2021年第1期(第34卷，总第171期) -机械研究与应用-
doi ：10.ki.1007—4414.2021.01.015
郑富磊，靳峰雷，夏 凡，杨孔雳，高付海，刘 强
(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京102413)
摘 要：拨叉式超越离合器是控制棒驱动机构的关键部件之一，其主要作用是防止控制棒在快速落棒后向上反弹，同
时其退楔力矩大小对控制棒驱动机构电机转矩要求及整机的动态性能有较大影响，需要进行定量计算和分析。建立 和推导了拨叉式超越离合器退楔力矩的数学解析表达式，并进行了试验验证。结果表明，退楔力矩试验结果与理论
分析基本相符，在给定结构参数条件下，约为楔紧力矩的2.37倍，可以满足工程使用要求，为拨叉式超越离合器和控
制棒驱动机构整机进一步的优化设计提供了理论依据。
关键词：拨叉式超越离合器；退楔力矩；计算；试验验证
中图分类号：TH133.4 文献标志码：A 文章编号：1007-4414(2021)01-0052-03
Calculation and Verification of Back Wedge Torque of the Fork Type Overrunning Clutch
ZHENG Fu-lei ，JIN Feng-lei ，XIA Fan ，YANG Kong-li ，GAO Fu-hai ，LIU Qiang
(Reactor Engineering Technology Research Department ，China Institute of Atomic Energy ，Beijing 102413，China )
Abstract : The fork type overrunning clutch is one of the key components of the Control Rod Drive Mechanism ( CRDM ). Its
main function is to prevent the control rod from rebounding upward after rapid rod drop ； at the same time ，its back wedging torque has a great impact on the motor torque requirements of the CRDM and the dynamic performance of the whole machine ，
which needs quantitative calculation and analysis. The mathematical analytical expression of the wedge withdrawal torque of the fork type overrunning clutch is established and derived ，and the experimental verification is then carried out. The results show that the back wedging torque test results are basically consistent with the theoretical analysis. Under the given structural parame ters ，the back wedging torque is about 2.37 times of the wedge tightening torque ，which can meet the engineering application re quirements. It provides a theoretical basis for the further optimization design of the fork type overrunning clutch and the CRDM.
Key words : fork type overrunning clutch ； back wedge torque ； calculation ； experimental verification
0引言
超越离合器是一种较为常见的机械零部件，特别
适用于防止逆转的机械传动中［1］。以往的文献多集 中于滚柱式超越离合器：黄家裕、钮心宪［2］根据工作 阶段不同，分别对超越离合器的受力特点进行了研 究；钮心宪⑶介绍了滚柱式超越离合器的重要设计
原则，包括楔紧角、公差、材料等；林世裕［幻对滚柱式
超越离合器压紧弹簧力进行了计算，给出了解析解；
刘凯、阮忠唐等⑸对超越离合器的滚动摩擦力矩进 行了分析，给出了定量计算公式。关于拨叉式超越
离
合器的研究，目前尚不多见。
拨叉式超越离合器是控制棒驱动机构的关键部
件之一，其主要作用是防止控制棒在快速落棒后向上 反弹，同时其退楔力矩大小对控制棒驱动机构驱动电
机的设计和整机动态性能均有较大影响，需要进行定 量的计算和分析。笔者主要对拨叉式超越离合器的
退楔力矩进行研究：推导了拨叉式超越离合器退楔力
矩的数学模型，设计了退楔力矩测试试验装置，并进
行了试验验证。试验结果表明，退楔力矩的试验值与 理论分析值基本相符，可以满足工程使用要求。
1拨叉式超越离合器的基本结构
拨叉式超越离合器的基本结构如图 1 所示。 拨 叉连接电机输出轴，星轮与负载相连。外圈与控制棒
驱动机构箱体相连，固定不动。滚柱处在左边空间
工作时：若拨叉主动，可直接驱动星轮顺时针旋
转，或通过挤压滚柱、顶销、弹簧，进而驱动星轮逆时 针旋转；若星轮主动，可通过挤压弹簧、顶销、滚柱，驱
；收稿日期：2021-01-05
作者简介：郑富磊(1986-)，男，河北邯郸人，硕士研究生，工程师，研究方向：反应堆设备设计与研究。
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机械研究与应用 • 2021年第1期(第34卷，总第171期)
研究与试验
动拨叉顺时针转动。当星轮主动且逆时针转动时，星
轮首先挤压滚柱向其右侧空间较小的楔形区域移动，
使滚柱“楔紧”。在该情况下，若使星轮继续逆时针
转动，需要拨叉首先逆时针转动将滚柱从“空间较小 的楔形区域”向左推出至“空间较大的楔形区域”，即
“退楔”。该退楔力矩大小对控制棒驱动机构电机转 矩波动及整机的动态性能有较大影响，需要定量计算
和分析。此处对该退楔力矩进行定量计算和研究。
2退楔力矩的数学模型推导
上述问题可描述为：在星轮上施加一定的扭矩 M ，计算此时若要退楔，拨叉应对超越离合器施加多
大的退楔力矩。不考虑弹簧力，同时考虑滚柱、外圈 和星轮均为弹性体，以滚柱原点为中心，建立超越离 合器滚柱在退楔时的受力模型，如图2所示。8、r 、
N 1、F 1、N 2、F 、K 、F 分别为楔紧角,(°)；滚柱半径,
mm ；星轮对滚柱的正压力和摩擦力，N ；外圈对滚柱
的正压力和摩擦力，N ；微小的弹性变形,mm ；拨叉对
滚柱的推力(处于F 1和F 2的夹角中心线上，N)。
M ］、M 2为超越离合器在楔紧状态下传递的扭矩,Nm,
二者大小相等，方向相反。
以滚柱几何中心O 为原点，以F 1和F 2的中分
线且过滚柱原点o 为x 轴，y 轴过滚柱原点o 且与x 轴垂直，建立直角坐标系。以滚柱为研究对象，建立
静力学方程，见式(1) ~ (3)：
Z f x 二 0
-
F 1cos -2
88
Z F 厂 0 Mcosf
8
N 2cos — + F 1
F 2sin 2 一
F sin 2
二 0
(1)
(2)
Z
M o 二 0 N 1K + N 2K + (F 1-F 2)r 二
0 (3)
退楔临界条件：丫 F x =0
将退楔临界条件代入式(1)~(3)，化简解得：
F = N 2(/1cos 8 +f i +f i f 2sin 8 - sin 8)
(4)
令R 为外圈内径的半径，则退楔力矩M t U i 为：
8
M tui 二 Fcos 2 - (R - r)
8
(/1Cos 8 + f 2cos 8 +
“sin 8 - sin 8) • (R - r )
(5)
超越离合器可传递的扭矩M = M 1= M 2为：
8
M 二 F 2R = N 2 ° tg £ * R
(6)
联立式(5)、(6)，有：
2 8cos 一
2
M tui 二 M 8 • (/1cos 8 +/i cos 8 +/1/2sln 8 -
(7)
3
试验验证
设计试验，对超越离合器数学模型的正确性进行
验证。
3.1试验对象
试验对象：拨叉式超越离合器，其基本参数见
表 1 所列。
表1试验对象基本结构参数
项目数值
备注
滚柱半径r/mm 5
滚柱数量Z 3
外圈内孔半径R/mm
40楔紧角8/(°)
7
摩擦系数/1 =/2
0.15假设值
将表1中的参数代入式(7)，得:M tui = 2.64 Mo
3.2试验条件
常温，滚柱周围涂薄薄一层二硫化钼锂基润滑脂。3.3试验方法
改变传递扭矩M(负载)三次，每个传递扭矩下,
分别测试退楔力矩10次，分析退楔力矩M tui 与传递
扭矩M 之间的倍数关系，验证数学模型。
3.4试验装置
超越离合器退楔力矩试验装置简图及各零部件
名称如图3所示。基本结构为：超越离合器的拨叉通 过输入轴与电机连接，超越离合器的星轮通过齿轮传
动装置、输出轴、转轮和链条与负载连接。星轮在负
载作用下，将滚柱楔紧，电机驱动拨叉将滚柱推出，使
其退楔，扭矩传感器用来测试退楔力矩。
8
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研究与试验
2021年第1期(第34卷，总第171期) -机械研究与应用-
a 1. 电机
2. 输入轴
3. 扭矩传感器
4. 超越离合器
5. 齿轮传动装置
6. 输出轴
7. 转轮
8. 链条
9. 负载
三种试验负载下的退楔力矩平均值分别低于理
论值1.9 Nm 、2.7 Nm 、4.8 N 叫退楔力矩最大值分别
超出理论值 0.9 Nm 、2.2 Nm 、0.6 Nm 。
3.6数据分析
从退楔力矩的试验数据可得出，退楔力矩试验值
与理论值基本相符。同时，也可看出：①试验值较为
离散；②试验平均值较理论平均值略小：三个不同传
图3超越离合器退楔力矩测试装置
3.5试验结果
三组不同传递扭矩下的退楔力矩实测值，分别见
图 4~6o
l i i
衆-R
靈卿
°0 2 4 6 8 10 12 14 16
试验次序
图4传递扭矩为&5 Nm 时，对应的退楔力矩
05050505055443322110
2
4
6 8 10试验次序
O 试验值
-
----均值-----理论值
12
14
16
时的退楔力矩
递扭矩下的退楔力矩均值分别是传递扭矩的2.41,2. 39,2.29倍，平均2.37倍，略小于理论值2.64。上述
现象的产生，应与摩擦系数相关，原因如下：
(1) 从式(7)可以看出，除摩擦系数外，其他均 为结构参数。
(2) 摩擦系数的大小与接触面间的润滑条件、接
触面粗糙度等因素均相关，为动态值，表现为退楔力 矩试验值有一定的离散。
(3) 摩擦系数的理论值在取值上偏大。
4结论
(1)首次对拨叉式超越离合器的退楔力矩进行 了推导，获得了解析表达式。
(1)试验数据表明，在给定结构参数条件下，退
楔力矩约为楔紧力矩的2.37倍。
(3)退楔过程瞬间，摩擦系数的变化过程和机理图5传递扭矩为11.1 Nm 05050505
544332210 2 4
6 8 10试验次序
图 6 传递扭矩为 13.8 Nm 。试验值-----均值-----理论值
12 14 16
时的退楔力矩
比较复杂，需要进一步分析和研究。
参考文献：
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