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离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计摘要 摘要 基于可持续发展战略思想的绿色设计与绿色制造理念，正引领机械工程领域进行 一场内涵极为丰富的技术变革。离心离合器可使电动机、内燃机等在接近于空载的条 件下顺利启动，在机械设计领域是一种绿色化的启动技术；而离心夹具在机械制造领 域，则是一种接近于零能耗的绿色夹紧技术。 离心机构的上述技术优势，尚未引起研究领域的足够重视，其应用大致局限于小 型摩托车、中小型车床等。因此，有必要对离心机构的工程应用领域进行拓展。鉴于 离心离合器与离心夹具具有很强的技术共性，因此，本论文采用整合与分类研究的方 法，开展相应研究。并针对不同应用场合，重点进行创新设计与力学分析方面的工作。 论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 综合归纳分析离心机构的基本技术特性，介绍其在离心离合器和夹具的应 用现状； ( 2 ) 对常见离心机构进行逻辑分类，构建离心离合器和离心夹具的技术体系； ( 3 ) 对离心离合器进行了重点研究，改进并创新设计了几种具有机械增力机构 的离心离合器，进行力学建模，推演出相应的力学计算公式。 ( 4 ) 对离心夹具进行了较为系统的研究，在整理归纳现有离心机构具体实例的 基础上，针对其技术性能不足之处，进行改进与创新，设计了几种具有较好工程应用 价值的新型离心夹具，并分析了其技术性能特点。 最后，对离心机构的进一步研究进行了展望。 关键词：离心机构，离心离合器，离心夹具，增力机构，绿色设计，绿色制造 作者：李全德 指导老师：钟康民 a b s t r a c t离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 a b s t r a c t t h ep h i l o s o p h yo fg r e e nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，w h i c hi sb a s e do nt h es t r a t e g yo f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，i sl e a d i n gt h ef i e l do fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gt oaw i d e r a n g i n g t e c h n o l o g i c a lc h a n g e i nt h i sf i e l d ，c e n t r i f u g a lc l u t c hi sak i n d o fg r e e ns t a r tt e c h n o l o g y , b yw h i c h e l e c t r o m o t o r ，i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ec a nb ea c t i v a t e di nt h eu n l o a d e dc o n d i t i o n a n d ， c e n t r i f u g a lf i x t u r ei sag r e e nc l a m pt e c h n o l o g yw i t he n e r g yl o s s e sn e a r l ya p p r o a c h i n g z e r o d e s p i t el o t so fa d v a n t a g e s ，c e n t r i f u g a lm e c h a n i s m sh a v e n tb e e np a i de n o u g ha t t e n t i o n i nt h er e s e a r c hc o m m u n i t y , a n da r er e s t r i c t e di ns m a l l - s i z em o t o r c y c l e s ，m e d i u ma n ds m a l l s i z e dl a t h e s ，e t c h e n c e ，i ti s n e c e s s a r yt oe m p l o yt h ea p p l i c a t i o no fc e n t r i f u g a l m e c h a n i s m s t h e r e r em a n yc o m m o ng r o u n d si nt e c h n o l o g yb e t w e e nc e n t r i f u g a lc l u t c h e s a n dc e n t r i f u g a lf i x t u r e s ，s t ) ，i nt h i st h e s i s ，t h e y r er e s e a r c h e da n da n a l y z e dt o g e t h e rw i t h i n t h em e t h o do fr e g u t a r i z a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ef o l l o w i n gi n n o v a t i o na n d d e s i g no fn e wm e c h a n i s m sf o rd i s t i n c to c c a s i o n s ，a n da n a l y s i so nt h e i rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e si st h ee m p h a s e so f a l l 砀em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa l ea sf o l l o w s ： f i r s t , t h eb a s i c t e c h n o l o g yp r o p e r t i e s o fc e n t r i f u g a lm e c h a n i s m sa r ea n a l y z e d c o m p r e h e n s i v e l y , a n di t sa p p l i c a t i o n si nc e n t r i f u g a lc l u t c h e sa n dc e n t r i f u g a lf i x t u r e sa r e i n t r o d u c e d ，t o o s e c o n d ，al o to fo r d i n a r yc e n t r i f u g a lm e c h a n i s m sa l ec l a s s i f i e dl o g i c a l l ya n dan e w t e c h n o l o g ys y s t e mi sb u i l ti nt h e i ra p p l i c a t i o no fc e n t r i f u g a lc l u t c ha n dc e n t r i f u g a lf i x t u r e 1 1 1 et 1 1 i r di st h em o s ti m p o r t a n tp a r t , t h e r e ，s e v e r a lt y p e so fc e n t r i f u g a lc l u t c h e sw i t h f o r c e - a m p l i f y i n gm e c h a n i s m sa r ei m p r o v e da n di n n o v a t e d ，a n dt h e i rm e c h a n i c a lm o d e l s a r eb u i l t , f o r m u l a ea r ef o l l o w e d i nt h ef o u r t hp a r t ，c e n t r i f u g a lf i x t u r e sa r er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y o nt h eb a s i so f a r r a n g e m e n ta n ds u m m a r y , s o m en e wv a l u a b l ec e n t r i f u g a lf i x t u r e si nt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o na l ed e s i g n e dt of i l lu pt h ed e f i c i e n c i e si nt e c h n o l o g y , a n dt h e i rp r o p e r t i e sa r e a n a l y z e da sw e l l a tl a s t ，t h ep e r s p e c t i v ef u t u r eo fr e s e a r c ho nc e n t r i f u g a lm e c h a n i s m si sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lm e c h a n i s m ，c e n t r i f u g a lc l u t c h , c e n t r i f u g a l f i x t u r e ， f o r c e a m p l i f y i n gm e c h a n i s m ，g r e e nd e s i g n ，g r e e nm a n u f a c t u r i n g h w r i t t e n b y l iq u a n d e s u p e r v i s e db yz h o n gk a n g m i n 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 符号列表 符号列表 离心离合器部分 重块的输出力( n ) 增力重块的离心力( n ) 输出重块的离心力( n ) 理论输出力( n ) 实际输出力( n ) 弹簧最大工作载荷( n ) 主动件的角速度( r a d s ) 结合角速度( r a d s ) 接合转速( r r a i n ) 离心离合器的实际输出转矩( n m ) 离心离合器的额定转矩( n m ) 增力重块的质量( k g ) 输出重块的质量( k g ) 增力重块的质心至主动件回转中心的距离( m ) 增力重块的质心至主动件回转中心的距离( m ) 铰杆长度( m ) 从动件内径( m ) 理论压力角( r a d 或o ) 当量摩擦角( r a d 或o ) l i ! f 瓦 屹 e e 彩 哆 瓦 。 - 吃 w 。 咖 钆 符号列表离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 仍，仍，仍 对应于口，厂的铰杆副的铰接处的当量摩擦角( r a d 或。) f输出重块外圆弧面与从动件内壁之间的摩擦因数 离心夹具部分 一只拔爪的作用力( n ) 弹簧作用力( n ) 离心重块( 与加堵块) 的质量( 蚝) 柱塞( 或卡爪) 的质量( k g ) 离心重块( 或加堵块) 的质心至夹具回转中心的距离( m ) 柱塞( 或卡爪) 的质心至夹具回转中心的距离( m ) 杠杆动力臂长度( m ) 杠杆阻力臂长度( m ) 柱塞( 或拉杆大端) 直径( m ) 拨爪( 或拉杆中部) 直径( m ) 工件外径( m ) 拨爪刃口中点至夹具回转中心的距离( m ) 车床主轴的运转角速度( t a d s ) 车床主轴的转速( r r a i n ) 理论压力角( 或弹性夹头圆锥角之半) ( r a d 或。) 弹性夹头锥面与夹具体锥孔之间的摩擦角( r a d 或o ) 驱动能力系数 拔爪( 或卡爪 只数 卡爪与工件外圆表面之间的摩擦因数 输出重块外圆弧面与工件内壁之间的摩擦因数 f 只 1 吃 厶 厶 吐 畋 d r 缈 行 口 缈 c z 厂 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果d 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：垂垒盗日期：2 型 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：删、箩哆 期：秒岁、矽 箍 名名獬潞魁罐碰师 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 第一章绪论 1 1 离心机构概述 第一章绪论 当物体作圆周运动时，便会产生离心力。利用离心力进行作用的机构即为离心机 构。由于离心力能伴随着离心重块的旋转而产生，而旋转运动在各种机械中几乎是无 处不在的，所以离心机构是机构学的一个具有特殊意义的分支【l 】目前，离心机构的 主要应用领域，是离心离合器、离心制动器和离心夹具等【2 】。 合理、巧妙地利用离心机构，往往能起到简化机械结构、降低工人劳动强度等作 用。例如，在车床上使用离心夹具，往往能够减少一套液压或者气压装置，同时也降 低了工人的劳动强度；离心离合器结构简单，而且不需要电气或液压等操控装置【3 】。 近年来，基于可持续发展战略思想的绿色设计与绿色制造浪潮，正在强势兴起，而离 心机构恰好具备这方面的优势。例如，离心离合器可使电动机、内燃机等在接近于空 载的条件下顺利启动，在机械设计领域是一种绿色化的启动技术；而离心夹具在机械 制造领域，则是一种接近于零能耗的绿色夹紧技术。 离心离合器和离心夹具作为离心机构的两个重要分支，是本课题的研究重点。 1 1 1 离心离合器概述 离心离合器是一种摩擦离合器，其基本结构由三个组件组成：主动件、离心体和 从动件。它靠主动件的旋转使离心体产生离心惯性力，通过离心体与从动件的摩擦传 递扭矩，并实现自动结合与分离。 离心离合器的结构形式较多，根据离心体组件形状可分为两大类，即刚性闸块离 心体和钢珠等散状物的离心体。所谓刚性闸块是指离心体在离心力场中保持它原来的 形状，离心力只存在于接触体的公法线，而散状物的离心体在离心力场中的自由表面 随着离心力的变化而变化，它具有流体的某些特性【2 】。刚性闸块离心体有自由闸块和 弹簧闸块等形式，以散状物体作为离心体的有钢珠和钢柱等形式。自由闸块离心离合 第一章绪论离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 器在起动时闸块便开始和壳体边打滑边接触，这个接合过程要造成摩擦发热，一般在 其额定转速的7 0 一8 0 ，开始完全接合，传递扭矩。这种离合器的接合平稳性稍 差，但结构简单，闸块重量较轻，因此应用较多。弹簧闸块离心离合器，是以离心力 和弹簧二者自动控制的摩擦式离合器。常用的大多为常开式离合器，也可制成常闭式 离合器( 制动器) 。前者在离心力作用下接合，后者则与其相反。这种离合器接合平稳， 结构上可布置成有周向弹簧、径向弹簧、片簧、橡胶弹簧等不同形式。 这种靠主动件的转速而实现主动件与从动件自动接合或断开的离心离合器，形成 了它固有的一些特点： ( 1 ) 超载保护作用。它靠离心力加压、摩擦力传递扭矩，当负载大于额定扭矩 的负荷时，离心体就与从动件打滑，动力传递中断，可以有效地保护操作者和机器安 全，所以它也具有安全离合器的功能。当负载转矩下降至i j 小于极限摩擦力转矩时，主 动件和离心体与从动件又自动恢复结合。 ( 2 ) 启动平稳。使用离心离合器时，其离心力是随转速的增加而逐渐增加，这 就相当于将负荷逐渐地加到原动机上，因而可以直接启动工作机械，而获得平稳启动 的效果。若用于电动机启动，能非常有效地降低机床主电机带载启动所造成的冲击电 流的滞留时间，可以显著地减小启动电流，从而减轻电动机发热【4 】。 ( 3 ) 无需专门的操纵机构。离心离合器的工作过程是常开式的，它改变原始接 合状态的操纵力是来自其内部，因而无需专门的操纵机构。 ( 4 ) 结构简单、尺寸紧凑。离心离合器，由于其工作特性，决定其整体结构通 常都比较紧凑。 离心离合器也具有一些明显缺点： ( 1 ) 离心离合器在启动结合阶段及超载过程中伴有摩擦发热和摩擦副的磨损， 并消耗部分能量，所以，它不宜用于频繁启动和启动过程太长的场合。 ( 2 ) 由于离心力正比于转速的平方，而输出功率则要随工作转速的立方而变化， 因此不宜在变速传动系统中使用。 ( 3 ) 传递同样的转矩和功率，转速越低时，所需离合器的尺寸和质量越大，因 此，离合器不宜于转速过低的场合。 离心离合器由于其过载保护和平稳启动性能，而被广泛地应用于电动机、内燃 2 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计第一章绪论 机、风力灭火机和汽车、摩托车等机动车上。 1 1 2 离心夹具概述 利用高速回转的离心重块所产生离心力来夹紧工件的机构，称为离心夹紧机构， 也称离心力夹具，其离心力的大小与重块的质量、质心及回转角速度有关。 离心夹具的主要优点是： ( 1 ) 接近于零能耗，不需要另外附设传动力源； ( 2 ) 装夹方便快捷，可以缩短装夹时间、减少工人劳动强度、提高生产效率。 其缺点主要有： ( 1 ) 离心夹具产生的夹紧力，随着主轴转速的不同而变化，因而夹紧力不稳定， 应用时受转速的限制； ( 2 ) 有的夹具危险性较高，使用时应引起重视，合理防范。 离心夹具受机床极限转速的限制，现阶段更多地用于高速普通机床或数控机床 上【5 1 。但随着金属切削加工高速化的浪潮，离心夹具迎来了快速发展的时期，在取代 传统的机床夹具方面正发挥愈来愈积极的作用。 1 2 国内外离心机构的研究现状 长久以来，国内外对于离心机构缺乏足够的重视，从目前我们所掌握的现有资源 来看，并没有对离心机构形成系统化、专业化的研究分析和归纳整理，也没有建立相 关的技术体系。 具体到本课题所涉及的离心离合器和离心夹具，我们对这两种典型的离心机构进 行了细致的探讨。 1 2 1 离心离合器的发展现状 近年来，国内的学者开始逐渐关注离心离合器的结构设计，相继出现了一些新的 第一章绪论离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 设计思想和方案。 1 9 9 3 年，柳州机械厂的蔡再喜采用曲线轮廓演变得到一种曲形导向槽离合器机 构。该机构调整了曲形槽的轮廓曲率半径及曲率中心位置，具有较小的结构、体积和 重量【6 】。 9 0 年代中期，钟康民、郭培全等人在山东省自然科学基金资助课题“高倍增力 离心机构 的研究过程中，创造性地提出了将离心机构中的离心重块，依照功能分为 输出重块和增力重块，并在两者问设置增力机构的设计思想，对利用斜楔与铰杆的离 心机构进行了初步研究，设计了楔式和铰杆式高倍增力机构7 1 。 接着，钟康民等人对重块的形状和复位弹簧的设置进行了改进，又设计了两种正 交增力离心离合器【引。 1 9 9 9 年，董国震设计了一种铰杆增力式的拉簧式离心离合器【9 】。 2 0 0 3 ，年，湖南工程学院的谭立新、宁立伟等人设计了电控液磁增力离心离合器 【l o ，l l 】 o 而后，湘潭大学的梁以德发明了一种楔形面接触的重载离心摩擦离合器【1 2 1 。 2 0 0 6 年，苏州大学的王明娣、钟康民等人设计了铰杆式二次正交增力离心离合 器 1 3 l 。 1 2 2 离心夹具的发展现状 在我国，由于大量普通机床的极限转速较低，严重制约了离心夹具的发展，在生 产实践中的普及率仍然很低。 7 0 年代末，沈阳第一机床厂即以设计并制造了离心式卡盘，用于普通车床上直 径在1 0 m m 5 0 m m 之间的零件的粗加工，取得了不错的应用效果【1 4 1 。 二十世纪八十年代以后，为了平衡或抵消卡爪离心力对其动态夹紧力的影响，工 程界研究出了多种采用反卡爪离心力重块的卡盘【”1 。 1 9 8 5 年，宜昌大学的周远俊以柴油机气门摇臂为例，把离心自动夹紧装置扩大 应用于异形零件的车削加工【l6 1 。 进入9 0 年代，北京航空航天大学的刘光明、单鹏等人使用小型离心式卡盘，用 4 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计第一章绪论 于切削力不大的大量车削切断作业【1 7 1 。 1 9 9 4 年，王德云、钟康民等人设计了新型的离心端面拨动顶尖，初步地解决了 尾座力顶紧式端面顶尖所存在的因不易控制尾座力大小而造成实际切削用量选取较 为盲目的问题 3 1 。钟康民等人对尾座项紧式车床夹具和离心力驱动式车床夹具进行了 一定研究【1 8 ，1 9 1 。 2 0 0 1 年，钟康民、王红岩又将增力机构应用到离心式夹具之中，设计了正交增 力离心式内孔夹具，可有效地用于以内孔定位的较大直径工件捌。 清华大学的冯平法和t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo f b e r l i n 的u h l m a n ne 等人对离心式补 偿卡盘及其夹紧特性作了进一步的分析【2 l 】。 1 3 本课题研究的意义和主要内容 1 3 1 意义 改革开放以来，我国的经济欣欣向荣，工业蒸蒸日上，作为国家支柱产业的制造 业迅猛发展，市场急剧膨胀，技术日新月异。当前的“十一五一规划对制造业寄予了 更高的期望，对制造业技术也提出了更高的要求。随着技术的革新与进步，离心机构 更为广泛地渗透到各行各业，发挥其巨大的作用，同时，对离心机构的要求，也变得 越来越高。但离心机构在现代机械中应用的广度和深度远未达到研究及工程界人士所 期望的水平。究其原因，我们认为，主要在于传统的离心机构所产生的离心力很难满 足以较大的增力比实现输出的需求。这一缺点对于运动速度较低的机械无疑是致命 的。比如，在离心机构比较典型的应用领域离心离合器中，现有的离心离合器已不能 满足某些特殊场合( 如低速、大转矩) 的要求。解决这种矛盾有很多方法，但最好的 途径就是在离心离合器内部增加增力机构以提高它的输出转矩。此外，对于已应用于 工程实际的许多离心机构来说，其体积与结构重量等方面技术指标的提高亦受到了极 大制约。因此，创新出能实现离心力高倍增力输出的离心机构，是一些研究及工程界 人士长期以来谋求解决的一个特殊课题。 离心夹具是离心机构的又一个典型应用。然而目前离心夹具在生产实践中的普及 第一章绪论离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 率仍然很低，这一方面是因为对离心夹具的不够重视，研究开发的力度不够，另一方 面则是受机床等客观条件的制约，特别是在我国，由于大量普通机床的极限转速较低， 严重限制了离心夹具的发展。近一段时期以来，伴随着刀具材料的飞速发展，以及高 转速机床( 如数控机床) 的保有量不断增加【2 2 1 ，使得机械加工切削速度得到了较快提 高，这就对传统机床的夹具带来了严峻挑战，因为在较大离心力的作用下，某些传统 夹具夹紧机构的夹紧功能将显著降低，甚至完全丧失夹紧能力。由此，如何行之有效 地利用好离心力，研究开发出新型的离心夹具，以适应当今机床的技术潮流和发展趋 势，也成为夹具设计人员所关注的一个焦点。 另外，由于目前对离心机构的专门化研究稍显不足，缺乏对离心机构的系统把握， 离心机构作为一个独立的分支，尚未形成完整的知识结构体系。所以，我们尝试以离心 离合器和离心夹具为重点研究对象，对现已存在的离心机构进行整理分析，使离心机构 专门化、系统化，初步构建离心机构的技术体系，相信对实践会产生一定的指导意义。 1 3 2 主要内容 本项课题以离心机构的两个重要分支离心离合器和离心夹具为研究对象，以 离心力的运用作为贯穿全文的主线，深入细致地分析了大量机构的结构特点和工作特 性，在此基础上初步创建了离心机构的技术体系，并且提供了若干个具有典型示范意 义的技术创新案例。一 具体内容主要包括： ( 1 ) 综合归纳分析离心机构的基本技术特性，介绍其在离心离合器和夹具的应 用现状； ( 2 ) 对常见离心机构进行逻辑分类，构建离心离合器和离心夹具的技术体系； ( 3 ) 对离心离合器进行了重点研究，改进并创新设计了几种具有机械增力机构 的离心离合器，进行力学建模，推演出相应的力学计算公式。 ( 4 ) 对离心夹具进行了较为系统的研究，在整理归纳现有离心机构具体实例的 基础上，针对其技术性能不足之处，进行改进与创新，设计了几种具有较好工程应用 价值的新型离心夹具，并分析了其技术性能特点。 最后，对离心机构的进一步研究进行了展望。 6 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计第二章离心机构技术体系的构建 第二章离心机构的技术体系构建 本章介绍了以离心离合器和离心夹具为代表的离心机构的分类方法，简明叙述了 构成离心机构体系结构的各类技术，并据此初步构建了离心机构的技术体系，分别给 出了离心离合器和离心夹具的框架图。 2 1 离心机构的分类说明 离心机构的应用范围非常广泛，例如离心制动器、离心离合器、离心夹具等。而 在此，本课题的研究重点为离心机构在离合器和夹具上的应用，即离心离合器和离心 夹具。 需要说明的有以下几点： ( 1 ) 通常情况下分类方法有很多种，由于本课题所关注的核心为作为输出力来 源的离心力，所以我们分类的基本出发点在于离心力或者其输出力的作用方式及作用 位置，这使得本文对离心机构的分类方法不同于以往的方法。 ( 2 ) 本课题的研究主要分为两大部分，离心离合器和离心夹具。基于以上原因， 本课题对离心离合器的研究对象主要为刚体闸块离心离合器，对离心夹具的研究对象 为转速较高的车床( 普通型、数控型均可) 上以轴类及盘套类零件为加工对象的离心 夹具。 ( 3 ) 对机构的力学性能的研究，长久以来都是我们的重要课题，高倍增力离心 机构即是我们研究的一个重点。因而在对离心离合器和离心夹具的研究中，系统的增 力系数是研究的交集。 2 1 1 离，心离合器的分类 离心离合器的分类方法众多，根据离心体的样式可分为刚性闸块式离心离合器 和散装物式( 如钢珠、钢柱等) 离合器两种。按照工作方式的不同，又可分为自动 7 第二章离心机构技术体系的构建离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 结合式离心离合器和自动分离式离心离合器【2 1 。本题所关注的研究对象主要为刚性 闸块式自动结合离心离合器，其分类方法如下： 首先，根据主动件与从动件结合方式的不同，可分为轴向结合式离心离合器和 径向结合式离心离合器。 径向结合式离心离合器 径向结合离心离合器的特点是离心体与从动件周向内壁接触，其作用力与离心 力一样，均沿径向作用，通过摩擦而得的转矩带动从动件工作。 轴向结合式离心离合器 相对来说，轴向作用的离心离合器应用较少，它主要是通过一些内部机构( 如 铰杆) 将离心产生的作用力轴向输出，再通过摩擦力输出转矩。 目前，径向作用的离心离合器应用更为普遍，本文也对其进行了更多的探讨和 研究。 按照增力机构的有无，离心离合器又可分为普通型离心离合器和增力型离心离 合器。本文着重于高倍增力型离心离合器的研究，将正交增力机构应用于离心机构 其中。由此。，根据增力方式和增力级数的不同，又可以把增力型离心离合器分为一 次增力型离心离合器、二次增力型离心离合器、三次增力型离心离合器等多种。 2 1 2 离心夹具的分类 作为离心机构的另一个重要应用，离心夹具主要应用于具有较高转速的车床 上，这既包括转速较高的普通型车床，也包括普遍转速较高的数控车床。车床是以 轴类零件及盘套类零件为主要加工对象的，以此类零件为目标，离心夹具在工作时， 作用在加工对象的夹紧位置，通常为端面、外圆以及内孔三个位置。由此，按照作 用方位的不同，离心夹具也相应地分为三种，分别为：作用于端面的离心式端面驱 动夹具、作用于外圆的离心式外圆夹具和作用于内孔的离心内孔式夹具。 离心端面驱动夹具 端面驱动夹具是近年来发展起来的新技术，用来代替传统的卡盘类或鸡心夹 头类夹具装夹轴类零件，被称为端面驱动顶尖( f a c ed r i v e r ) 1 1 9 】。离心端面驱动 8 离心离含器和离心夹具技术体系构建与创新设计第二章离心机构技术体系的构建 顶尖是以离心力为夹紧力来源的端面驱动顶尖，它用轴类零件两端的中心孔进行 定位，依靠拨爪拨动工件端面来传递切削加工时所需运动及动力，能在一次装夹 条件下完成轴类零件全部外圆表面的加工【2 3 1 。它的夹紧力作用在零件的轴向，这 就需要把离心力自然产生时的径向力，转变为夹紧力驱动的轴向力，由此，可分 别采用浮动支点杠杆、钢球、斜楔等机构，制成分别各种不同的离心式端面驱动 顶尖。 离心式外圆夹具 装夹零件外圆的离心式夹具，主要特点为沿径向由外围向中心施加夹紧力， 最典型的夹具类型就是用于装夹轴类零件外圆的离心式卡盘。同时，考虑到弹性 夹具的特点，用于装夹盘套类零件外圆的离心式弹性夹头也是一支重要的分支。 离心式内孔夹具 离心式内孔夹具与离心式外圆夹具有相通之处，但其夹紧力方向恰好相逆。 其中，在离心力作用下直接夹紧工件外圆的离心式夹具，简单方便，却往往被忽 视。离心式弹性胀套是一种弹性夹具，可用于盘套类零件内孔的装夹。并且，出 于离心机构的统一性考虑，将离心离合器提到的增力机构，用于较大内孔工件的 夹具设计之中，可得到另一种重要的正交增力离心式内孔夹具。 2 2 离心机构技术体系的初步构建 基于以上分类方法和技术介绍，我们构建了以离心离合器和离心夹具为核心的 离心机构的技术体系，如图2 1 、2 2 所示。 9 第二章离心机构技术体系的构建 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 图2 - i 离心离合器的技术体系理论框图 l o 离，t l , 离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计第二章离心机构技术体系的构建 离 心 夹 具 本章小结 离心式 端面驱 动顶尖 离心式 外圆夹具 离心式 内孔夹具 杠杆增力式 离心端面驱动顶尖 钢球增力式 离心端面驱动顶尖 斜楔增力式 离心端面驱动顶尖 铰杆增力式 离心端面驱动顶尖 其它方式 离心端面驱动顶尖 离心式外圆卡盘 离心式弹性夹头 其它离- l i , 式外圆夹具 直接夹紧离心式内孔夹具 离心式弹性胀套 正交增力离心式内孔夹具 其它离心式内孔夹具 图9 - 2 离心夹具的技术体系理论框图 在离心机构技术体系的构建中，我们围绕离一l i , 力及其输出力的作用方式和作用 位置、增力方式和增力级数，对离一t l , 机构进行了分类，分别建立了离心离合器和离一l i , 夹具的技术体系理论框图。 。 第三章离心离合器的研究与创新设计 离心离含器和离心夹具技术体系构建与创新设计 第三章离心离合器的研究分析与创新设计 本章阐述了离心离合器的设计要点和研究方向，介绍了各种型式的离心离合器， 对其工作特性进行了详细的分析，并创新设计了一些高倍增力的离心离合器。 3 1 离心离合器技术背景概述 3 1 1 常见型式离合器的特性分析 图3 1 6 , 2 4 为两种常见型式的离心离合器。它们的基本结构都是由三个元件组成： 即主动件、离心体( 一般为离心重块) 和从动件。离心体滑装在主动件上，由发动机 驱动主动件旋转加速，而将其径向甩出。从动件是鼓形圆筒状零件，与主动件同心装 配。当主动件达到一定角速度( 我们称之为结合角速度) 时，甩出的离心体与从动件 内壁压紧，由摩擦力强制其进入运动状态而传送扭矩。离合器的从动件可以直接或通 过皮带轮等机构与负载连接。 从动件 主动件 离心体 图3 1 常见型式的离心离合器 可以看出，这类常见型式离合器都是直接作用式的，它的离心体就是力输出元件， 与从动件直接接触口一。离心体产生的离心力与从动件内壁摩擦，通过摩擦力来传递 转矩。 1 2 离心离合 和离心夹具技术体系构建与创新设计第三章离心离合器的研究与创新设计 3 1 2 离合器的设计要点和注意事项 一般来说，离心离合器的离心重块有两到五个不等，周向均在离心离合器内部， 离心离合器传递的转矩为全部离心重块传递的转矩之和。离心离合器理想的工作状态 是：当主动件的角速度功达到规定的接合角速度国；时，全部离心重块应同时以最大 接合面积进人工作状态，以尽量增大离心重块与从动件间的摩擦因数。此时并不能立 即驱动从动件同步运转，而是有一个二者之间相互打滑的短暂过程。当主动件的角速 度功增大并达到使实际输出力产生的摩擦转矩五，足以克服从动件的阻力矩乏时， 从动件与主动件同向同步运转。当主动件角速度国降至结合角速度缈：以下时，全部 离心重块在复位弹簧作用下迅速与从动件分离。 根据上述要求，离心离合器的设计一般都是以可传递主动件的额定转矩t 为依据 的。为便于问题讨论，特将离心离合器传递的转矩曲线( 全部离心重块可传递的转矩) 与主动件的外特性转矩曲线绘制在同一坐标图内，如图3 - 2 所示。两曲线有一交点， 对应的主动件角速度为饥。根据图3 2 我们将主动件的转矩t 、离心离合器传递的转 矩t l 和载荷产生的阻力矩乃三者对离心离合器性能的影响做一分析。 o q矾 万 图3 2 离心离合器工况分析图 当主动件角速度缈低于结合角速度q 时，尽管主动件有转矩输出能力，但由于离 第三章离心离合器的研究与创新设计离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 心离合器处于分离状态而不能承受阻力矩，当主动件角速度逐渐增至矾时，离心离 合器传递转矩随之变化，由零增大到主动件该角速度下的转矩。在功；万。角速度区 间，若阻力矩砭 五，则离心离合器打滑；若乏瓦，离心离合器虽不打滑，但由于 此时乃 纨 时。无论阻力矩多大离心离合器均不打滑，但当7 z 疋时主动件角速度必然下降， 直至饥而产生打滑j 故此范围仍属不稳定工作区。当缈 饥且乙瓦时，离心离合 器既不打滑，主动件又可处于稳定工作状态。因在此区域内主动件转矩和阻力矩必然 在某一角速度下达到平衡，故称此区域为离心离合器的理想工作区【2 5 】。 根据上述分析，离心离合器在结合角速度和打滑角速度区间工作最为不利，此 时离合器不是处于打滑状态就是不稳定工作状态，故应尽量减小结合角速度和打滑角 速度，使主动件在较大的角速度范围内正常工作。如何在满足输出转矩的条件下，尽 量减小理性工作状态下的角速度，又与目前工程上常遇到的在低速情况下得到高的转 矩输出能力颇为相似，因此，必须从离心离合器的设计方面进行解决。 由输出转矩的基本公式可知，要获得大的转矩，主要有以下方法： ( 1 ) 增大离心重块的质量； ( 2 ) 增大离心重块质, b n 离合器回转中心的距离尺寸； ( 3 ) 提高主动件的角速度； ( 4 ) 增大离心重块与从动件内壁的摩擦因数。 为满足工程上常见的低速情况下需要输出大转矩的场合，人们不得不从以上途径 寻求方法。毫无疑问，在几乎所有情况下，提升角速度是最有效的方法，但是角速度 是由机器的工作要求决定的，很难随意提高，而且由以上分析可知，应当尽量减小结 合角速度，以使从动件工作更加稳定；依靠加大离心重块的体积以增大质量或者增大 离心重块质一b 与机构回转中心的距离尺寸，都必将使整个机构的尺寸大大增加，显得 臃肿；若采用向离合器内部嵌入高密度材料，借以增加其重量的方式，又因为较为实 用的嵌入材料( 如铅) 的密度与钢铁相差不大而收效甚微；倘若选用摩擦因数较高但 1 4 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计第三章离心离合器的研究与创新设计 磨损却很快的摩擦材料，又将会使其使用寿命大打折扣。因此，常见型式的离心离合 器在空间尺寸受限制的场合难以找到用武之地，用于大功率电机更显得力不从心，难 以适应当今社会对它的要求 2 6 1 。 在此背景下，参考文献 7 创造性地提出了将离心重块分为增力重块和离心重块 两个部分的思想，能在保证结构紧凑的前提下，将离心重块产生的离心力，通过增力 机构放大后再进行输出，这无疑能显著地提升了离合器的技术指标，并扩大了其应用 范围。 基于此，我们采用增力机构设计了多种型式的离心离合，并在此基础上，将二次 增力机构，以至三次增力机构，运用到离心离合器中，设计了一系列的高倍增力离心 离合器。以下介绍的即是几种采用增力机构的离心离合器。 3 2 一次增力型离心离合器 正交增力机构，是指输入力与输出力方向相垂直、通过改变压力角或升角来得到 不同增力系数的增力机构2 7 1 。铰杆增力机构和斜楔增力机构是常用的比较典型的正交 增力机构。 3 2 1 铰杆式一次增力离心离合器 工作原理 铰杆式一次增力离心离合器【8 】的工作原理见图3 - 3 。由图中可见，该离合器具有 功能不同的两类重块一输出重块和增力重块，二者之间通过斜置铰杆进行联接；输 出重块和增力重块的周向位置及运动方向，由固定在主动件上的导向销确定。主动件 驱动从动件正常工作时，输出重块的外圆弧面与从动件内壁保持接触，而增力重块与 从动件内壁始终是不接触的。 当主动件旋转时，增力重块和输出重块便分别产生离心力f o 。、f c 2 。在离心力的 作用下，增力重块和输出重块有沿各自的离心方向向外运动的趋势。当主动件的角速 度缈较低、拉力弹簧因受力产生的变形还未达至i 一定值时，输出重块的外圆弧 第三章离心离合器的研究与创新设计离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计 从动件 输出重块 主动件 铰杆 增力重块 拉力弹簧 导向销 图3 - 3 铰杆式一次增力离心离合器 面与从动件的内壁是不接触的，故此时从动件将保持静止状态；当主动件的角速度缈 达到一定值时，输出重块的外圆弧面与从动件内壁开始接触，此时拉力弹簧的变形量 也达到最大值；我们将此时主动件的角速度称为接合角速度【2 引，记为缈；此时弹簧 所受的拉力即为最大工作载荷，记为只。当主动件的角速度超过接合角速度t o ；后， 输出重块的外圆弧面与从动件内壁将一直保持接触，并对从动件施加作用力晶，该作 用力f o 由以下二部分组成：( 1 ) 输出重块自身产生的离心力f 0 2 与弹簧作用力只的合 力；( 2 ) 增力重块产生的离心力e ，经斜置铰杆增力后，作用在输出重块运动方向即 e ，方向上的分力。 主动件的角速度国国i 后，输出重块的外圆弧面与从动件内壁虽然保持接触，但 却不能立即驱动从动件同向同步运转，而是有一个二者之间相互打滑的短暂过程；直 到主动件的角速度缈提高到使实际输出力所产生的摩擦转矩，足以克服从动件所驱动 的负载时，从动件才与主动件同向同步旋转。 需要注意的是，为每个输出重块导向的导向销数量是2 只，而为每个增力重块导 向的导向销数量是1 只。其原因在于，如果为每个增力重块导向的导向销数量也是2 只，则由于加工及装配误差等原因，将无法保证两个输出重块对从动件内壁施加相等 的作用力，甚至无法保证两个输出重块都能与从动件内壁接触。 1 6 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计第三章离心离含器的研究与创新设计 3 2 2 斜楔式一次增力离心离合器 斜楔式一次增力离心离合器【8 j 的- r - 作原理见图3 4 。该离合器与铰杆式增力离心 离合器的结构相似，也具有功能不同的两类重块一输出重块和增力重块，二者之间 通过斜楔机构进行力的传递。这种离合器在输出重块上设置了滚轮，与增力重块的斜 面相接触，由滚动摩擦代替了滑动摩擦，减少了摩擦损失。 从动件 输出重块 主动件 销 滚轮 拉力弹簧 增力重块 导向销 图3 - 4 斜楔式一次增力离心离合器 开始工作时，增力重块伴随主动件旋转产生的离心力疋。，经斜楔增力后，作用 在输出重块运动方向即尼方向上，客服弹簧的拉力与从动件内壁接触，再靠摩擦力 输出转矩，带动从动件同向同步旋转。工作结束时，离心重块在弹簧拉力作用下，由 滚轮迫使增力重块向中心靠拢，完成复位。 3 2 3 圆柱式一次增力离心离合器 正交增力机构既包括常见的斜楔增力机构与铰杆增力机构，同时也涵盖基于同一 原理的其它增力机构。 图3 5 所示即为基于圆柱正交增力机构增力的离心离合器的工作原理图。这种圆 柱增力离心离合器，也是采用角度效应进行增力，其基本原理与铰杆机构和斜楔机构 相仿。 第三章离心离台器的研究与创新设计离心离合器和离心夹具技术体系构矬与创新设计 图3 5圆柱式一次增力离心离合器 设计计算 此上这三种离心离合器，尽管分别采用了铰杆、斜楔、圆柱机构，但三者均为 基于角度效应的一次增力机构，因此，进行设计计算时，我们将其归类到一起进行分 析研究。 ( 1 ) 输出力与输出转矩的计算 此三种一次正交机构增力离心离合器中，当主动件以角速度旋转时，每个增力 重块产生的离心力c 。= m ， 国2 ，每个输出重块产生的离心力尼= m ：厂2 国2 。而每个输 出重块的输出力只则以主动件的接合角速度q 为界，分为两个阶段： 当0 彩q 时，f = 0 ； 当缈( - 0 j 时，每个输出重块的理论输出力只( 不计铰接处的摩擦损失) 和实际输 出力的计算公式为： 互：m 2 吃国：一互+ 掣芝( 3 - 1 ) t a n 口 = 掰：吃缈2 一只4 焉( 3 - 2 ) 式中， m l 、鸭一增力重块、输出重块的质量( k g ) ； 离心离合器和离心夹具技术体系构建与创新设计第三章离心离合器的研究与创新设计 、吒一增力重块、输出重块的质心至主动件回转中心的距离( m ) ； 口一理论压力角( 如图3 - 3 、3 - 4 、3 5 所示) ； 仇一摩擦副之间当量摩擦角。 对于铰杆式离心离合器，口是铰杆的二铰支中心的连线与输出重块的运动方向之 间所夹的锐角，仇= a r c s i n 竽( 。为铰杆两铰支处的摩擦因数，d 为铰链孔或轴的 直径，为铰杆上两铰链孔的中心距) ；对于斜楔式离心离合器，口是增力重块上斜面 的法面与输出重块运动方向间所夹的锐角，仇= a r c t a n 华( ：为滚轮与转轴间的摩 口 擦因数，盔为滚轮内孔直径，畋为滚轮外径) ；对于圆柱式离心离合器，口是两圆柱