基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器

摘要

本申请实施例公开了一种基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器，所述超越离合器包括：外环、挠性环、控制杠杆和芯轴；其中，挠性环置于外环和芯轴之间，且挠性环的内径与芯轴的外径相等，挠性环的外径与外环的内径相等；控制杠杆一侧置于芯轴的凹槽内，另一侧置于挠性环的坡口内；所述扩环式柔韧体摩擦数学模型为F2＝F1efa+(efa‑1)qv2；所述F1表示，挠性环的左端与控制杠杆之间的相互作用力；所述F2表示，挠性环的右端与控制杠杆之间的相互作用力；所述f表示，挠性环与芯轴之间的静摩擦系数；所述a表示，包角；所述q表示，单位长度挠性环的重量；所述v表示，挠性环的线速度；采用本申请实施例中的超越离合器，其自锁将不受工作转速限制。

权利要求

1.一种基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器，其特征在于，所述超越离合器包括：外环(1)、挠性环(2)、控制杠杆(3)和芯轴(4)；

其中，挠性环(2)置于外环(1)和芯轴(4)之间，且挠性环(2)的内径与芯轴(4)的外径相等，挠性环(2)的外径与外环(1)的内径相等；

控制杠杆(3)一侧置于芯轴(4)的凹槽内，另一侧置于挠性环(2)的坡口内；

所述扩环式柔韧体摩擦数学模型为F2＝F1efa+(efa-1)qv2；所述F1表示，挠性环(2)的左端与控制杠杆(3)之间的相互作用力；所述F2表示，挠性环(2)的右端与控制杠杆(3)之间的相互作用力；所述f表示，挠性环(2)与芯轴(4)之间的静摩擦系数；所述a表示，包角；所述q表示，单位长度挠性环(2)的重量；所述v表示，挠性环(2)的线速度；其中， L1以及L2分别为控制杠杆(3)的力臂；

还包括：保持环(5)；

保持环(5)置于芯轴(4)和挠性环(2)之间，且保持环(5)的内径与芯轴(4)的外径相等，外径与挠性环(2)的内径相等。

说明书

基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器

技术领域

[0001] 本发明涉及机械传动技术领域，特别是涉及一种基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器。

背景技术

[0002] 超越离合器，通常用于主动轴和从动轴之间实现动力的传递，并根据主动轴和从动轴之间相对速度的不同以实现接合或超越。目前，基于古典柔韧体摩擦原理的一类超越离合器为超越离合器设计制造提供了新的方法，且相对滚珠式、楔块式等超越离合器的机械性能有较大提升，常见的超越离合器有挠性环面接触式超越离合器、链环式超越离合器和差动双制动块式超越离合等类型，而上述超越离合器所基于的数学模型均为古典柔韧体摩擦欧拉公式。

[0003] 在现有技术中，以古典柔韧体摩擦原理为理论基础的超越离合器，不考虑离心力的作用，以柔韧体摩擦欧拉公式F2＝F1efα为其数学模型；而考虑离心力的作用，所建立的数fa fa 2学模型如下：F2＝F1e -(e -1)qv ,式中F1和F2分别表示超越离合器的挠性环两端所受的拉力；e表示自然系数；f表示挠性环和芯轴之间的静摩擦系数；a表示包角；q表示挠性环单位长度的重量；v表示挠性环的线速度。

[0004] 由于要使基于该模型的超越离合器自锁，需满足 的条件；由于该超越离合器在设计时通常以 作为自锁判据，而当超越离合器的转速增大到一定值时，将使得 从而使得超越离合器的自锁失效。可见，基于古典柔
韧体摩擦欧拉公式的数学模型所建立的超越离合器的自锁，受工作转速等的限制。

发明内容

[0005] 本发明实施例中提供了一种基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器，以使超越离合器的自锁不受转速限制。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

[0007] 本发明提供一种基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器，所述超越离合器包括：外环、挠性环、控制杠杆和芯轴；

[0008] 其中，挠性环置于外环和芯轴之间，且挠性环的内径与芯轴的外径相等，挠性环的外径与外环的内径相等；

[0009] 控制杠杆一侧置于芯轴的凹槽内，另一侧置于挠性环的坡口内；

[0010] 所述扩环式柔韧体摩擦数学模型为F2＝F1efa+(efa-1)qv2；所述F1表示，挠性环的左端与控制杠杆之间的相互作用力；所述F2表示，挠性环的右端与控制杠杆之间的相互作用力；所述f表示，挠性环与芯轴之间的静摩擦系数；所述a表示，包角；所述q表示，单位长度挠性环的重量；所述v表示，挠性环的线速度。

[0011] 优选的，所述超越离合器还包括：保持环；

[0012] 保持环置于芯轴和挠性环之间，且保持环的内径与芯轴的外径相等，外径与挠性环的内径相等。

[0013] 本发明的有益效果包括：基于扩环式柔韧体摩擦数学模型F2＝F1efa+(efa-1)qv2所建立的超越离合器，要使该超越离合器自锁，需满足 的条件；随着超越离合器转速的升高，不等式右边 增大且为正，因此在设计超越离合器时，只需满足 这一条件，不等式 将始终成立。因此可见，基于扩环式柔韧
体摩擦数学模型所建立的超越离合器将不再受转速的限制。

附图说明

[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0015] 图1为本申请实施例所提供的基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器的一剖面图；

[0016] 图2为本申请实施例提供的扩环式柔韧体摩擦物理模型的示意图；

[0017] 图3为本申请实施例提供的现有技术中超越离合器挠性环坡口的受力示意图；

[0018] 图4为本申请实施例提供的基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器的挠性环坡口的受力示意图；

[0019] 图5为本申请实施例所提供的基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器的另一剖面图；

[0020] 图6为控制杠杆的受力示意图。

具体实施方式

[0021] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0022] 本发明提供一种基于扩环式柔韧体摩擦数学模型的超越离合器，如图1所示，至少包括：外环1、挠性环2、控制杠杆3和芯轴4；

[0023] 其中，挠性环2置于外环1和芯轴4之间，且挠性环2的内径与芯轴4的外径相等，挠性环2的外径与外环1的内径相等；

[0024] 控制杠杆3一侧置于芯轴4的凹槽内，另一侧置于挠性环2的坡口内；

[0025] 在本申请实施例中，芯轴4为输入轴，当芯轴4沿如图1所示的方向转动时，芯轴4将带动控制杠杆3与挠性环2两端接触压紧，挠性环2向外扩张与外环1压紧，挠性环2自锁，超越离合器处于接合状态。而当芯轴4反向转动或外环1转速大于芯轴4的转速时，挠性环2与外环1脱开，超越离合器处于超越状态。

[0026] 本发明实施例所基于的扩环式柔韧体摩擦物理模型，如图2所示(图2中，1指外环，2指挠性环)；假设挠性环2在压力F1和F2的作用下紧贴外环内壁，且F2＞F1。取微元dl进行分析，当微元dl处于打滑的临界状态时，以dN表示外环对该段的正压力，dc表示该段的离心力。微元dl一端的压力为F，另一端的压力为F+dF，摩擦力为Ff＝fdN，离心力dc＝qv2dα，可得静力学平衡方程：

[0027]

[0028] 由极限理论可知： 略去二阶微量可得到：

[0029] 对上式两边积分 可得到扩环式柔韧体摩擦欧拉公式：F2＝fa fa 2
F1e +(e -1)qv ；说明只要F1和F2满足欧拉公式，即 时，挠性环2与外
环1不会发生相对滑动，即超越离合器可以实现自锁。

[0030] 在本申请实施例中，对图2所示的扩环式柔韧体摩擦物理模型进行求解，可得如下扩环式柔韧体摩擦数学模型：F2＝F1efα+(efα-1)qv2；其中，F1表示，挠性环2的左端与控制杠杆3之间的相互作用力；F2表示，挠性环2的右端与控制杠杆3之间的相互作用力；f表示，挠性环2与芯轴4之间的静摩擦系数；a表示，包角，即挠性环2与芯轴4接触弧所对的圆心角；q表示，单位长度挠性环2的重量；v表示，挠性环2的线速度。在本申请实施例中，如图6所示，对控制杠杆3进行分析，可见其为一三力构件，在临界状态时有：F2·L2＝F1·L1，设控制杠杆3的结构因子K＝L1/L2,则有K＝L1/L2＝F2/F1,联立 可得：K≤e2πf(α≈2π)，从而其自锁判据转化为杠杆结构因子K≤e2πf。

[0031] 由上述数学模型可知，要使基于该数学模型所设计的超越离合器自锁，需满足的条件。由于随着超越离合器转速的升高，其不等式右边增大且为正，因此，基于该模型所设计的超越离合器只需满足 的条件，其不等式将始终成立，因此可见，基于该模型设计的超越离合器其自锁不再受
速度的限制，即以 为自锁判据。

[0032] 需要说明的是，由于挠性环2一般较薄，故超越离合器的薄弱环节一般为挠性环2。若忽略弯曲应力对挠性环2的影响，则挠性环2所受的应力σ可近似表示为F1和F2所产生的应力σl和离心力所产生的离心应力σc，即σ≈σl+σc；

[0033] 在现有技术中，基于古典柔韧体摩擦欧拉公式所建立的超越离合器的σl和σc均表现为拉应力；而在本申请中，基于扩环式柔韧体摩擦数学模型所构建的超越离合器，σl表现为压应力，σc表现为拉应力，故两者可抵消一部分应力，使挠性环2的应力状况得到改善。

[0034] 由于，现有技术中的超越离合器最常见的失效形式为挠性环坡口的断裂，对其进行分析可以发现，现有技术中的超越离合器的挠性环坡口两端的应力是拉应力，受力情况如图3所示，可见挠性环坡口的薄弱环节是坡口边沿较窄处。

[0035] 而对于本申请实施例中的超越离合器进行分析，其挠性环坡口的受力情况，如图4所示，可见本申请实施例中的超越离合器的挠性环坡口的边沿不再是其薄弱环节。因此可见，在尺寸一致的情况下，本申请的超越离合器的挠性环的承载能力更强。

[0036] 在本申请的又一可行实施例中，如图5所示，上述所有实施例中的超越离合器还包括：保持环5；

[0037] 其中，保持环5置于芯轴4与挠性环2之间，且保持环5的内径与芯轴4的外径相等，保持环5的外径与挠性环2的内径相等。

[0038] 在本申请实施例中，挠性环2与外环1可为过渡配合，挠性环2与保持环5可为间隙配合；保持环5与芯轴4可为间隙配合；挠性环2坡口与控制杠杆3两端面接触。

[0039] 通过在超越离合器中增加保持环5，可以方便超越离合器的装配，减小芯轴4的磨损。

[0040] 以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。