载机的最大动扭矩值7 778Nm。3 试验验证2009年7月，徐工科技对装有新型楔块式超越离合器的变速箱进行了500h交变加载的台架可靠性试验和2 000h装机强化试验验证。然后对试验后的楔块式超越离合器进行解体检测分析，结果表明：内环光轮外滚道与外环齿轮内滚道的压痕均为细密条纹状，无凹凸压痕；内外环滚道磨损量均小于0.02mm，楔块工作面高度磨损量为0.03
11、mm。由此可折算失效前的使用寿命为8 000h以上。强化试验后的零部件参见图4、图5。随后从2009年9月份起，新型楔块式超越离合器在徐工ZL50G、500K装载机上小批量装机进行了工业性强化考核试验，在辽宁、新疆、天津、重庆等工况恶劣的采石场地区作业，至今无任何故障反馈。经强化试验和装机考核可得到新型楔块式超越离合器与滚柱式超越离合器的性能对比见表2。表 2 楔块式超越离合器与滚柱式超越离合器的性能对比型式项目楔块式超越离合器 滚柱式超越离合器抗污能力 好 差同步性 好 差承受扭矩(Nm) 10 000 2 500寿命（h） 6 000 3 000耗油量 低（节能3%5%） 高工作温度（油温） 低 高4 结 论新型楔块式超越离合器应用于装载机变速箱中，具有超越工况楔块基本无摩擦、44个楔块能保持全同步、自锁角恒定，确保工作稳定、承受大扭矩增强工况适应性、受力均匀使用寿命长、相同工况作业量时整机油耗少、抗污能力较强以及可靠性较高等特点，是传统滚柱式超越离合器所无法比拟的。（编辑 吴学松）设计研究 Design & Research
