CN86100396B - 具有ω阀和组合弹簧的调速离合器 - Google Patents

Abstract

具有Ω阀和组合弹簧的调速离合器，属调速离合器技术领域。用装于从动轴并与之一起回转的Ω阀作为调速的反馈装置，利用由普通线性弹簧串联或并联而成的组合弹簧，使控制活塞移动到规定位置，以得到所要求的调速离合器摩擦片间的相应结合程度，达到调速且能稳定运转的目的。本发明可作为各种机械的传动和调速装置，达到减少能耗，延长寿命，提高生产力，降低成本的目的。

Description

具有Ω阀和组合弹簧的调速离合器

本发明属调速离合器。

调速离合器，又称油膜调速离合器、滑盖离合器、Ω离合器或调速摩擦离合器。它是一种利用流体粘性传递动力和进行调速的新型离合器。它可以通过控制主动轴和从动轴之间的摩擦片的结合程度，在大范围内实现无级调速。所有需要变负荷运转的机器，均可用调速离合器达到变速运转和实现节能的目的。例如一台驱动电机功率为25KW的水泵，采用调速离合器调速后，与采用阀门调节相比可节省电能12%至45%，它的运用还能延长机器寿命，提高生产能力，具有很大的经济效益。

如何以具体的技术方案实现调速？如何使输出轴的转速稳定？这是调速离合器的技术关键。1975年美国专利US-3913715公开了一种利用离心力和旋转角加速度敏感阀来控制的调速摩擦离合器。1978年日本JP-特公昭53-9952公开了一种过载缓冲装置，实质上该装置也是一种调速离合器。这种过载缓冲装置的从动轴上装有一个Ω阀，由于Ω阀与从动轴一起转动，可以实现油压控制的目的，并对具体的Ω阀列出三种不同的结构简图。上述两种专利，后者是在前者原理基础上的发展与改进，都能实现调速使转速稳定。但后者性能可能比前者为优，给出主动轴最高转速为1500转/分以下的调速性能。

本发明的目的，在于从理论和工程实践的角度，提出一种具有组合弹簧和另一种具体的Ω阀结构的调速离合器，以及给出简单的设计方法。

与JP-特公昭53-9952相比，本发明具有一种新型的组合弹簧，和另一种具体的Ω阀结构。这种Ω阀的结构与JP-特公昭53-9952的三种具体的Ω阀结构都不一样。组合弹簧安装在控制活塞的右侧，可以提高调速离合器的高速性能和调速范围，还可提高调速的传递功率。采用本发明的调速离合器，主动轴转速为3000转/分时仍能实现正常和良好的调速。主动轴转速再适当提高仍有效。

图1是本发明的调速离合器的结构简图;

图2是本发明所采用的Ω阀的结构简图;

图3是阀芯的一种改型;

图4是阀芯的另一种改型;

图5是Ω阀性能线图的示意图。

如图1所示，本发明的调速离合器具有主动轴1、从动轴6、摩擦片组2、控制活塞4、轴承7及装在从动轴6上的Ω阀3。润滑油充满摩擦片组2，借助摩擦片之间的液体粘性摩擦，使主动轴带动从动轴回转。摩擦力的大小，取决于控制活塞4与摩擦片间的结合程度。P_L代表润滑油路的压力，P_c代表控制油路的压力。

本发明的技术特征在于，这种调速离合器具有组合弹簧5和特定构造的Ω（欧米伽）阀3。这是实现调速离合器无级调速和稳定转速的两个关键部件。

如图2所示，本发明所采用的Ω（欧米伽）阀由阀体11、阀芯12、阀盖13及标准连接件组成，它装在从动轴上并与之一起旋转。阀芯12沿径向布置并可沿径向往复移动，当从动轴转速超过要求值时，阀芯在离心力的作用下向外移动，从而接通泄油孔14，控制活塞的油压降低，导致控制活塞轴向推力的减小，活塞向右移动，摩擦片间的结合程度降低，从动轴减速;因而能使从动轴保持在要求的转速上稳定运转。

Ω阀的阀芯12是一个直径为d₁的圆柱体，其下端有一个直径为d₅的短圆柱体15。在短圆柱体15的端部有一个直径为d₂的油腔16。短圆柱体的高度l₁，可取为约等于泄油孔14的直径d₅。在阀盖13上设有环形油腔17，油腔17通过油路19与压力为P_c的控制油路接通。油腔16通过油路18与控制活塞4的高压腔接通。Ω阀的各结构尺寸，可按照流体连续流动条件和比例搭配得当的原则进行设计。建议各尺寸的关系为：阀芯高度l＝（1～3）d₁，d₂＝（0.5～0.6）d₁，d₃＝（0.2～0.4）d₁，l₁＝d₅;阀芯在阀体内的移动行程S≤d₃ ²/（4×d₂）;d₃≤ <math><msqrt><msup><mi>d</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>1</mi></msub><msup><mi>-d</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>3</mi></msub></msqrt></math> 。

阀芯直径d₁（mm）和阀芯质心G的回转半径R（mm）的乘积值，可按照保证Ω阀与调速离合器负载转速相匹配的原则，根据额定工作转速n（r.p.m）和控制油压P_c（kgf/cm²），通过计算求得或利用由严格理论分析和计算得到的Ω阀性能线图查取。

图5是用来求得d₁×R值的Ω阀性能线图的示意图。有了d₁×R值，可根据调速离合器的总体结构确定Ω阀的位置，亦即确定R值;从而也就确定了d₁值。也可以先确定d₁值，再由d₁和d₁×R值求得R值。d₁值确定后，根据上面建议的尺寸比例关系，即可求得各个结构参数。

阀芯的构造也可以采用其他稍微不同的形式。图3所示是空心阀芯，在阀芯中央开有一个轴向通孔21，使Ω阀的上下油腔沟通，因而油路19可以省去。图4所示的阀芯除是空心外，其轴向通孔21上部还设有一个节流孔31，利用节流孔的节流作用，可使阀芯的移动更加平稳。当然还可以有其他构造形式，但基本构造和基本设计方法都是一样的，不一一赘述。

本发明的另一个关键部件是组合弹簧5，它是控制活塞运动的执行机构。要求与Ω阀相协调的活塞运动规律和相应承载能力的变化都是非线性的。而一般弹簧的力与变形呈线性，二者不协调就影响调速性能和承载能力。而要制造非线性弹簧，受工艺和材料的限制，又难于实现。本发明采用两个线性弹簧巧妙地组合，使之既能随同Ω阀进行调速，又能按设计要求提高承载能力和扩大调速范围，充分发挥调速离合器的功能。

组合弹簧由两根刚度系数不同，长度不等的圆柱螺旋弹簧并联或串联组合而成。一个调速离合器可设有一个或多个（例如3～16个），这种组合弹簧均匀地装在控制活塞的后侧。组合弹簧的刚度系数和结构参数的确定，与调速离合器的负载及转速的变化规律相匹配。

串联组合与并联组合两种形式相比，并联组合可获得更为合理和紧凑的结构，因而优先推荐采用并联组合形式。串联组合弹簧的计算原则和计算方法，与并联组合弹簧类似。故下面只对并联组合弹簧的设计加以说明。

并联组合弹簧可由两根直径不同的圆柱螺旋弹簧套装而成。刚度系数小者长度大，套装在外面。其刚度系数和结构参数可按以下方法进行计算。

设：摩擦片数为m，

组合弹簧数为j，

柔性（刚度系数小）弹簧的刚度系数为K₁，其长度为L₁，

刚性（刚度系数大）弹簧的刚度系数为K₂，其长度为L₂，

与Ω阀及负载转速相匹配的控制油压为P_c，

控制活塞承压面积为A，

摩擦片间的油膜产生轴向力为F，

Ω阀调速范围为i＝i₁到i＝i₂;而i₁＜1，i₁＞i₂，i₂＞0，

与调速比i₁相适应的油膜厚度为h₁，h₁的值根据制造水平和加工质量来确定。

一、负载为恒扭矩

令 L₂＝L₀₂+ΔL₂

式中：ΔL₂-最大工作负载下刚性弹簧的压缩量，

L₀₂-弹簧压缩量为ΔL₂时的弹簧长度。

则ΔL₂＝(m-1)1-i₂/1-i₁h₁

令L₁＝L₀₁+ΔL₁

式中：ΔL₁-最大工作负载下柔性弹簧的压缩量，其值根据装配条件确定，

L₀₁-压缩量为ΔL₁时的弹簧长度。

柔性弹簧的刚度系数K₁

K₁＝Pc(i=i2)A-F(i-i2)/j(ΔL1-ΔL2)

式中：P_c（i＝i₂）-表示调速比i＝i₂时的控制油压，

F（i＝i₂）-表示调速比i＝i₂时的油膜轴向力。

刚性弹簧的刚度系数K₂

$K_2=\frac{P_c{\mathrm{(i=i}}_1{\mathrm{)A-F(i=i}}_1{\mathrm{)-jK}}_1{\mathrm{［\Delta L}}_1{\mathrm{-(m-1)h}}_1］}{{\mathrm{j(m-1)h}}_1(\frac{i_1{\mathrm{-i}}_2}{{\mathrm{1-i}}_1})}$

二、负载为变扭矩，适用于离心式工作机

L₁＝L₀₁+ΔL₁

L₂＝L₀₂+ΔL₂

其定义与上述相同，只是按组合弹簧长度分为二个区域，其调速范围分别为i＝i₁～i₂和i＝i₂～i₃，而i₁＜1，i₁＞i₂，i₂＞i₃，i₃＞0

ΔL₂＝(m-1)h₁1-i₂/1-i₁(i₁/i₂)²

柔性弹簧刚度系数K₁

K₁＝P_c(i=i₂)A-F(i-i₂)/j(ΔL₁-ΔL₂)

刚性弹簧的刚度系数K₂

<math><msub><mi>k</mi><mi>2</mi></msub><mi>=</mi><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>c</mi></msub><msub><mi>(i=i</mi><mi>1</mi></msub><msub><mi>)A-F(i=i</mi><mi>1</mi></msub><msub><mi>)-jK</mi><mi>1</mi></msub><msub><mi>［ΔL</mi><mi>1</mi></msub><msub><mi>-(m-1)h</mi><mi>1</mi></msub><mi>］</mi></mrow><mrow><msub><mi>j(m-1)h</mi><mi>1</mi></msub><mi>［</mi><mfrac><mrow><msup><mi>i</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>1</mi></msub><msup><mi>-i</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>2</mi></msub><msup><mi>-i</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>1</mi></msub><msub><mi>i</mi><mi>2</mi></msub><msub><mi>+i</mi><mi>1</mi></msub><msup><mi>i</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>2</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>(1-i</mi><mi>1</mi></msub><msup><mi>)i</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>2</mi></msub></mrow></mfrac><mi>］</mi></mrow></mfrac></math>

三、负载为变扭矩，非离心式工作机，需要根据工作机的特性对组合弹簧进行设计。

由此可见，上述Ω阀组合弹簧的设计方法，既基于严格的理论分析，又以一种实用的形式给出，简单易行，容易掌握和推广，一般技术人员均能胜任。

本发明所提出的调速离合器，由于具有组合弹簧和与其匹配的Ω阀，可以完美地实现调速并且运转稳定，能适应于各种不同的负载情况，是一种新型的调速传动装置。这种装置可用于风机水泵，工程机械，矿山机械，船舶等各种机械中作为传动和调速装置，可收到提高生产能力，延长使用寿命，节约能源，降低成本等明显效果。

Claims (7)

1、一种调速离合器，它具有主动轴1、从动轴6、摩擦片组2、控制活塞4、轴承7及装在从动轴6上并与之一起转动的Ω阀3，Ω阀3的阀芯12径向配置并可沿径向往复移动，其特征在于：

（1）它还具有一个或多个（例如3～16个）组合弹簧5，该组合弹簧或多个组合弹簧安装或均匀地安装在控制活塞4的后侧，每个组合弹簧由两根刚度系数不同和长度不等的圆柱螺旋弹簧并联或串联而成。

（2）所说的Ω阀3由阀体11、阀芯12、阀盖13及标准连接件组成，其中：

（2.1）阀体11上有与高压油腔相接的油路18和19以及直径为d₃的泄油孔14;

（2.2）阀芯12是一个直径为d₁的圆柱体，其下端有一个直径为d₃的短圆柱体15，在短圆柱体15的端部有一个直径为d₂的油腔16，并通过油路18与控制活塞的高压腔接通;

（2.3）阀盖13上设有环形油腔17，并通过油路19与压力为P_c的控制油路接通。

2、根据权利要求1所述的离合器，其特征在于并联组合弹簧可由两个直径不同的圆柱螺旋弹簧套装组成，刚度系数小者长度大，套装在外圈。

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