专利名称：一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器的制作方法
技术领域：
本发明属于机电技术领域，特别涉及一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器。
背景技术：
摩擦离合器是利用固体接触面间的摩擦力传递运动和动力的一种机械装置，广泛用于运输机械、工程建筑机械以及一些普通机械。对于一定结构尺寸的摩擦离合器，为了准确地传递动力，避免在啮合状态下主动件和从动件之间出现滑动，要求接触面之间产生足够大的摩擦力，同时又要具备良好的耐磨性。根据库仑摩擦定律，摩擦力等于施加在接触面间的正压力与摩擦系数的乘积，改变正压力或改变摩擦系数是调节和控制摩擦离合器动力传递能力的两种途径。正压力的调节有很多种成熟的技术可供选择，并被用于摩擦离合器的控制。比较简单的正压力调节方法是利用弹性元件，其缺点是正压力会随着摩擦副磨损的增加而逐渐降低；利用液压或机电伺服机构能补偿由于磨损或其它因素造成的压力变化，对压力实现比较精确的控制，不过结构复杂，需要较大的动力和能耗，会显著增加成本。靠提高正压力来增加离合器摩擦力矩的方法存在一个普遍问题，那就是会带来离合器磨损寿命的降低以及承载轴承疲劳寿命的降低。
发明内容
为了解决靠提高正压力来增加离合器摩擦力矩的方法带来离合器磨损寿命及承载轴承疲劳寿命降低的问题，本发明提出了一种通过改变摩擦系数能够实现离合器摩擦力矩主动控制的新型摩擦离合器结构以及相关选材和控制方法。
本发明的技术方案如下一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器，其特征在于所述摩擦离合器包括相互绝缘的主动轴(即输入轴)和从动轴(即输出轴)；固接在主动轴的法兰盘上的金属盘；固接在从动轴的法兰盘上的陶瓷片和辅助电极，所述陶瓷片至少3个，沿从动轴的法兰盘圆周方向均匀布置，辅助电极布置在各陶瓷片之间；充满水基润滑液的不锈钢外套，以浸没金属盘、陶瓷片和辅助电极；以及设置在主动轴、从动轴与不锈钢外套之间动、静密封处的密封圈，以保证水基润滑液不泄漏；所述金属盘和陶瓷片构成摩擦副，其摩擦系数通过在作为负极的金属盘和作为正极的辅助电极之间施加的电压值在线主动控制。
在本发明中，所述辅助电极的厚度比所述陶瓷片小，以保证陶瓷片与金属盘接触状态下辅助电极与金属盘表面间有0.5～1.5mm的间隙。
在本发明中，所述水基润滑液为酸碱度在6.5～8之间的中性溶液，成份包括去离子水和含长链磺酸根离子、苯磺酸根离子或硬脂酸根离子的有机盐，有机盐的含量在0.001～0.5Mol/1之间。
本发明的效果为摩擦离合器的摩擦系数和摩擦力矩可以随所加外电压的增加而增加，20伏的外加直流电压可以使摩擦系数和摩擦力矩增加2倍以上，在电压去除后摩擦系数可以恢复为电压施加前的水平。这种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器可以应用于负载力矩变化较大、传递力矩需要经常调节的场合。与通过增大正压力提高摩擦力矩的常规技术相比，这种摩擦离合器不需要专门的机电或电液伺服增压机构，也可以避免由于正压力过高引起的接触疲劳及过度磨损问题，同时所消耗的能量也较小，在运输机械和工程机械中有良好的应用前景。
图1为摩擦离合器结构示意图。
图2a为摩擦离合器的陶瓷片和辅助电极的一种布置方式的示意图。
图2b为摩擦离合器的陶瓷片和辅助电极的另一种布置方式的示意图。
图3为不同电压条件下摩擦离合器从动轴的加速特性图。
图4为摩擦离合器的摩擦力矩随外加电压的变化图。
图5为摩擦离合器的摩擦系数随外加电压的变化图。
具体实施例方式
下面结合附图来进一步说明本发明。
本发明提供了一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器，如图1所示，该摩擦离合器包括相互绝缘的主动轴(即输入轴)和从动轴(即输出轴)；固接在主动轴的法兰盘上的金属盘1；固接在从动轴的法兰盘上的陶瓷片2和辅助电极3，所述陶瓷片至少3个，沿从动轴的法兰盘圆周方向均匀布置，辅助电极3布置在各陶瓷片之间；充满水基润滑液4的不锈钢外套7，以浸没金属盘1、陶瓷片2和辅助电极3；以及设置在主动轴、从动轴与不锈钢外套之间动、静密封处的密封圈8，以保证水基润滑液不泄漏；所述金属盘1和陶瓷片2构成摩擦副，其摩擦系数通过在作为负极的金属盘1和作为正极的辅助电极3之间施加的电压值在线主动控制。
陶瓷片和辅助电极的结构和布置方式十分关键，本发明仅给出了两种可行的布置方式，见图2a和图2b。在图2a中，沿从动轴的圆周方向均匀布置了4个60°扇形的陶瓷片2，陶瓷片与陶瓷片之间布置了方形辅助电极3；在图2b中，采用了3个均布的60°扇形的陶瓷片和6块辅助电极。辅助电极的厚度比陶瓷片小，以保证陶瓷片与金属盘1接触状态下辅助电极3与金属盘1表面间有0.5～1.5mm的间隙。间隙过大，产生摩擦系数变化所需要的控制电压高，过小则容易造成辅助电极与金属盘之间直接接触。陶瓷片与辅助电极相互交替布置是为了在辅助电极与金属盘之间施加电压时产生摩擦系数可控的效果。金属盘的材料可以是普通碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金、铝合金等具有较好导电、导热和耐磨性的材料；陶瓷片的材料可以是氮化硅、氧化铝、氧化锆等具有高硬度和较好韧性的陶瓷材料；辅助电极材料可以选择铂、石墨、氧化钛等阳极材料；水基润滑液为酸碱度在6.5～8之间的中性溶液，成份包括去离子水和含长链磺酸根离子、苯磺酸根离子或硬脂酸根离子的有机盐(如磺酸钠和苯磺酸钠)，有机盐的含量在0.001～0.5Mol/l之间。
摩擦离合器的金属盘与辅助电极之间通过绝缘材料隔离，外电源通过电刷分别与金属盘和辅助电极相联，金属盘接负极，辅助电极接正极，金属盘和辅助电极之间通过润滑液导通。
下面给出一个具体的本实施例，并结合此实施例进行摩擦离合器的特性实验，来说明发明的显著技术效果。
金属盘1选为黄铜圆环(其尺寸为内径60mm，外径120mm)，另一方陶瓷片2为4片60°扇型氮化硅陶瓷片，其内外径与黄铜圆环相同；辅助电极3选为4个边长为15mm的方形石墨块，沿周向均布，陶瓷片与石墨块相隔分布并与从动轴的法兰盘通过螺纹联结。石墨块的厚度比陶瓷片的小1mm，以保证离合器处于啮合状态时黄铜环与石墨块之间有1mm的间隙。黄铜圆环连接直流电源的负极，石墨块连接电源的正极，这种电压施加方法可以避免黄铜圆环产生阳极氧化腐蚀。摩擦副置于一盛有十二烷基磺酸钠饱和溶液的不锈钢外套内，该外套随从动轴一起运动。
为测试该摩擦离合器的摩擦系数和摩擦力矩控制特性，离合器的主动轴用步进电机驱动，主动轴的转动经黄铜圆环和氮化硅陶瓷片的啮合传递到从动轴，带动惯性轮等从动件运动。摩擦副的啮合依靠气动元件实现。离合器啮合时的正压力可以通过供气压力调节并由力传感器测量。从动部件的转动由光电编码器检测。测试信号通过数据采集卡实时采集到计算机进行处理。当静止的从动件在正压力作用下与恒速的主动盘接触后，在摩擦力矩的作用下开始加速直至达到主动盘的转速。在黄铜环和石墨块之间施加外加电压后，离合器的摩擦特性发生变化从而引起从动件(主要是惯性轮)的加速特性变化。设从动件的转动惯量为J，主、从动盘之间的摩擦力矩为Mf，若忽略从动件轴承阻力和空气阻力，根据牛顿定律可建立如下方程Jω·=Mf---(1)]]>由于J是一常数(在本实施例中J＝0.064kg·m2)，故从动件的角加速度 正比于摩擦力矩Mf。通过测量加速过程中任意时刻从动件的角加速度就可以获得当时的摩擦力矩。若假设接触面上的压力是均匀分布，则可以建立摩擦力矩与摩擦系数之间的关系为Mf=∫R1R2μpr2πrdr=2πμp3(R23-R13),N=πp(R22-R12),μ=3Mf2N(R23-R13R22-R12)---(2)]]>式中μ是摩擦系数，p是单位面积上的压力，R1、R2是黄铜圆环内、外半径。
图3所示为在正压力为100N、主动轴转速200r/min、未施加电压和施加12V电压条件下测得的惯性轮转速随时间的变化情况，当摩擦副贴合后，惯性轮由静止逐渐加速到主动轴的转速，零电压时，加速过程需约2.5秒，施加12V电压时，加速过程缩短为1.2秒。根据不同电压条件下实验测得的角加速度和式(1)可以得到离合器的摩擦力矩随电压的变化曲线，如图4所示。可以看出，随着电压的升高，摩擦力矩也逐渐增大，当电压超过13V后，摩擦力矩趋于饱和。图5是根据摩擦力矩和式(2)得到的摩擦系数随电压的变化曲线，由图可见，摩擦系数由未加电压时的约0.1增加到约0.3，电压的施加可以使离合器的摩擦系数和摩擦力矩提高约2倍。
权利要求
1.一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器，其特征在于所述摩擦离合器包括相互绝缘的主动轴和从动轴；固接在主动轴的法兰盘上的金属盘(1)；固接在从动轴的法兰盘上的陶瓷片(2)和辅助电极(3)，所述陶瓷片(2)至少3个，沿从动轴的法兰盘圆周方向均匀布置，辅助电极(3)布置在各陶瓷片之间；充满水基润滑液(4)的不锈钢外套(7)，以浸没金属盘(1)、陶瓷片(2)和辅助电极(3)；以及设置在主动轴、从动轴与不锈钢外套之间动、静密封处的密封圈(8)，以保证水基润滑液不泄漏；所述金属盘(1)和陶瓷片(2)构成摩擦副，其摩擦系数通过在作为负极的金属盘(1)和作为正极的辅助电极(3)之间施加的电压值在线主动控制。
2.根据权利要求1所述的摩擦离合器，其特征在于所述辅助电极(3)的厚度比所述陶瓷片(2)小，以保证陶瓷片(2)与金属盘(1)接触状态下辅助电极(3)与金属盘(1)表面间有0.5～1.5mm的间隙。
3.根据权利要求1所述的摩擦离合器，其特征在于所述陶瓷片是60°扇形的陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的摩擦离合器，其特征在于所述水基润滑液为酸碱度在6.5～8之间的中性溶液，成份包括去离子水和含长链磺酸根离子、苯磺酸根离子或硬脂酸根离子的有机盐，有机盐的含量在0.001～0.5Mol/l之间。
5.根据权利要求1所述的摩擦离合器，其特征在于所述金属盘的材料是普通碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金或铝合金。
6.根据权利要求1所述的摩擦离合器，其特征在于所述陶瓷片的材料是氮化硅、氧化铝或氧化锆。
7.根据权利要求1所述的摩擦离合器，其特征在于所述辅助电极的材料是铂、石墨或氧化钛。
全文摘要
一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器，属于机电技术领域。为了解决靠提高正压力来增加离合器摩擦力矩的方法带来离合器磨损寿命及承载轴承疲劳寿命降低的问题，本发明提出了一种摩擦系数可主动控制的摩擦离合器，包括主动轴和从动轴，固接在主动轴的法兰盘上的金属盘，固接在从动轴的法兰盘上的陶瓷片和辅助电极，充满水基润滑液的不锈钢外套，以及设置在主动轴、从动轴与不锈钢外套之间动、静密封处的密封圈，所述金属盘和陶瓷片构成摩擦副，其摩擦系数通过在金属盘和辅助电极之间施加的电压值在线主动控制。本发明不需要专门的伺服增压机构，可避免由于正压力过高引起的接触疲劳及过度磨损问题，在运输机械和工程机械中有良好的应用前景。
文档编号F16D13/38GK1644948SQ20051001122
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月21日 优先权日2005年1月21日
发明者孟永钢, 胡波, 田煜 申请人:清华大学