超越离合器性能试验方法与装置设计毕业论文.docx

四川大学本科毕业设计 超越离合器性能试验方法与装置设计2014届本科毕业设计论文 题 目： 超越离合器性能试验方法与装置设计 学 院： 制造科学与工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 班 级： 2010级机制（2）班 指导教师： 设计地点： 四川大学 2014年5月30日摘 要随着工业机械的飞速发展，我们对于机械传动系统的性能要求进一步提高。这种高性能的追求必将向着高速、高精度、良好的稳定性、优越的大扭矩特性、长久的使用寿命等方面发展。在组成传动系统的所有零部件之中，超越离合器是重型机械传动系统中的重要组成部分之一。针对ZL50装载机的传动系统，它是用于液力变矩器输出与变速器输入之间，确保两者按要求及时正确接合、脱开的关键部件，它的性能优劣性直接影响着整机的性能、可靠性和寿命。本文试验设计所研究的对象是螺旋式超越离合器。通过对其结构及其工作原理的分析，结合实际工况确定其零部件的失效方式及失效部位，并设计相关试验方案，结合现有试验设备，设计辅助试验装置构建试验平台，为后续试验做准备。并借助三维设计软件Pro/E与有限元分析软件ANSYS进行虚拟装配与结构力学性能分析，确保设计的可行性与可靠性。本文的研究为后续新产品的设计和质量评价提供可靠的科学依据，进而缩短产品的开发周期并提高产品质量。关键词：超越离合器 试验平台 失效ABSTRACTWith the rapid development of industrial machinery, we are to further improve the performance of mechanical drive system requirements.The pursuit of high performance will toward high speed, high precision, good stability, high torque characteristics of superior development, long service life, etc.In all parts that form the transmission system, overrunning clutch is one of an important part of heavy machinery transmission system.For transmission of ZL50 loader system, it is used for hydraulic torque converter between input, output and transmission to ensure both timely and correctly as required joint, release of key components, its performance directly affects the performance, reliability and life of the machine.In this paper, experimental design research object is a spiral overrunning clutch.Through the analysis of its structure and its working principle, combined with the actual working condition of the failure mode and failure position of the parts, and design the related test plan, combined with the existing test equipment, auxiliary test device build test platform design, prepare the way for subsequent test.And with the aid of three-dimensional design software Pro/E and virtual assembly based on the finite element analysis software ANSYS and structural mechanics performance analysis, to ensure the feasibility and reliability of the design.In this paper, the research for the follow-up design of new products and provide reliable scientific basis for quality evaluation, and shorten product development cycle and improve the quality of the product.Keywords: Overrunning clutch Test platform Failure45目录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论31.1 超越离合器性能试验研究背景31.2 超越离合器性能试验国内外研究现状31.2.1 超越离合器性能试验国内研究现状31.2.2 超越离合器性能试验国外研究现状41.3 超越离合器性能试验研究发展趋势41.4 超越离合器性能试验研究目的和意义51.4.1 超越离合器性能试验研究目的51.4.2 超越离合器性能试验研究意义51.5 超越离合器性能试验研究内容51.6 本章小结6第二章 螺旋式超越离合器结构性能分析72.1 螺旋式超越离合器的结构72.2 螺旋式超越离合器的工作原理82.3 螺旋式超越离合器的特点92.4 螺旋式超越离合器的失效分析92.5 本章小结11第三章 螺旋式超越离合器性能试验方法设计123.1 螺旋式超越离合器试验目的123.2 螺旋式超越离合器试验原理123.3 螺旋式超越离合器试验项目及要求123.3.1 静态性能试验133.3.2 疲劳试验143.3.3试验要求193.4 本章小结20第四章 超越离合器性能试验装置总体设计214.1 试验装置总体设计214.2 超越离合器试验台辅助装置设计224.2.1 输入齿轮轴的设计224.2.2 Pro/E三维建模设计264.2.3 辅助件总体装配设计294.3 本章小结30第五章 超越离合器辅助夹具有限元分析325.1 箱体模态分析325.2 输入轴静力学分析375.2.1 静力学分析定义375.2.2 轴的静力学分析过程375.3 本章小结41第六章 总结与展望426.1 工作总结426.2 研究展望42参 考 文 献43致 谢45第一章 绪论1.1 超越离合器性能试验研究背景随着机械工业的飞速发展，对动力机械传动系统的高速，高效，稳定性的需求不断的提高，研究如何提高动力系统结构的性能、寿命是必不可少的一个环节。尤其针对当今普遍使用的矿山机械，其传递动力的过程更需要研究分析。根据使用经验，影响其传动系统使用寿命最重要的零部件之一是超越离合器1。它是用于原动机和工作机之间或者机器内部主动轴与从动轴之间动力传递与分离功能的重要部件2,3。在传动系统工作时，其工作环境差，易偏载且受交变载荷作用，属于易疲劳件。因此，对于其结构特性及工作性能，使用寿命的试验研究能更好的指导我们设计，研发更经济，更可靠的动力控制器件4。从而，提高其使用寿命，改善其动力特性。为此，针对ZL50装载机的超越离合器的性能，我们进行失效分析，试验研究是具有重要意义的5。1.2 超越离合器性能试验国内外研究现状1.2.1 超越离合器性能试验国内研究现状国内对于超越离合器的研究起步比较晚，研究主要集中在工作原理、工作特性、结构改进、数学建模等方面，研究内容大都偏于介绍和理论描述，研究的深度一般，缺乏相关通用设计方法的研究，应用实例的研究也比较少6,7,8。80年代初期，在航空航天、机床、汽车等领域滚珠螺旋传动作为一种较为新型的传动开始被广泛应用，而后我国也开始对斜撑式超越离合器做了初步地理论研究，国内部分著名的科研机构和先进企业也随后投入了大量的人力物力进行研发，并开始小规模的制造，渐渐地在各领域范围内推广并使用。但从总体上来说，国内对超越离合器的研究还是相对少。并且，我国现阶段机械领域的现状与国际上那些发达国家在航空航天、汽车领域的差距还比较大，发展还相对较慢，起初研究超越离合器的单位、企业非常少。并且，他们所研究的超越离合器主要适用于非汽车、航空领域，而且因为企业规模小、研究水平低，实验设备设施受限制等原因，所以试制的产品水平较低。在国内，离合器的性能测试系统早在1995年就有了实用新型专利。近些年来，随着计算机、电子元器件的普及，企业及部分高校也开始研发基于微机控制的新型试验台。目前，国内已有的离合器试验台测试对象均为发动机与变速箱之间的离合器9。1.2.2 超越离合器性能试验国外研究现状国外对超越离合器的研究比较早，目前已经有了较为深层次的研究，并且大多都偏向于实际应用的研究，而且都取得了一定的成绩。Lynwander、Kish和Wirth等人对航空航天领域直升机用超越离合器进行了深入的研究，并且经过三年的努力投入，成功的研制出了适合UH-60A直升机使用的高转速超越离合器，并且在结构上做了相关的优化改进，Kish同时还研究了弹簧式、滚柱式和斜撑式三种超越离合器，并最终都应用在UH-60直升机上。Chesney对单向斜撑超越离合器的加工制造和安装调试进行了详细地分析，并建立了相应的数学分析方程。Xu.T.建立了有关斜撑超越离合器的数学模型，并且在考虑转动惯量，离合器和轴承座的赫兹接触应力的条件下，提出了超越离合器应是点-点接触，而非一般的线-线接触，并通过相关的试验验证了这一假设10。Cheon Gill-Jeong通过相关研究，验证了超越离合器对齿轮传动过程中非线性扭转振动具有削弱作用，并介绍了相关的验证方法，提出了在齿轮系统双侧安装超越离合器的减振作用比只在输入或输出端单侧效果更好。K.Liu和E.Bamba研究了无极变速器CVT(Continuously Variable Transmission)中使用的超越离合器，研究其滑动摩擦的有关特性以及动态冲击对整机的影响，并采用数值分析方法研究了该超越离合器的能量损失11。早在20世纪70年代，美国航空宇航局开始对高速超越离合器进行研究。超越离合器的研究是NASA（ART-I）计划的主要研究内容之一。而到目前为止，在国外超越离合器已经是成熟的产品。在日本，滚柱式轴承离合器已经广泛地应用于工业自动化，机械领域和航空航天领域12。1.3 超越离合器性能试验研究发展趋势由于超越离合器的受载和工作环境的复杂性，所搜集的资料中很难查阅到有关超越离合器的综合性能试验的详细信息。因此，如何精确检测其工作过程中的各种性能指标，得到相应试验数据，进而对其工作过程可靠性进行评估和进一步优化设计尤为重要13。超越离合器试验台是一个复杂的机电液控制系统，其基本模块涉及到学科领域有自动控制、传感检测、流体力学、液压传动、传热学、计算机及PLC应用等。针对本次超越离合器的性能试验是在现有变速器测试试验台的基础上附加相关夹具装置，对超越离合器进行性能试验的。相关资料对超越离合器的试验台介绍也是比较少的，所以超越离合器测试平台有待进一步开发。今后超越离合器性能测试系统将会向着高精度、高灵敏性、实时性和高抗干扰能力等方面发展14。1.4 超越离合器性能试验研究目的和意义1.4.1 超越离合器性能试验研究目的超越离合器是ZL50装载机传动系统的重要组成部分，其工作性能的优劣将直接影响到整机传动系统的总体性能，其结构的复杂程度将关系到整车的质量。因此必须进行相关的性能试验和疲劳寿命试验来测试和分析超越离合器的耐久性、传动效率、使用寿命等方面的特性15，以及验证螺旋式超越离合器产品结构设计、制造工艺、负荷、转速、材料、润滑条件等参数的合理性，为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，从而缩短对新产品的开发周期和提高产品质量。研究并构建超越离合器性能试验台，从而实现对各种超越离合器的试验，测试其性能参数，以检验超越离合器各性能参数是否满足有关技术要求的规定；并自动记录相对应的试验数据，进而借助相关软件进行分析处理，最后将数据、特性曲线等试验结果通过报表打印输出。实现ZL50装载机超越离合器测试系统的高精度、快速性、实时性和高抗干扰能力。通过试验分析螺旋式超越离合器各方面的性能，从而指导我们对其结构原理方面的新突破，为超越离合器的检修提供了可靠的依据，进一步降低了成本。1.4.2 超越离合器性能试验研究意义超越离合器是随着机电一体化产品的发展而出现的基础件，它是用于机械传动系统原动机和工作机之间或者机器内部主动轴与从动轴之间动力传递与分离功能的重要组成部分。超越离合器工作时是利用主、从动轴的速度差或旋转方向的变换，具有自行结合，脱开的功能。目前，ZL50装载机传动系统各组成部分中，失效最平凡的，就有超越离合器。原因是超越离合器在工作过程中，常处于脉动循环应力状态下，其零部件在循环载荷作用下易产生疲劳破坏。因此，了解超越离合器的结构原理及其零部件的失效形式对于更好的测试其性能、寿命特性是非常重要的。传统的超越离合器虽然基本上能够满足工作需求，但是各自都存在一定不足之处。如承载能力低下、传动效率低、易偏载、易磨损、加工困难、可靠性差、寿命短等问题。而新研发的螺旋式超越离合器，从结构上分析其特点，它具有面接触，传递扭矩大、磨损补偿、承载能力高，各零部件各司其职，寿命高，结构工艺性好，工作平稳，寿命长，批量生产成本低，维护简单等优点。所以，有必要对其模拟工况下的机械特性加以试验研究，从而指导我们对其结构做更好的改进设计。1.5 超越离合器性能试验研究内容本文的主要研究内容有：第一章论述了超越离合器研究背景，目的及意义，给出了 超越离合器的性能试验的原因，并讨论了超越离合器的性能试验的发展，及其应用，发展趋势；第二章对螺旋式超越离合器的结构及其工作原理特点、失效分析等方面的讨论；第三章针对分析超越离合器的失效形式，结合其结构特点做了详细的试验方案；第四章对螺旋式超越离合器试验台硬件、软件及其辅助夹具各组成零部件及要求等方面做了介绍；第五章对试验辅助夹具箱体，轴等零件做了相关的有限元分析，验证其强度、刚度等结构性能参数。具体分三个方面：理论分析：根据螺旋式超越离合器的结构原理，结合实际的工作因素，分析其各零部件的基本失效形式。从而确定试验的具体项目，找到合适的试验方法，合理的设计实验方案。试验方案设计：根据螺旋式超越离合器的失效形式的分析，完成相应的寿命及其工作特性（承载能力、瞬时过载能力及最高工作速度等）的试验方案设计。辅助夹具设计与有限元分析：根据试验对象及试验目的设计辅助试验夹具，并建立相应的三维模型，并完成相关零部件的有限元分析，校核其设计的可靠性。1.6 本章小结本章介绍了试验研究螺旋式超越离合器的研究背景，国内外发展现状，以及试验研究的目的和意义，提出了试验研究超越离合器性能的必要性。在总结了目前相关的发展状况后，对超越离合器性能试验的发展趋势做了进一步的说明。并确定了本论文的研究目标和研究内容。第二章 螺旋式超越离合器结构性能分析2.1 螺旋式超越离合器的结构下图介绍试验所选用的一种新型的螺旋式超越离合器。其相关结构和各零部件的结合方式如下。其组成零件：1.双螺旋轴 2.花键轴 3.大螺旋套 4.小螺旋套 5.滚珠 6.托架 7.弹簧 8.螺钉 9.右挡圈 10左挡圈螺旋轴1上设置有大螺旋面和小螺旋面。花键轴2内部设置有内花键。花键轴2在螺旋轴1上的轴向位置通过左挡圈10来限制，左挡圈10安装于左挡圈槽中。大螺旋套3孔内加工有大内螺旋面，外部加工有外花键，大内螺旋面与大螺旋啮合，外花键与内花键啮合，大螺旋套3上设置有多个滚珠孔。小螺旋套4内部加工有小内螺旋面，外部加工有半圆环槽和多个球面凹陷，小内螺旋面与小螺旋面啮合。小螺旋套4在螺旋轴1上的轴向位置通过右挡圈9限制，右挡圈9安装于右挡圈槽中。滚珠5安装于大螺旋套3和小螺旋套4之间，在托架6、弹簧7和螺钉8的共同配合下可以在大螺旋套3和小螺旋套4之间传递一定转矩。托架6一端面加工有凹球面，另一端面加工有保持柱。 图2-1 螺旋式超越离合器结构图2.2 螺旋式超越离合器的工作原理螺旋式超越离合器的工作原理：开始工作时将工作机的输出齿轮与花键轴2啮合，带动大螺旋套3同步转动。此时，钢球在小螺旋套外槽内滚动。双螺旋轴处于自由状态。当外转速从双螺旋轴1输入，并使得双螺旋轴保持与花键轴2具有相同方向逐渐增大时。在达到与花键轴2相同转速时，达到临界状态。随着外转速继续增大，超越离合器将处于超越状态。大螺旋套将在双螺旋轴的旋合作用下，向外花键轴2靠近，最后紧压在外花键轴上，并随其一起转动，超越过程结束，此时处于结合状态。当卸载后，双螺旋轴将在外阻力矩的作用下与外花键轴形成转速差，从而在螺旋作用下脱开，与花键轴分离，超越离合器处于超越状态。图2-2 螺旋式超越离合器实物图2.3 螺旋式超越离合器的特点这种螺旋式超越离合器将工作状态（超越或结合）的选择机构与结合时传递扭矩的传动机构相互分开。选择机构所受的预紧力小并且具有磨损补偿功能，能保证有较长疲劳寿命。传动机构采用花键和螺旋传递扭矩克服了滚柱式超越离合器高副传递的缺点，可传递的扭矩更大，寿命更长。同时取消了凸轮的加工，使整个超越离合器的工艺性更好。此螺旋式超越离合器采用螺旋花键结构。当超越离合器工作时，依靠花键齿侧相互配合传递扭矩，属于低副接触结构，此结构避免了传统的超越离合器的滚柱或楔块利用摩擦传递扭矩，从而提高了接触面的使用寿命。与此同时，花键轴和驱动齿轮等零件采用高强度的合金钢和良好的表面处理工艺，以此提高螺旋花键的疲劳强度和耐磨性，避免因材料缺陷对整体结构造成影响，延长了超越离合器的使用寿命。总之，螺旋式超越离合器从结构上来讲，传动精度高，传递扭矩较大，使用寿命长，整体工作性能较传统的超越离合器有所改进。 图2-3 螺旋式超越离合器装配零件2.4 螺旋式超越离合器的失效分析 超越离合器的工作环境相对是比较恶劣的，它是装配于液力变矩器的输出轴与变速箱的输入端。发动机的输出传递到液力变矩器，作为动力输入传递到超越离合器。由于发动机的速度波动特性，将导致超越离合器的动力源呈现不规则的时间特性，从而影响其使用寿命，影响整机的使用寿命16。同样，在不同的传动系统中，由于工作环境的影响难免会出现频繁的正反转、转速的急剧变化，受载的不均匀，冲击振动等各种因素的影响。这些因素都是导致超越离合器失效的根本条件，缩短了超越离合器的使用寿命，甚至造成不必要的工业事故17。因此，分析不同结构的超越离合器在不同工况下的失效形式，对于预防破坏的根源，指导结构设计改进及其制造加工、热处理、装配等方面工作，有着非常重要的意义18,19。下面将对螺旋式超越离合器的失效情况做详细的分析总结，从而便于确定试验的对象，指导试验结果的分析验证。从组成螺旋式超越离合器的各零部件以及关键部位来分析，将超越离合器的失效分为以下几个方面：（1） 滚珠：由于滚珠在超越离合器工作时，一直处于受循环应力，高速运动的状态。并且，滚珠与滚道滑槽之间是高副接触，所以滚珠最容易出现的失效形式就是磨损。在超越离合器超越的过程中，难免受到冲击振动，这必将导致滚珠出现接触疲劳磨损、冲击破碎、压溃、压扁等失效形式。（2） 弹簧：超越离合器在工作时，由于频繁的正反转，使得超越离合器脱开-超越-结合的过程循环持续。导致弹簧长期工作在脉动循环高切应力的状态下，加上弹簧自身的材料结构缺陷，将使其容易产生塑性变形甚至疲劳断裂。（3） 双螺旋轴：在超越离合器处于超越的过程中时，双螺旋轴将与外花键套以及轴端零件发生轴向冲击，并且在传递大负荷扭矩与瞬时过载时，会发生扭转，受到大的剪切应力。所以，双螺旋轴将产生冲击断裂、扭转变形失效。（4） 螺纹副：超越离合器在超越过程中，将在螺纹副的作用下使得大小螺旋套螺旋结合，在完全结合的一瞬间，将受到外载荷以及惯性载荷所引起的冲击，如此反复工作。这将导致螺纹副产生接触疲劳磨损、冲击破损等失效形式，从而影响了传动的精度和传动效率。（5） 滚道滑槽：在钢球高速运转，高负荷，冲击振动等工作状态下，与钢球接触的滚道部位将产生接触疲劳磨损、塑性变形、甚至产生破损等失效。以上是对其结构组成部分的失效形式做了详细的分析。对于花键齿部分，在这里不做失效分析。原因在于有关这部分的设计计算相对较成熟，在设计过程中已做了计算验证。相比较而言，其他零部件的部分失效计算尚未成熟，只能通过试验验证。本试验研究不考虑花键齿部分的原因也是为了简化试验过程，缩短试验时间。螺旋式超越离合器的失效形式总结失效形式滚珠接触疲劳磨损、冲击破碎、压溃、压扁弹簧塑性变形、疲劳断裂双螺旋轴冲击断裂、扭转变形螺纹副接触疲劳磨损、冲击破损滚道滑槽接触疲劳磨损、塑性变形、破损2.5 本章小结 本章对试验所要研究的螺旋式超越离合器做了详细的介绍。对于其结构组成各零部件相对位置做了介绍。对其工作原理方面从脱开-超越-结合整个循环过程入手，做了详细的说明。对比分析传统超越离合器的特点，结合现有结构，给出了其应用的优越性。并从结构入手，结合其工作过程，分析了其工作过程中尽可能的失效零部件及其失效的关键部位。第三章 螺旋式超越离合器性能试验方法设计3.1 螺旋式超越离合器试验目的超越离合器是用于原动机和工作机之间或者机器内部主动轴与从动轴之间动力传递与分离功能的重要部件。它是利用主、从动部分的速度变化或旋转方向的变换，具有自行离合功能的装置。因此，对于超越离合器的性能要求是相对较高的。近年来，对于超越离合器的结构方面的改进也是投入了比较多的研究。这次试验的对象就是结构改进后的一种新型螺旋式超越离合器。对比已有超越离合器的性能，通过试验验证其结构特点。本文所研究的超越离合器是用于ZL50装载机上的传动组件，根据装载机实际工况下所引起的超越离合器的破坏以及查阅参考相关的超越离合器试验标准（JB/T 9130-2002）与（JB/T 6703.1-2000），制定了其静态性能试验与疲劳试验。目的是为了验证其性能方面的特点和疲劳承载寿命的特性。因为，关于超越离合器试验标准相关文件提到的非常少，而且试验的发展并不是很成熟，所以本文试验方案的设计是结合其他相关文献，根据自己的理解自行制定的。3.2 螺旋式超越离合器试验原理在静态最大承载能力试验中，将处于初始状态的超越离合器试验件及支撑、连接件的组件安装在试验齿轮箱上，将离合器的输入端（离合器内轴）固定，控制电机从离合器的输出端（离合器外套圈）持续加载直到破坏。观察并记录输入输出扭矩的变化。在疲劳性能试验的过程中，超越离合器试验件安装在模拟主减速器结构设计的试验箱中，其输入输出与实际工作环境一致。试验设备由两台电机通过各自的传动系统分别驱动超越离合器试验箱内的输入轴和输出轴，试验时按照要求调整输入输出电机的转速和相对旋转方向，从而调节齿轮箱输入、输出轴的转速（无级调速）以模拟超越离合器的超越、接合等工作状态，通过转速转矩传感器检测所需测试参数。3.3 螺旋式超越离合器试验项目及要求超越离合器作为双涡轮变矩器变速器总成中的重要部件，其使用寿命短，可靠性差一直是困扰设计者的一大难题。由于超越离合器的实际工作环境的复杂性，很难查阅到有关超越离合器的具体综合性能信息。因此，如何通过试验检测其运转过程中的机械特性和使用寿命，通过试验数据进行可靠性评估和进一步优化设计，极其重要。试验过程中，由于时间有限，仅安排少数重要的试验项目。在查阅相关的试验文件之后，参考借鉴相关的试验规程制定本次试验的项目。本次试验安排的项目有静态性能试验和疲劳试验20。3.3.1 静态性能试验考虑到超越离合器在工作过程中，其承载能力方面的可靠性，结合单向楔块式超越离合器（JB/T 9130-2002）静转矩试验，试验的项目为最大承载能力试验。最大承载能力试验：将处于初始状态的螺旋式超越离合器试验件及支撑、连接件的组件安装在试验台上，将离合器的输出端（离合器双螺旋轴）固定，控制输入电机从离合器的输入端（大齿轮模拟件）按规定的扭矩增量（每分钟20%公称转矩）一直加载到所要求的扭矩值（1.5倍公称转矩）或者直到破坏。在每个加载阶段保持一定的时间，观测和记录加在超越离合器上的实际扭矩值，并测量离合器输入端（离合器双螺旋轴）相对输出端（离合器大齿轮）的转角21。查阅相关资料，得到ZL50装载机内部传动路线如下，起始动力由发动机产生，发动机输出到双涡轮液力变矩器，变矩器的一级涡轮与超越离合器外圈结合，二级涡轮与超越离合器的内圈结合，通过超越离合器的输出轴输出到变速箱。图3-1 模拟工况下试验流程图ZL50装载机在工作时，具有不同的工作状态：怠速、加速、铲装送料、换挡换向、减速等。在不同的状态下，对应其液力变矩器的输出功率、扭矩也不同。故输入到超越离合器上的功率、扭矩也不同。所以试验加载的功率需要自己制定。根据双涡轮液力变矩器的二级涡轮转矩在怠速时为41.1Nm，在最高车速时为549.6Nm7，超越离合器传递的最大工作扭矩T=2328Nm22。根据以上分析，最后制定加载过程中的载荷与加载时间，时间间隔一分钟，目的是等待载荷稳定后方便记录数据。在每一加载时间段内，加载稳定后记录输入输出传感器相关数据以及测量超越离合器输入输出轴相对转角的变化。起始加载规定从500Nm开始，按照增量100Nm逐渐增加，直到加载到3000Nm，中途发生故障时，停止加载，并记录相关数据。试验记录数据表格如下：载荷(Nm)50060070080090010001100280029003000输入转矩(Nm)输入功率(kW)输出转矩(Nm)输出功率(kW)相对转角(度)表3-1 最大承载能力试验数据记录表3.3.2 疲劳试验疲劳失效一直是影响超越离合器寿命的关键因素，因此，解决超越离合器的疲劳问题，对于提高其使用寿命有着重要的意义。在实际的工作环境下，超越离合器常处于高速超越状态下或冲击过载的状况下，其工作环境的复杂性导致理论分析趋于困难。而目前通过试验方法确定其工作性能参数已普遍存在。在有限的时间内如何快速准确确定其工作性能参数已成为关键。根据相关的疲劳试验文件“拖拉机离合器台架试验方法（JB/T 6703.1-2000）中的离合器总成耐久性试验”，以及加速疲劳相关的理论文件，参考并制定有关双螺旋超越离合器性能试验中疲劳试验的有关项目，分为模拟工况下的疲劳试验和超越状态下的疲劳试验。超越离合器传递扭矩计算22：以ZL50型轮式装载机为例。柴油发动机为6135K-9A型，其：额定转速n=2200r/min 额定功率为162kW/210PS 额定转矩为Te'=9550×1622200=703Nm变矩器在“零速工况”下的变矩系数K0=4.02工作泵CBG3180、转向泵CBG208、变速泵CBG120/15变矩器泵轮输入转矩TB： TB=Te-T工-T转-T变 Te=Te'1-810%633647Nm 取Te=640Nm工作泵、转向泵按空载考虑。 取出口压力P0=0.5MPa两泵排量q=q工+q转=180+80=260mL/r并设总效率泵=0.75则有T工+T转=P0×q2×=27.6Nm变速泵的排量q变=120mL/r工作压力P变=1.11.5MPa效率按=0.75取值，则： T变=1.11.5×1202×0.75=2838.2Nm 取T变=33.4Nm故TB=640-27.6-33.4=579Nm超越离合器传递的最大工作扭矩 T=K0TB=4.02×579=2328Nm1）模拟工况下的疲劳试验：试验流程如下：图3-2 模拟工况下试验流程图a. 测试项目：螺旋式超越离合器滚珠，弹簧，双螺旋轴，螺纹副，滚道滑槽等是否失效。失效形式判断依据如下：失效形式滚珠接触疲劳磨损、冲击破碎、压溃、压扁弹簧塑性变形、疲劳断裂双螺旋轴冲击断裂、扭转变形螺纹副接触疲劳磨损、冲击破损滚道滑槽接触疲劳磨损、塑性变形、破损b. 试验条件：输入输出轴转速应按照标准里规定的加载范围内加载。c. 实验设备：超越离合器基础试验台、辅助夹具。d. 试验方法：使试样初始状态处于超越状态，起动试验台，加载试验转速使超越离合器内外圈达到试验转速，内圈与输出电机端结合转速达到1400r/min，外圈与输入电机端结合转速达到1600r/min，即达到初始超越状态下的转速。然后改变输入轴转速，使其降低。此时，超越离合器内外圈结合同步运转，保持输出轴转速不变，降低输入轴转速，并从输入轴加载转矩到规定1000Nm，缓慢加载，稳定后持续1min。然后控制输入轴转速提高到超越状态下的规定值1600r/min，离合器重新回到超越状态，完成一个循环过程。试验时，观察试验台运转情况和传感器数据的变化，如发现传动系统部分发生异常声音或振动时，应立即停车检查。按照上述循环过程，控制电机持续加载，并开始计时，使试验循环次数达到规定次数。试验总次数为30000次 ，在试验过程中做定期检查。在试验的初期安排少量的检查次数，主要是初期观察其磨合的稳定性，在试验的啮合达到一定的次数过后，检查频率加高。故检查安排在第500次、1000次、10000次、15000次、20000次、25000次、27000次、28000次、29000次、30000次。停机检查过程中，拆下试样，用肉眼检查零件有无损伤，必要时可用放大镜观察。e. 后期处理：根据加载情况和试验的统计次数等相关数据计算螺旋式超越离合器的寿命，并分析其结构缺陷。试验加载相关数据和试验记录数据表格如下：参数输入轴输出轴转速超越状态16001400结合状态14001400转向相同载荷大小载荷类型脉动载荷加载方式变频电机加载失效判定疲劳失效循环次数30000表3-2 最大承载能力试验加载数据表5001000100001500020000280002900030000滚珠弹簧双螺旋轴螺纹副滚道滑槽表3-3 最大承载能力试验数据记录表 载荷大小的确定是根据试验台允许的输入转矩值确定的，其功率输入到超越离合器时远大于超越离合器工作时的功率，目的是加速其试验疲劳过程，缩短试验时间。2）超越状态下的疲劳试验：将离合器安装在专用试验台上，接通电源，离合器在转速1 500 r/min下运行，检查滚珠、滚道的磨损情况。图3-3 超越状态下疲劳试验流程图a. 测试项目：螺旋式超越离合器滚珠、滚道的磨损失效状况。失效形式主要是滚珠破损、磨损过度，滚道破损、出现裂纹、磨损过度等，并记录滚珠滚道磨损量。磨损量的确定是由零件初始尺寸设计值与检查时的尺寸之差确定的，当磨损达到标准规定磨损量时，认为零件失效。b. 试验条件：输入输出轴转速应按照标准里规定的加载范围内加载。c. 实验设备：超越离合器基础试验台、辅助夹具。d. 试验方法： 起动试验台，控制输入电机输出电机加载，使输入输出转速控制在2000r/min，方向相反。规定输入输出轴相对回转一周为1次循环，此时超越离合器滚珠在滚道凹槽内跳动2次。当传感器显示转速数据稳定后，开始计时，控制电机加载，使试验相对循环次数达到规定次数。试验总循环圈数为108，在试验过程中做定期检查，在前期和后期多做检查安排，中期由于运转稳定，可以减少检查次数。试验检查安排在第40000次，100000次，200000次，106次，107次，5×107次，108次。试验过程中，如发现异常现象，应立即停车检查，并记录相关数据。试验结束后，停机并拆下试样，检查零件有无损伤，必要时可用放大镜观察。e. 后期处理：根据加载情况和试验的统计次数等相关数据计算螺旋式超越离合器的滚珠滚道寿命，并分析其结构缺陷。试验相关加载数据参数和试验数据记录表格如下：参数输入轴输出轴转速20002000转向相反状态超越状态加载方式变频电机加载失效判定疲劳磨损失效循环圈数108表3-4 超越疲劳试验加载数据表400001000002000001061075×107108滚珠磨损量（m）滚珠有无破损滚道磨损量（m）滚道有无破损表3-5 超越疲劳试验数据记录表3.3.3试验要求1.实验前应检查各种电机，传感器，传动零部件等是否正常，确定无误后方可进行试验。2.试验所使用的传感器属于精密仪器，试验过程中应采取保护措施，防止不必要的损坏。3.试验过程中应实时检测各种元器件的温度，防止温度过高损坏。4.试验时，应先起动电机再进行加载，严禁加载后开机。5.试验过程中如遇电机转速突然下降或停止以及出现不正常的噪声和振动时，