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高速斜撑超越离合器设计方法研究

姬广勋 范锐 杨云鹏

摘 要：斜撑离合器是一种单向超越离合器，相比其它超越离合器，它具有承载能力大、结构紧凑，制造工艺性好等一系列优点，广泛应用于直升机传动系统中和固定翼飞机的启动系统中。作为关键部件，它的性能对直升机传动系统和固定翼飞机的启动系统具有重要影响。因此开展斜撑离合器设计技术研究具有重要的工程意义。
关键词：附件机匣;起动机;斜撑离合器;结构设计
一、前言
超越离合器广泛应用于航空工业，在直升机主传动链和附件传动链、固定翼飞机的起动机和大发之间都要使用离合器。滚柱离合器、斜撑离合器和弹簧离合器在直升机主传动链上都有应用，一般在转速12000r/min以下使用滚柱离合器，在15000r/min以下使用斜撑离合器，在27000r/min以下使用弹簧离合器，目前还未见有超过27000r/min工况下使用的离合器，在直升机附件传动链上使用的主要是斜撑离合器，直升机上使用的离合器通常处于长期楔紧工作状态。固定翼飞机的起动机和大发之间使用的离合器则主要是斜撑离合器，除大发起动阶段外，它长期处于高速超越的工作状态。不管是直升机，还是固定翼飞机，离合器均为传动链或功率链上的关键部件，如果离合器工作不正常，则整架飞机都无法正常工作。
二、超越离合器在航空机械传动系统中的主要作用
离合器是机械传动系统中的重要部件，其主要作用是使主动轴和从动轴按要求接合和分离。随着离合器结构形式和设计技术的不断完善与发展，通过与其它机械装置相配合，它还能实现更多的功能。一般来说，离合器可以实现机械传动系统的平稳启动和停车、传动轴在运动中的同步和相互超越、机器启动和超载时的安全保护以及防止从动轴的逆转等。
超越离合器是离合器中的重要分支，在航空领域，它广泛应用于直升机主减速器以及固定翼飞机的起动机。直升机传动系统中使用的超越离合器是单向超越离合器，发动机通过超越离合器可以带动旋翼和尾桨转动，而旋翼不能反过来带动发动机。当发动机停车时超越离合器可以保证旋翼与发动机脱开，旋翼可以进行自转。在直升机安装多台发动机的情况下，当其中一台发动机停车时，不会影响其它发动机和旋翼系统的工作。
三、超越离合器的分类和工作原理
超越离合器按工作原理可分为啮合式和摩擦式两类。啮合式超越离合器主要包括棘轮式、滑销式和牙嵌式，虽然啮合式离合器结构简单，但由于接合时的冲击和噪声较大，因此一般应用于低速场合。摩擦式超越离合器接合相对比较平稳，可以在任何转速差下实现接合。摩擦式超越离合器主要分为滚柱离合器、弹簧离合器和斜撑离合器。
3.1  滚柱离合器
滚柱离合器是最早应用于直升机传动系统的超越离合器，它依靠滚柱的楔合作用来传递扭矩，适用转速一般为12000r/min以下。滚柱离合器由凸轮轴、外环、保持架和弹簧-销机构等主要零部件组成。
3.2  弹簧离合器
弹簧离合器主要由输入轴、输出轴、矩形弹簧和导向心轴等零件组成。离合器的矩形横截面螺旋弹簧安装在输入轴与输出轴之间，弹簧的两端径向尺寸较大，与输入、输出轴内表面形成过盈配合，而弹簧的中间部分径向尺寸较小，与输入、输出轴内表面形成间隙配合。
3.3  斜撑离合器
斜撑离合器一般应用于转速低于15000r/min以下的场合，是目前应用最广泛的直升机超越离合器。斜撑离合器主要由楔块、内环、外环、内保持架、外保持架、弹簧波带以及阻尼元件组成。异型楔块为主要的承载零件，内、外保持架通过法兰盘分别与内、外滚道保持一定间隙来实现导向作用，保持楔块在承载时相位一致，从而使得承载均匀。弹性波带的主要作用是使楔块与内外环时刻保持接触，保证离合器随时从超越状态过渡到楔合状态。
四、某型斜撑超越离合器的设计方案和强度计算
4.1  斜撑超越离合器的型式
现在用的斜撑离合器分为2种型式：全相位型和完全连续啮合（PCE）型。全相位型的离合器通常用一对保持架，一个带状弹簧，与保持架接触的摩擦元件以确保斜撑块总是处在相同的角向位置。在加速和减速的过程中，这些摩擦元件克服保持架与斜撑块之间的内力。PCE型离合器只有一个保持架和使每个斜撑块獨立于其相邻斜撑块运动的箍紧弹簧。这种型式的离合器具有另外的特点，在过载条件下，斜撑块一个紧挨着一个，因此形成一个整体，斜撑块不能够滚动。对于全相位型离合器，如果超载，斜撑块的滚动是一种可能的失效模式。PCE型离合器过载时发生滑动，由于接触点处的压力较高，可能发生滚道剥落这种失效模式。
斜撑块及滚道的润滑和表面处理，对于斜撑离合器的正常工作非常重要。
4.2  设计结构介绍
斜撑离合器主要由外环、内环、保持架、输出轴、斜撑块、弹簧、深沟球轴承等组成。离合器在附件机匣上的安装采用止口定位，使用螺钉固定。
4.4  斜撑离合器的强度计算
4.4.1  计算载荷
传递瞬时最大扭矩：1100N.m。
脱开转速：8200±100rpm
4.4.2  计算公式
4.4.3  结果分析
离合器斜撑块与内轴，外套圈的接触应力均小于设计许用接触应力3450MPa。
五、结论
斜撑离合器主要由楔块、内环、外环、保持架和轴承等一系列零部件组成，根据斜撑离合器的特点和设计要求对其零部件进行详细的结构设计，校核零部件应力和变形，结果满足设计要求，该设计过程能为斜撑超越离合器的设计提供指导。
（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司   黑龙江 哈尔滨 150066）

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