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ZL40、ZL50系列轮式装载机上广泛使用的超越离合器，配合导轮固定的双涡轮液压液力变矩器，显著提高了变矩器在小传动比范围的变矩系数和效率，而且展宽了高效率区域，对于提高传动效率和改善装载机牵引性能起着非常重要的作用。但是超越离合器的作用寿命长，一般仅有1-2年，甚至只有几个月的时间。超越离合器寿命短的原因在于其磨擦副间的接触强度不足。下面根据《机械设计手册》推荐的方法以及利用弹性力学的基本公式进行两种强度计算来说明这一问题。
1 《机械设计手册》推荐的强度计算方法
1.1变矩器泵轮输入转矩TB
TB=Te-T工-T转-T变 （N m） （1）
式中，Te为发动机有效输出转矩，它等于发动机发出的转矩T'e减去发动机全部辅件（如风扇、发电机、空压机……）消耗的转矩T辅，即Te=T'e-T辅；T工为工作泵消耗的转矩；T转为转向泵消耗的转矩；T变为变速器消耗的转矩。
1.2 超越离合器所传递的转矩T
当装载机起、制动和作业时，常出现“零速工况”，此时超越离合器传递的转矩T可用下式计算：T=K0TBZ2/Z1 （2）
式中，K0为I=0时变矩器的变矩系数；Z1为一级输入齿轮的齿数；Z2为Tc=K3(K1+K2)T (N?m) (3)
式中 K1为与原动机有关的动载系数，发动机为6缸内燃机，K1=0.4；K2为与工作类型有关的动载系数，对于轮式装载机可取K2=2.00;K3为精度系数，对于平面星轮K3=1.10-1.50。故有Tc=（2.64-3.60）T （3'）
1.4接触强度计算
对于星轮、滚柱和外环齿轮均为同材质制成的内星轮滚柱式超越离合器，当星轮工作面为平面时，在滚柱与两面接触处的强度取决于最大切应力条件，可按下式计算：
τ≤[ τ] （4）
式中 E为材料的弹性模量，可取E=206000N/mmα为滚柱楔角（o）。
2 按弹性力学中的Herz公式的计算方法
2.1超越高合器磨擦副间的正压力Fn
因为“零速工况”下超越离合器的滚信处于静力平衡状态，所以滚柱与外环齿轮滚道之间的正压力。当离合顺传递1.3中式（3）所算得的计算转矩Tc时，磨擦副间正压力
Fn=Tc/Zrtan(α/2） ×103(N) (5)
式中各参数意义同前。
2.2磨擦副间的最大接触应力σH
流柱与平面型内星轮以及滚柱外环齿轮之间初始接触为线接触，受力以后呈窄带形接触面。最大接触应力 σH发生在窄带中线各点上。根据Hertz公式有
σH =sqrt(1/(π ((1-μ 2)E1+（1-μ 2）/E))?Fn/l(1/ρ1±1/ρ2) ) (6)
式中 E1、E2为滚柱和内星轮或外环齿轮材料的弹性模量。可取E1=E2=206000N/mm2；μ 1、μ 2为滚柱和内星轮或外环齿轮材料的泊松比，可取μ 1=μ 2=0.3；ρ1为滚柱半径，即ρ1=r(mm);ρ2为内星轮工作面或外环齿滚道的曲率半径，对于平面型内星轮ρ2=∞，对于外环齿轮，ρ2=R(mm)（即外环滚道半径）； “+”号用于外接触，“-”号用于内接触。
（5）、（6）联立并代入有关数据经整理可得滚柱与内星轮间接触应力
σH=1820*sqrt(Tc/RrlZtan(α/2))*(N/mm2) (7)
滚柱与外环齿轮间的接触应力
σH=1820*sqrt(Tc/RlZtan(α/2))*(N/mm) (8)
3 计算实例
以ZL50型轮式装载机为例。发动机为6135AG型，其转速在1250r/min左右时，最大转矩T'e=718N.m。变矩器在“零速工况”下的变矩系数K0=4。工作泵为CBG3160，转向泵CBG2080，变速泵为CBG120/15（或BB70A），一级输入齿轮数Z1=20，外环齿轮齿数Z=52。超越离合器滚柱Z=20个，滚柱半径r=6.5mm,滚柱长度 l=24mm,滚柱楔角α=6.68°,外环齿轮滚道半径R=95mm.
3.1 泵轮上的输入转矩
由（1）式TB=Te-T工-T转-T变，本例中发动机辅件消耗的转矩按发动机发出转矩的（8-10）%计，则发动机有效转矩Te=T'e[1-(8-10)%]=718[1-8-10)%]=646-660N.m,取Te=650N.m。
工作泵，转向泵按空载考虑，取其出口压力P=0.5MPa,两泵排量和q=q工+q转=100+80=240L/r,并设总效率η泵=0.75，则有T工+T转=P0q/2π η=2.55N.m。
变速泵的排量为q变=102mL/r,工作压力P变=1.1-1.5MPa，效率η出按0.75取值，则变速泵所需转矩
T变=（1.1-1.5)*120/(2π*0.75)=28-38.2(N.m)
这里取T变=35.5N.m,可见TB=650-25.5-35.5=589(N.m)
3.2离合器的计算转矩
超越离合器传递的转矩T=K0TBZ2/Z1=6125.6(N.m)。
离合器的计算转矩T=K（K+K）T=16172-22052（N.m)
3.3 按最大切应力条件计算
τmax=0.142*sqrt(TcE/RrlZtan(α/2）)=1970-2031N/mm2>[τ]
手册中推荐的[τ]值见表1。 （图片） 显然离合器的最大切应力条件不能满足。
3.4 按Hertz公式计算最大接触应力
σH1=1820sqrt(Tc/RrlZtan(α/2）)=1760-2055N/mm2
滚柱与外环齿轮滚道之间的接触力
σH2=1820sqrt(Tc/RrlZtan(α/2）*（1/r-1/R1)=1698-1983N/mm2
外环齿轮采用20Cr或20MnVB，渗碳淬火处理，HRC56-62；内星轮材料用GCr15,HRC58-64; 滚柱材料GCr15,HRC58-64;滚柱材料GCr15,HRC58-64。它们的接触强度极限植σHlim=1300-1650N/mm2.由此可见磨擦副间接触强度不满足要求。
8/22/2008
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