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摘 要： 发动机等机构中的棘爪离合器结构作为重要的超越离合器的一种被广泛应用于航空、汽车、工业等行业中。就在于浅谈几点棘爪离合器原理及故障分析。
关键词： 离合器；棘爪；分析
中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1210009－02
1 棘爪离合器的原理
棘爪离合器就是许多人俗称的“三爪离合器”，它是超越离合器（overrunning-clutch）的一种，即嵌合式离合器。因为它的特殊结构，许多教科书上也把它称之为棘爪式超越离合器。其主要的原因有两条：第一是为了区别于摩擦式工作原理的离合器，如我们俗称的“滚棒离合器”（学名为滚柱离合器）等；第二个原因就是因为它有三个楔形的小“爪”。
说起棘爪离合器的原理其实就是超越离合器的原理，离合器由主、动从动轮组成，主动带动从动，当转速 时，二者保持传递扭矩，称为结合状态；一段时间后 ，离合器脱开转速，变为超越状态。对于超越离合器来说，主动轮的形式变化较多，如内星轮、组件外圈等。
结合状态下又分为动态楔合与静态楔合两个阶段，而超越状态也分为解楔与自锁——脱离过程，和空转状态。
2 棘爪不是“三爪”
其实棘爪离合器不能等同于“三爪离合器”，当离合器大径 ＜80时，棘爪数J=3，当 ≥80时，根据需要J={3、5或者其它的数字}。我们常见的棘爪离合器都是J=3的情况，因此我们习惯称它为三爪离合器。
3 棘爪离合器的结合与脱开原理及结构
3.1 原理
由于超越离合器的结合与脱开原理较为相似，所以我们选取最为简单的滚柱离合器的方式来简单说明（如下图1）。
易脱开，过大出现打滑现象。一般推荐2.5～8.5度，当然根据具体要求，通常许多情况下选择大约7度是比较好的。
由此可知，当离合器出现打滑情况时，可以减小摩擦角а防止打滑，可以采用加大 的方式；反之，如果脱开困难的情况下，适当增大摩擦角а，采用加大D的方法就可以简单快速的解决问题。
3.2 结构
内啮合形式的棘爪离合器是最常见的离合器，它分别包含棘轮、弹簧、棘爪、离合器拨轮、止动销和定位销六部分，如下图2。
当发动机未工作时，由于弹簧的弹力作用棘爪贴合在棘轮的齿槽里。发动机工作初期，离合器拔轮带动棘轮与棘爪一起旋转，处于结合状态；当离合器达到一定转速时，由于离心力的作用 ，棘爪的末端以止动销为圆心运动，而前端克服弹簧力与齿槽脱离，两者互不干涉的以自己的转速旋转。
3.2.1 棘轮。棘轮是棘爪离合器中比较关键，它与棘爪配合，传递稳定的载荷及转速，但是与此同时，它也是最为变化多端的结构，比如在双速传动机构中，棘轮是依托齿轮的结构，在直齿端面呈现多个棘齿。根据《中国机械通用零部件工业年鉴——传动联结件产品分类标准与名词术语》可知，目前制造齿数是12～20范围内的棘轮是国家标准化推荐使用的，因为一般啮合时的冲击力与齿数有关，增加齿数可以有效的减小啮合冲击，使传动平稳可靠。不过，与齿轮公式D=mz类似，齿数越多相应的棘轮直径也越大。这就需要设计员充分考虑合理的空间结构，尽可能选取较多齿数的棘轮，提高整机稳定性。
3.2.2 棘爪。棘爪是棘轮离合器中较为关键的零件，同时它作为与棘轮重要的配合部件，其结构也与棘轮有密切的关系，一般设计棘爪时需要棘轮的尺寸确定后，根据棘爪长度L=2倍的棘轮齿距P（ ，其中m为棘轮的模数）。
上文说到了棘轮离合器的脱开依靠的是离心力的作用下使
，那么如何设计离合器结合状态下的 呢？离合器又是如何确保在规定的转速状态下脱开的呢？所有的答案都在于弹簧的选择和设计的综合考虑上了。举个例子，比如我们要求离合器在50r/min时顺利脱开，而实际上发现在45r/min时就已经脱开，不满足我们预期的目标，这就说明了脱开时的离心力需要降低。这时候，我们就应该对棘爪适当的进行减重处理，而对弹簧的结构尺寸相应的减小。
在离合器棘爪的频繁结合与脱开（也有的教材称之为合闸与脱开状态转换）过程中，应该尽量提高棘爪的抗疲劳强度和静强度安全系数。这就严格的要求了在加工中棘爪的倒圆、倒角处尺寸一定要符合设计图要求，同时零件的表面完整性也是抗疲劳强度提高的一个重要方面，应该尽量避免电加工法和手工打磨齿槽结合处及零件设计减轻窗口处倒R等。
棘爪的材料应具有高硬度、强度高、抗热冲击、热膨涨系数低，适宜于高温条件，不易磨损。因此，HRC63左右的耐热材料，如镍钼/铬钼/锰钼合金或者常用发动机缸体及活塞类零件材料较为适合。同时，对于棘爪部件应该采用材料热处理中氮化的方法，使零件被一层硬度值达HRC 77的良好耐磨表面的氮化扩散物渗透，保持零件0.3mm深度都具有较好的抗疲劳和抗超越磨损的寿命。
棘爪部件的工作面也应该采用化学气相沉积（CVD），如发蓝或物理气相沉积（PVD），如电离子喷涂等方法，针对不同材料的表面提高部件的抗氧化性、抗剥离性、耐磨性、韧性及热震抗性。同时8～10Lm精度的薄膜厚度，不仅能将其耐磨损性能提高10倍以上，还能显著改善部件的表面粗糙度，防止疲劳断裂。
3.2.3 弹簧。圆柱扭转弹簧为棘爪超越离合器的普遍形式，它一般受到设计脱开转速和棘爪末端产生的离心力两个方面影响。但是由于装配间隙和制造误差等影响因素，如前文提过的表面直径 和摩擦角а，棘爪在脱开时的力会有一定的差别，因此多采用分组弹簧的形式，（如图3）将弹簧角C加以分组。
3.2.4 装配结构。棘爪超越离合器在装配时，必须保证棘爪安装轴的轴心线与棘轮完全重合才能使棘轮受载荷轮齿平面通过棘轮轴心，否则棘轮轮齿平面就不能与棘爪充分，载荷传递不均匀。因此装配中对于棘爪工作面和棘轮工作齿面进行着色检查是至关重要的。该着色面积相比其它零件的着色要求（不低于70～75%）也要严格很多，需要沿轴向不小于90%，沿径向不小于80%。因为离合器安装时棘轮齿槽必须保证与每个棘爪都能够完美啮合，沿周向均匀分布。以避免频繁工作状态因为传动不平稳对弹簧等的疲劳损伤。在装配过程中也应该尽量避免划伤或碰伤弹簧。 3.2.5 组件装配及实验。棘轮离合器在装配过程中需要经过销子装配-制动爪装配-磨加工工作面-弹簧安装-离合器拔轮扩口-脱开转速试验（验证其脱开转速需要在模拟发动机工作状态的试验台上进行）-弹簧选配（考虑到零件的装配误差和制造精度等因素的影响，需要选择弹簧C值不同的组别）-选配后试验-修正组件等步骤。
在弹簧选配过程中，可以根据不同的转速要求，为保证弹簧能够方便地更换，允许不铆死离合器销子，待试验完成后再铆死止动销。应该注意的是在装配中不允许使弹簧变形来修合弹簧。
为了得到较为准确的试验结论，需要重复五次测量得到最小转速值作为脱开转速。然而单次试验，每个棘爪的脱开转速差不能大于200r/min。在装配时，更换弹簧时不能破坏组件的成套性，制动爪的两面可以均匀的挫修。三个制动爪的工作面沿着圆周的不均布度不大于0.03mm，若变化时可按整个平面均匀研修。研修时去除重量要保证棘爪尾部两侧面对称，为了保证棘爪离合器强度，每面切除深度一般不超过1.5mm。止动销装配时不允许有轴向活动，局部透光可以允许单不得大于0.03mm。在装配试验依然不合格但装配完成或者装机件返修时，可以采用钻头钻去制动爪拔轮定位销，扩口部分深度保证1.2～1.5mm。
4 离合器故障分析
4.1 棘爪的断裂分析
棘爪离合器在材料选择上有较为苛刻的要求，材料中尤其以硫化物的最为不好，国家标准中材料硫化物的含量要求在0.03%以下，当硫化物杂质超标时，部件内基体与夹杂比较容易分离，材料内部组织结合力差。在反复结合与脱开的大扭矩传动中易导致了微裂纹得发生，在反复的疲劳冲击作用下微裂纹受到疲劳扩展，以材料韧窝截面处发生不断的过载瞬断裂。因此棘爪离合器的失效原因多半是材料成分不合格及加工中未注意抗疲劳加工造成。
4.2 弹簧的断裂分析
离合器装配中，明确规定不允许采用弹簧变形的方法。因为弹簧断裂部位多数发生在零件的直线段与圆弧段的交结处，采用变形方法的弹簧，更容易在形变尖角过渡处产生应力集中。尤其在弹簧直线段位置的根部处，出现疲劳应力集中。
同时，热处理的调质对弹簧也是至关重要的，在热处理时，弹簧直径产生收缩量，同时其出现氧化、脱炭等因素，未经过调质的弹簧直径不回弹，疲劳寿命降低。在装配中，弹簧的内径同止动销之间的间隙减小。工作状态下，离合器以较高频率运动，产生较大的疲劳源。
参考文献：
[1]工程材料，哈尔滨工程大学出版社[M].2001，1.
[2]发动机的故障分析，国防科技大学出版社[M].2000，9.
关键词： 离合器；棘爪；分析
中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1210009－02
1 棘爪离合器的原理
棘爪离合器就是许多人俗称的“三爪离合器”，它是超越离合器（overrunning-clutch）的一种，即嵌合式离合器。因为它的特殊结构，许多教科书上也把它称之为棘爪式超越离合器。其主要的原因有两条：第一是为了区别于摩擦式工作原理的离合器，如我们俗称的“滚棒离合器”（学名为滚柱离合器）等；第二个原因就是因为它有三个楔形的小“爪”。
说起棘爪离合器的原理其实就是超越离合器的原理，离合器由主、动从动轮组成，主动带动从动，当转速 时，二者保持传递扭矩，称为结合状态；一段时间后 ，离合器脱开转速，变为超越状态。对于超越离合器来说，主动轮的形式变化较多，如内星轮、组件外圈等。
结合状态下又分为动态楔合与静态楔合两个阶段，而超越状态也分为解楔与自锁——脱离过程，和空转状态。
2 棘爪不是“三爪”
其实棘爪离合器不能等同于“三爪离合器”，当离合器大径 ＜80时，棘爪数J=3，当 ≥80时，根据需要J={3、5或者其它的数字}。我们常见的棘爪离合器都是J=3的情况，因此我们习惯称它为三爪离合器。
3 棘爪离合器的结合与脱开原理及结构
3.1 原理
由于超越离合器的结合与脱开原理较为相似，所以我们选取最为简单的滚柱离合器的方式来简单说明（如下图1）。
易脱开，过大出现打滑现象。一般推荐2.5～8.5度，当然根据具体要求，通常许多情况下选择大约7度是比较好的。
由此可知，当离合器出现打滑情况时，可以减小摩擦角а防止打滑，可以采用加大 的方式；反之，如果脱开困难的情况下，适当增大摩擦角а，采用加大D的方法就可以简单快速的解决问题。
3.2 结构
内啮合形式的棘爪离合器是最常见的离合器，它分别包含棘轮、弹簧、棘爪、离合器拨轮、止动销和定位销六部分，如下图2。
当发动机未工作时，由于弹簧的弹力作用棘爪贴合在棘轮的齿槽里。发动机工作初期，离合器拔轮带动棘轮与棘爪一起旋转，处于结合状态；当离合器达到一定转速时，由于离心力的作用 ，棘爪的末端以止动销为圆心运动，而前端克服弹簧力与齿槽脱离，两者互不干涉的以自己的转速旋转。
3.2.1 棘轮。棘轮是棘爪离合器中比较关键，它与棘爪配合，传递稳定的载荷及转速，但是与此同时，它也是最为变化多端的结构，比如在双速传动机构中，棘轮是依托齿轮的结构，在直齿端面呈现多个棘齿。根据《中国机械通用零部件工业年鉴——传动联结件产品分类标准与名词术语》可知，目前制造齿数是12～20范围内的棘轮是国家标准化推荐使用的，因为一般啮合时的冲击力与齿数有关，增加齿数可以有效的减小啮合冲击，使传动平稳可靠。不过，与齿轮公式D=mz类似，齿数越多相应的棘轮直径也越大。这就需要设计员充分考虑合理的空间结构，尽可能选取较多齿数的棘轮，提高整机稳定性。
3.2.2 棘爪。棘爪是棘轮离合器中较为关键的零件，同时它作为与棘轮重要的配合部件，其结构也与棘轮有密切的关系，一般设计棘爪时需要棘轮的尺寸确定后，根据棘爪长度L=2倍的棘轮齿距P（ ，其中m为棘轮的模数）。
上文说到了棘轮离合器的脱开依靠的是离心力的作用下使
，那么如何设计离合器结合状态下的 呢？离合器又是如何确保在规定的转速状态下脱开的呢？所有的答案都在于弹簧的选择和设计的综合考虑上了。举个例子，比如我们要求离合器在50r/min时顺利脱开，而实际上发现在45r/min时就已经脱开，不满足我们预期的目标，这就说明了脱开时的离心力需要降低。这时候，我们就应该对棘爪适当的进行减重处理，而对弹簧的结构尺寸相应的减小。
在离合器棘爪的频繁结合与脱开（也有的教材称之为合闸与脱开状态转换）过程中，应该尽量提高棘爪的抗疲劳强度和静强度安全系数。这就严格的要求了在加工中棘爪的倒圆、倒角处尺寸一定要符合设计图要求，同时零件的表面完整性也是抗疲劳强度提高的一个重要方面，应该尽量避免电加工法和手工打磨齿槽结合处及零件设计减轻窗口处倒R等。
棘爪的材料应具有高硬度、强度高、抗热冲击、热膨涨系数低，适宜于高温条件，不易磨损。因此，HRC63左右的耐热材料，如镍钼/铬钼/锰钼合金或者常用发动机缸体及活塞类零件材料较为适合。同时，对于棘爪部件应该采用材料热处理中氮化的方法，使零件被一层硬度值达HRC 77的良好耐磨表面的氮化扩散物渗透，保持零件0.3mm深度都具有较好的抗疲劳和抗超越磨损的寿命。
棘爪部件的工作面也应该采用化学气相沉积（CVD），如发蓝或物理气相沉积（PVD），如电离子喷涂等方法，针对不同材料的表面提高部件的抗氧化性、抗剥离性、耐磨性、韧性及热震抗性。同时8～10Lm精度的薄膜厚度，不仅能将其耐磨损性能提高10倍以上，还能显著改善部件的表面粗糙度，防止疲劳断裂。
3.2.3 弹簧。圆柱扭转弹簧为棘爪超越离合器的普遍形式，它一般受到设计脱开转速和棘爪末端产生的离心力两个方面影响。但是由于装配间隙和制造误差等影响因素，如前文提过的表面直径 和摩擦角а，棘爪在脱开时的力会有一定的差别，因此多采用分组弹簧的形式，（如图3）将弹簧角C加以分组。
3.2.4 装配结构。棘爪超越离合器在装配时，必须保证棘爪安装轴的轴心线与棘轮完全重合才能使棘轮受载荷轮齿平面通过棘轮轴心，否则棘轮轮齿平面就不能与棘爪充分，载荷传递不均匀。因此装配中对于棘爪工作面和棘轮工作齿面进行着色检查是至关重要的。该着色面积相比其它零件的着色要求（不低于70～75%）也要严格很多，需要沿轴向不小于90%，沿径向不小于80%。因为离合器安装时棘轮齿槽必须保证与每个棘爪都能够完美啮合，沿周向均匀分布。以避免频繁工作状态因为传动不平稳对弹簧等的疲劳损伤。在装配过程中也应该尽量避免划伤或碰伤弹簧。 3.2.5 组件装配及实验。棘轮离合器在装配过程中需要经过销子装配-制动爪装配-磨加工工作面-弹簧安装-离合器拔轮扩口-脱开转速试验（验证其脱开转速需要在模拟发动机工作状态的试验台上进行）-弹簧选配（考虑到零件的装配误差和制造精度等因素的影响，需要选择弹簧C值不同的组别）-选配后试验-修正组件等步骤。
在弹簧选配过程中，可以根据不同的转速要求，为保证弹簧能够方便地更换，允许不铆死离合器销子，待试验完成后再铆死止动销。应该注意的是在装配中不允许使弹簧变形来修合弹簧。
为了得到较为准确的试验结论，需要重复五次测量得到最小转速值作为脱开转速。然而单次试验，每个棘爪的脱开转速差不能大于200r/min。在装配时，更换弹簧时不能破坏组件的成套性，制动爪的两面可以均匀的挫修。三个制动爪的工作面沿着圆周的不均布度不大于0.03mm，若变化时可按整个平面均匀研修。研修时去除重量要保证棘爪尾部两侧面对称，为了保证棘爪离合器强度，每面切除深度一般不超过1.5mm。止动销装配时不允许有轴向活动，局部透光可以允许单不得大于0.03mm。在装配试验依然不合格但装配完成或者装机件返修时，可以采用钻头钻去制动爪拔轮定位销，扩口部分深度保证1.2～1.5mm。
4 离合器故障分析
4.1 棘爪的断裂分析
棘爪离合器在材料选择上有较为苛刻的要求，材料中尤其以硫化物的最为不好，国家标准中材料硫化物的含量要求在0.03%以下，当硫化物杂质超标时，部件内基体与夹杂比较容易分离，材料内部组织结合力差。在反复结合与脱开的大扭矩传动中易导致了微裂纹得发生，在反复的疲劳冲击作用下微裂纹受到疲劳扩展，以材料韧窝截面处发生不断的过载瞬断裂。因此棘爪离合器的失效原因多半是材料成分不合格及加工中未注意抗疲劳加工造成。
4.2 弹簧的断裂分析
离合器装配中，明确规定不允许采用弹簧变形的方法。因为弹簧断裂部位多数发生在零件的直线段与圆弧段的交结处，采用变形方法的弹簧，更容易在形变尖角过渡处产生应力集中。尤其在弹簧直线段位置的根部处，出现疲劳应力集中。
同时，热处理的调质对弹簧也是至关重要的，在热处理时，弹簧直径产生收缩量，同时其出现氧化、脱炭等因素，未经过调质的弹簧直径不回弹，疲劳寿命降低。在装配中，弹簧的内径同止动销之间的间隙减小。工作状态下，离合器以较高频率运动，产生较大的疲劳源。
参考文献：
[1]工程材料，哈尔滨工程大学出版社[M].2001，1.
[2]发动机的故障分析，国防科技大学出版社[M].2000，9.