起动机滚柱式单向离合器设计
起动机滚柱式单向离合器设计[20191208103413]
摘 要
起动机中的单向离合器是汽车的启动系统的关键元件，其工作性能的优劣对起动机启动的效果有着决定性的作用，而它的机械原理是单向的接合和反向的分离，从而达到保护起动电机，避免损坏的目的，在毕业设计的开始，简单讲述了本课题的来源和研究的意义和设计过程中用到的方法，然后又简单介绍了汽车启动系统，说明一下其组成和功能，接下来就是介绍了滚柱式单向离合器的作用，组成，分类，以及受力情况和机械工作原理，然后对了接触角以及其它一系列的参数进行选取，选取完就开始设计的计算，包括离合器转矩，接触强度，外圈刚度的确定，以及其它的一些基本的尺寸的计算和确定，完成后再对设计结果进行了精确的校核，包括基本的设计要求，剪切应力的校核，公差的校核，以及强度的校核等，整理出最终定型的一种设计理念和方案。
关键字:起动机单向离合器滚柱式接触角
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2主要研究的课题、方法、内容 1
1.2.1课题来源及要求 1
1.2.2研究方法 1
1.2.3研究的主要内容 3
2. 单向离合器 4
2.1起动机组成简介 4
2.2单向离合器的功用和组成 5
2.3单向离合器的类型 5
3．滚柱式单向离合器的设计 7
3.1滚柱式单向离合器的主要参数的选取 8
3.1.1楔角的选取 8
3.1.2其他结构参数的选取 11
3.2设计计算 12
3.2.1离合器转矩的计算 12
3.2.2接触强度的计算 13
3.2.3弹簧压紧力的计算 13
3.2.4滚柱式单向离合器基本几何尺寸的计算 13
3.2.5外圈刚度的计算 13
3.3本章小结 14
4．滚柱式单向离合器的强度校核 15
4.1设计要求 15
4.2滚柱式单向离合器强度校核 15
4.2.1接触点出最大剪应力的校核 15
4.2.2外圈强度的校核 16
4.2.3公差的校核 16
4.3本章小结 17
5．总结与展望 18
5.1全文总结 18
5.2全文展望 19
参考文献 20
致 谢 21
1.绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着汽车保有量的持续增长，汽车更接近我们的正常生活，但我们还需要创造出一个更优质的产品，以迎合市场。
起动机的单向离合器是汽车启动系统中最为关键的元件，单向离合器的性能的好坏对汽车启动系统性能的好坏有着决定性的影响，起动机单向离合器的基本工作原理是单向接合和反向脱开，工作时是由蓄电池驱动的马达，然后再由单向离合器来驱动曲轴，从而启动发动机的，因为发动机启动前转速比马达低，（发动机相对静止或在起动前转速很低），此时就是单向接合的作用，发动机启动后，转速比马达高，，在这种情况下，单向离合器的反向脱开的性能就起到保护起动电机，避免损坏电机的作用[1]。
根据滚柱式单向离合器的轭（星轮）的位置，我们可以将其分为两大类：外星轮式的和内星轮式的，所谓的轭，指的就是圆柱和圆柱孔之间的接触面，星轮具有容纳滚柱凹槽的功能，但是考虑到生产工艺和加工的精度，现在运用的最广泛的是内星轮式，滚柱式单向离合器又可以根据工作表面形状的不同分成三大类：平面型，对数螺旋线型，偏心圆柱面型，这三个当中得到最为广泛的应用的是平面型，虽然说对数螺旋线型的楔角不会随着滚柱的磨损而变化，但是其加工工艺非常的复杂，偏心圆柱式只能排在两者之间。
1.2主要研究的课题、方法、内容
1.2.1课题来源及要求
本课题来源于生产实际，根据大众桑塔纳版本的单向离合器进行设计。在此设计中需要完成桑塔纳起动机的滚柱式单向离合器设计计算以及强度校核、接触角的选取、自锁条件的剖析等。另外，设计还要求包括主要零部件CAD装配图的绘制。
1.2.2研究方法
在设计时首先了解桑塔纳起动机单向离合器的总体空间布局。然后根据其总体空间结构对单向离合器进行设计。接着，根据其布置方案，进行滚柱式单向离合器各零部件的设计计算，在计算时应重点计算对离合器性能影响较大的零部件，如：楔角的选择，外圈钢度的计算和校核，弹簧的预紧力等。最后，对关键零部件进行强度校核。以上就是本设计的研究方法。整个研究流程示意图如下：
图1-1 设计流程图
1.2.3研究的主要内容
本文的研究对象是起动机的滚柱式单向离合器，通过对其元件的计算、分析，设计，校核[2]，可以验证离合器中关键部件的可行性，掌握离合器的使用范围和使用条件，保证发动机在启动过程中的平顺性和启动后分离的彻底性，完善滚柱式单向离合器的性能以及结构的尺寸参数。
2. 单向离合器
2.1起动机组成简介
起动机是启动系统重要的组成部件，起到的作用就是将蓄电池的中的化学能转换成电机的机械能，带动曲轴旋转，用于启动发动机，起动机的结构简图如图2-1所示：
图2-1 起动机原理结构图
1 -启动开关 2 -启动继电器磁化线圈 3 -启动继电器触点 4 -主触点
5 -接触盘 6 -吸引线圈 7 -保持线圈 8 -活动铁芯 9 -拨叉
10 -单向离合器 11 -螺旋花键轴 12 -内啮合减速齿
13 -主动齿轮 14 -电枢绕阻 15 -励磁绕阻
汽车启动系统大致可以被分为三个部分：直流电动机，控制机构以及传动机构，其工作流程启动，也可以分为三个步骤：吸拉，保持和复位，这次设计的主要对象是启动系统中的传动机构，传动机构主要组成部分是拨叉9、单向离合器10、螺旋花键轴11、驱动齿轮13[3]，当中最为核心的部件是单向离合器10 ，当车辆启动时，传动机构会发挥作用，将内啮合齿轮慢慢靠近主动齿轮，方向是沿着螺旋花键轴的方向，最终的目的就是使它们啮合，再将电动机此时所产生的扭矩，通过飞轮传到曲轴，以达到发动机发动且由电机转矩驱动，在发动机启动时，飞轮的增加速度逐渐增加，电机的转速小于发动机的转速，这种情况下，如果没有单向离合器，电机就会高速旋转，在驱动齿轮的带领下，而驱动齿轮又是在飞轮的作用下才会导致电机的毁坏，长时间的高速旋转，相对之前的状态也就是逆向旋转，这样的话电机很容易就会损坏，因此当它们之间有一个单向离合器被添加时，单向离合器是使高速齿轮与电机分开，是保护电机的设计是最为关键的一部分。
2.2单向离合器的功用和组成
起动机单向离合器的工作原理包括两个部分：单向接合和反向脱开，在启动车辆时，电瓶将内部的化学能转变成电机的动能，随后通过一个单向离合器，来驱动曲轴的旋转，仅仅是在发动机转速低于电机速度时（发动机的速度非常低，在启动之前或相对静止时候），在发动机起动后，因为它相对于电动机，曲轴的速度比它要高，单向离合器是反向旋转的，因此需要脱开起动机电动机和发动机[4]，以保护起动电机，以防止破坏的效果。
滚柱式单向离合器主要是由外圈，内星轮，滚柱，保持架和弹簧的元件组成，如图2-2所示：
图2-2 内星轮式滚柱式单向离合器爆炸图
当滚柱被卡死的时候，就可以传递转矩，主要原理是取得楔形的空间，并且能够将滚柱夹紧或放松，最终实现将离合器接合或者松脱这样的目的，外星轮式单向离合器的工作面通常情况下是轴向平面，在一些特殊情况下，工作表面也有是对数螺旋面或者是偏心弧面等等不同形式，但是内星轮式单向离合器的工作表面主要还是以轴向平面的为主。
2.3单向离合器的类型
根据其结构和工作原理的不同，单向离合器可以分为楔块式、滚珠式，以及棘轮式等很多种。超越离合器的国家标准（ZB/TJ19025-90和JB/T9130-2002），超越离合器的主要标准包括 CKA 型、 CKB 型（ B200 系列）、 CKZ 型、 CKD 型（UHF型）,CKX 型、 NYD （ NJ ）型等单向接触式及 CKF 型、CGK 型可控超越离合器、CG 型滚柱式超越离合器、NF 型非接触式楔块超越离合器、 CKS 型双向超越离合器等 20 多种，共有 1000 多个规格系列[5]，详细可以参考图2-3，其中内星轮式滚柱式单向离合器是最常用的一种，本次设计中也是选用内星轮式滚柱式单向离合器作为设计的基础。
图2-3 单向离合器的分类图
3．滚柱式单向离合器的设计
内星轮滚柱式单向离合器的基本构造如图3-1所示：
图3-1 内星轮式滚柱式单向离合器
1 -内星轮 2 -外圈 3 -滚柱 4 -弹簧装置
主要零件包括由内星轮等4个基本部分，外星轮的工作面通常是3个，一般而言都是轴向，不仅仅方向不同，形式也是有很大的区别的，可以分为很多种，比如有对数螺旋面的，还有类似于偏心圆的，我们管它叫偏心圆弧面。但是由于平面形式的外星轮工作面比较容易加工，但随着使用时间的推移，滚柱和平面之间磨损会越来越大，这样的话楔角就不是一个常数，所以说这样的离合器使用周期是最短暂的，对数螺旋线的楔角是不会随着滚柱平面之间的磨损的变化而变化的，因此是一个常数，这是有一个好的地方，就是这样的离合器的工作是相对可靠的，而且使用周期也是很长的，可是这样的优点并不能掩盖加工条件苛刻的缺陷，偏心圆弧面的加工工艺的复杂程度和使用周期排在它们两者中间，采用这样的形式的离合器，就平均使用周期而言，要比平面的那种方式提高出2-2.5倍不等，但是平面形式的星轮与滚柱的接触表面上如果镶嵌有硬质合金块，则磨损程度会很大程度上得到缓解，是现在滚柱式单向离合器应用最为广泛的设计方法一般都是采用平面式的，而且也是内星轮式，本设计就是采用这种设计方法作为设计滚柱式单向离合器的基础[6]。
内星轮滚柱式单向离合器的内星轮具有的型腔与滚柱的数目是相同的，滚柱的定位是通过保持架来实现的，而保持架则通过内星轮型腔来实现最终的定位的，当弹簧作用时，滚柱就会滑到内星轮的型腔中的工作表面上，当转矩被施加在在内环上的时候，滚柱就会被卡死在外环和星轮的空间之中，于此同时，相关的零件都会被闭锁，用来传递转矩，此时此刻离合器是一种自锁的状态，仅仅在内星轮有比外环转动的更快的趋势的时候，这些滚柱才会楔入，而当主动元件有比从动元件转动的更慢的趋势的时候，滚柱就会脱开，从之前的状态切换为脱开状态，此时滚柱就在外星轮和内环的滑动面上滚动或滑动，外环与星轮也就不再同步运转[7]，离合器就处在了所谓的超越的状态。
3.1滚柱式单向离合器的主要参数的选取
3.1.1楔角的选取
接触角在超越离合器各种参数里面的地位是比较重要的，其大小的选取对超越离合器的工作表现有着举足轻重的影响[8]。因此，想实现离合器正常工作，其关键就在于选择恰当的楔角Φ。
（1）受力分析
下面对滚柱式单向离合器运动原理进行基本的受力分析。
当外圈为主动作逆时针回转时候，如图3-2 所示：
图3-2 外圈为主动时受力分析图1
在摩擦力FTA的作用下，滚柱会被卡死在外圈与星轮两者的空隙之中，这时候外圈借助滚柱来驱动星轮，使得两者能够在一起做逆时针方向上的同步回转。（图中受力分析对象为滚柱，下面相同。）
当外圈为主动作顺时针回转时，如图3-3所示，滚柱在摩擦力FTA的作用下，滚柱从楔缝中松回，是外圈与星轮脱开，这时外圈不能带动星轮作一起同步回转。
图3-2 外圈为主动时受力分析图2
当星轮为主动轮的时候，并且旋转的方向不再是顺时针的时候，如图3-3所示，由于结构形状，尺寸等方面的原因，图中颜色加深的部位起到的作用和楔块的一样的，摩擦力FTA作用在滚柱上面，这样滚柱就会被卡死在外圈和星轮中的空间之内，这时摩擦力F,TA（F,TA为滚柱对于外圈接触点上的作用力）带动外圈与星轮一起在顺时针方向上旋转。
图3-3 星轮为主动轮时受力分析图1
当星轮为主动轮作逆时针方向旋转时，如图3-4所示，滚柱早摩擦力FTA的作用下，滚柱从楔合的缝隙中松回，使星轮与外圈脱开，这时星轮不能带动外圈一起作同步运动。
图3-3 星轮为主动轮时受力分析图2
（2）自锁条件的确定
滚柱式单向离合器的架构简图如图3-4所示：
图3-4 滚柱式单向离合器的结构简图
若要离合器能够有自锁的功能，一定要使得滚柱与外环与星轮两者间的实际摩擦力小于或等于滚柱与外环和星轮间静摩擦力的最大值，即：
FT ≤ μFn， （3-1）
将隔离体的选取对象选成是滚柱，并将力矩的取点取在A点，则有：
FT×r(1+ ) = Fn×r （3-2）
化简可得：
= 1+ ﹤μ （3-3）
也就是 Φ﹤2 = 2α （μ其中为摩擦力系数，α为摩擦角）。
一般情况下，基于外环、滚柱、星轮的材料、表面硬度和表面粗糙度基本相同，钢与钢之间的静摩擦系数μ一般取0.10～0.15[9]，所以该类型离合器的自锁条件就是：
Φ﹤2α （3-4）
取摩擦系数μ= 0.1，则有Φ﹤12°。
（3）楔角的选取
通常，这种类型超越离合器的星轮、滚柱和外环的材料都为GCr15，钢和钢之间的静摩擦系数，根据以往的经验，取值介于0.10～0.15，由此可以得出Φ≤11°20’～17°4’。假如α 角选取过大，滚柱很难锁紧; 但若Φ角选取的太小，那么在承受转矩时，接触应力也会变得较大，自锁后再转为超越状态时，滚柱很难再脱开。针对工作面为平面的情况，一般可取Φ=5°～9°( 本次的毕业设计中取值是7°)，而对于那些工作面为偏心圆弧面或对数螺旋面外星轮式的，滚柱磨损等等因素对Φ不会产生很大的影响，一般而言，Φ的取值可介于 10°～12°，在试验中得出的结论是，Φ的极限值介于14°～17°。表3-1就是减小楔角后的影响[10]。（增大楔角则相反）
摘 要
起动机中的单向离合器是汽车的启动系统的关键元件，其工作性能的优劣对起动机启动的效果有着决定性的作用，而它的机械原理是单向的接合和反向的分离，从而达到保护起动电机，避免损坏的目的，在毕业设计的开始，简单讲述了本课题的来源和研究的意义和设计过程中用到的方法，然后又简单介绍了汽车启动系统，说明一下其组成和功能，接下来就是介绍了滚柱式单向离合器的作用，组成，分类，以及受力情况和机械工作原理，然后对了接触角以及其它一系列的参数进行选取，选取完就开始设计的计算，包括离合器转矩，接触强度，外圈刚度的确定，以及其它的一些基本的尺寸的计算和确定，完成后再对设计结果进行了精确的校核，包括基本的设计要求，剪切应力的校核，公差的校核，以及强度的校核等，整理出最终定型的一种设计理念和方案。
关键字:起动机单向离合器滚柱式接触角
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2主要研究的课题、方法、内容 1
1.2.1课题来源及要求 1
1.2.2研究方法 1
1.2.3研究的主要内容 3
2. 单向离合器 4
2.1起动机组成简介 4
2.2单向离合器的功用和组成 5
2.3单向离合器的类型 5
3．滚柱式单向离合器的设计 7
3.1滚柱式单向离合器的主要参数的选取 8
3.1.1楔角的选取 8
3.1.2其他结构参数的选取 11
3.2设计计算 12
3.2.1离合器转矩的计算 12
3.2.2接触强度的计算 13
3.2.3弹簧压紧力的计算 13
3.2.4滚柱式单向离合器基本几何尺寸的计算 13
3.2.5外圈刚度的计算 13
3.3本章小结 14
4．滚柱式单向离合器的强度校核 15
4.1设计要求 15
4.2滚柱式单向离合器强度校核 15
4.2.1接触点出最大剪应力的校核 15
4.2.2外圈强度的校核 16
4.2.3公差的校核 16
4.3本章小结 17
5．总结与展望 18
5.1全文总结 18
5.2全文展望 19
参考文献 20
致 谢 21
1.绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着汽车保有量的持续增长，汽车更接近我们的正常生活，但我们还需要创造出一个更优质的产品，以迎合市场。
起动机的单向离合器是汽车启动系统中最为关键的元件，单向离合器的性能的好坏对汽车启动系统性能的好坏有着决定性的影响，起动机单向离合器的基本工作原理是单向接合和反向脱开，工作时是由蓄电池驱动的马达，然后再由单向离合器来驱动曲轴，从而启动发动机的，因为发动机启动前转速比马达低，（发动机相对静止或在起动前转速很低），此时就是单向接合的作用，发动机启动后，转速比马达高，，在这种情况下，单向离合器的反向脱开的性能就起到保护起动电机，避免损坏电机的作用[1]。
根据滚柱式单向离合器的轭（星轮）的位置，我们可以将其分为两大类：外星轮式的和内星轮式的，所谓的轭，指的就是圆柱和圆柱孔之间的接触面，星轮具有容纳滚柱凹槽的功能，但是考虑到生产工艺和加工的精度，现在运用的最广泛的是内星轮式，滚柱式单向离合器又可以根据工作表面形状的不同分成三大类：平面型，对数螺旋线型，偏心圆柱面型，这三个当中得到最为广泛的应用的是平面型，虽然说对数螺旋线型的楔角不会随着滚柱的磨损而变化，但是其加工工艺非常的复杂，偏心圆柱式只能排在两者之间。
1.2主要研究的课题、方法、内容
1.2.1课题来源及要求
本课题来源于生产实际，根据大众桑塔纳版本的单向离合器进行设计。在此设计中需要完成桑塔纳起动机的滚柱式单向离合器设计计算以及强度校核、接触角的选取、自锁条件的剖析等。另外，设计还要求包括主要零部件CAD装配图的绘制。
1.2.2研究方法
在设计时首先了解桑塔纳起动机单向离合器的总体空间布局。然后根据其总体空间结构对单向离合器进行设计。接着，根据其布置方案，进行滚柱式单向离合器各零部件的设计计算，在计算时应重点计算对离合器性能影响较大的零部件，如：楔角的选择，外圈钢度的计算和校核，弹簧的预紧力等。最后，对关键零部件进行强度校核。以上就是本设计的研究方法。整个研究流程示意图如下：
图1-1 设计流程图
1.2.3研究的主要内容
本文的研究对象是起动机的滚柱式单向离合器，通过对其元件的计算、分析，设计，校核[2]，可以验证离合器中关键部件的可行性，掌握离合器的使用范围和使用条件，保证发动机在启动过程中的平顺性和启动后分离的彻底性，完善滚柱式单向离合器的性能以及结构的尺寸参数。
2. 单向离合器
2.1起动机组成简介
起动机是启动系统重要的组成部件，起到的作用就是将蓄电池的中的化学能转换成电机的机械能，带动曲轴旋转，用于启动发动机，起动机的结构简图如图2-1所示：
图2-1 起动机原理结构图
1 -启动开关 2 -启动继电器磁化线圈 3 -启动继电器触点 4 -主触点
5 -接触盘 6 -吸引线圈 7 -保持线圈 8 -活动铁芯 9 -拨叉
10 -单向离合器 11 -螺旋花键轴 12 -内啮合减速齿
13 -主动齿轮 14 -电枢绕阻 15 -励磁绕阻
汽车启动系统大致可以被分为三个部分：直流电动机，控制机构以及传动机构，其工作流程启动，也可以分为三个步骤：吸拉，保持和复位，这次设计的主要对象是启动系统中的传动机构，传动机构主要组成部分是拨叉9、单向离合器10、螺旋花键轴11、驱动齿轮13[3]，当中最为核心的部件是单向离合器10 ，当车辆启动时，传动机构会发挥作用，将内啮合齿轮慢慢靠近主动齿轮，方向是沿着螺旋花键轴的方向，最终的目的就是使它们啮合，再将电动机此时所产生的扭矩，通过飞轮传到曲轴，以达到发动机发动且由电机转矩驱动，在发动机启动时，飞轮的增加速度逐渐增加，电机的转速小于发动机的转速，这种情况下，如果没有单向离合器，电机就会高速旋转，在驱动齿轮的带领下，而驱动齿轮又是在飞轮的作用下才会导致电机的毁坏，长时间的高速旋转，相对之前的状态也就是逆向旋转，这样的话电机很容易就会损坏，因此当它们之间有一个单向离合器被添加时，单向离合器是使高速齿轮与电机分开，是保护电机的设计是最为关键的一部分。
2.2单向离合器的功用和组成
起动机单向离合器的工作原理包括两个部分：单向接合和反向脱开，在启动车辆时，电瓶将内部的化学能转变成电机的动能，随后通过一个单向离合器，来驱动曲轴的旋转，仅仅是在发动机转速低于电机速度时（发动机的速度非常低，在启动之前或相对静止时候），在发动机起动后，因为它相对于电动机，曲轴的速度比它要高，单向离合器是反向旋转的，因此需要脱开起动机电动机和发动机[4]，以保护起动电机，以防止破坏的效果。
滚柱式单向离合器主要是由外圈，内星轮，滚柱，保持架和弹簧的元件组成，如图2-2所示：
图2-2 内星轮式滚柱式单向离合器爆炸图
当滚柱被卡死的时候，就可以传递转矩，主要原理是取得楔形的空间，并且能够将滚柱夹紧或放松，最终实现将离合器接合或者松脱这样的目的，外星轮式单向离合器的工作面通常情况下是轴向平面，在一些特殊情况下，工作表面也有是对数螺旋面或者是偏心弧面等等不同形式，但是内星轮式单向离合器的工作表面主要还是以轴向平面的为主。
2.3单向离合器的类型
根据其结构和工作原理的不同，单向离合器可以分为楔块式、滚珠式，以及棘轮式等很多种。超越离合器的国家标准（ZB/TJ19025-90和JB/T9130-2002），超越离合器的主要标准包括 CKA 型、 CKB 型（ B200 系列）、 CKZ 型、 CKD 型（UHF型）,CKX 型、 NYD （ NJ ）型等单向接触式及 CKF 型、CGK 型可控超越离合器、CG 型滚柱式超越离合器、NF 型非接触式楔块超越离合器、 CKS 型双向超越离合器等 20 多种，共有 1000 多个规格系列[5]，详细可以参考图2-3，其中内星轮式滚柱式单向离合器是最常用的一种，本次设计中也是选用内星轮式滚柱式单向离合器作为设计的基础。
图2-3 单向离合器的分类图
3．滚柱式单向离合器的设计
内星轮滚柱式单向离合器的基本构造如图3-1所示：
图3-1 内星轮式滚柱式单向离合器
1 -内星轮 2 -外圈 3 -滚柱 4 -弹簧装置
主要零件包括由内星轮等4个基本部分，外星轮的工作面通常是3个，一般而言都是轴向，不仅仅方向不同，形式也是有很大的区别的，可以分为很多种，比如有对数螺旋面的，还有类似于偏心圆的，我们管它叫偏心圆弧面。但是由于平面形式的外星轮工作面比较容易加工，但随着使用时间的推移，滚柱和平面之间磨损会越来越大，这样的话楔角就不是一个常数，所以说这样的离合器使用周期是最短暂的，对数螺旋线的楔角是不会随着滚柱平面之间的磨损的变化而变化的，因此是一个常数，这是有一个好的地方，就是这样的离合器的工作是相对可靠的，而且使用周期也是很长的，可是这样的优点并不能掩盖加工条件苛刻的缺陷，偏心圆弧面的加工工艺的复杂程度和使用周期排在它们两者中间，采用这样的形式的离合器，就平均使用周期而言，要比平面的那种方式提高出2-2.5倍不等，但是平面形式的星轮与滚柱的接触表面上如果镶嵌有硬质合金块，则磨损程度会很大程度上得到缓解，是现在滚柱式单向离合器应用最为广泛的设计方法一般都是采用平面式的，而且也是内星轮式，本设计就是采用这种设计方法作为设计滚柱式单向离合器的基础[6]。
内星轮滚柱式单向离合器的内星轮具有的型腔与滚柱的数目是相同的，滚柱的定位是通过保持架来实现的，而保持架则通过内星轮型腔来实现最终的定位的，当弹簧作用时，滚柱就会滑到内星轮的型腔中的工作表面上，当转矩被施加在在内环上的时候，滚柱就会被卡死在外环和星轮的空间之中，于此同时，相关的零件都会被闭锁，用来传递转矩，此时此刻离合器是一种自锁的状态，仅仅在内星轮有比外环转动的更快的趋势的时候，这些滚柱才会楔入，而当主动元件有比从动元件转动的更慢的趋势的时候，滚柱就会脱开，从之前的状态切换为脱开状态，此时滚柱就在外星轮和内环的滑动面上滚动或滑动，外环与星轮也就不再同步运转[7]，离合器就处在了所谓的超越的状态。
3.1滚柱式单向离合器的主要参数的选取
3.1.1楔角的选取
接触角在超越离合器各种参数里面的地位是比较重要的，其大小的选取对超越离合器的工作表现有着举足轻重的影响[8]。因此，想实现离合器正常工作，其关键就在于选择恰当的楔角Φ。
（1）受力分析
下面对滚柱式单向离合器运动原理进行基本的受力分析。
当外圈为主动作逆时针回转时候，如图3-2 所示：
图3-2 外圈为主动时受力分析图1
在摩擦力FTA的作用下，滚柱会被卡死在外圈与星轮两者的空隙之中，这时候外圈借助滚柱来驱动星轮，使得两者能够在一起做逆时针方向上的同步回转。（图中受力分析对象为滚柱，下面相同。）
当外圈为主动作顺时针回转时，如图3-3所示，滚柱在摩擦力FTA的作用下，滚柱从楔缝中松回，是外圈与星轮脱开，这时外圈不能带动星轮作一起同步回转。
图3-2 外圈为主动时受力分析图2
当星轮为主动轮的时候，并且旋转的方向不再是顺时针的时候，如图3-3所示，由于结构形状，尺寸等方面的原因，图中颜色加深的部位起到的作用和楔块的一样的，摩擦力FTA作用在滚柱上面，这样滚柱就会被卡死在外圈和星轮中的空间之内，这时摩擦力F,TA（F,TA为滚柱对于外圈接触点上的作用力）带动外圈与星轮一起在顺时针方向上旋转。
图3-3 星轮为主动轮时受力分析图1
当星轮为主动轮作逆时针方向旋转时，如图3-4所示，滚柱早摩擦力FTA的作用下，滚柱从楔合的缝隙中松回，使星轮与外圈脱开，这时星轮不能带动外圈一起作同步运动。
图3-3 星轮为主动轮时受力分析图2
（2）自锁条件的确定
滚柱式单向离合器的架构简图如图3-4所示：
图3-4 滚柱式单向离合器的结构简图
若要离合器能够有自锁的功能，一定要使得滚柱与外环与星轮两者间的实际摩擦力小于或等于滚柱与外环和星轮间静摩擦力的最大值，即：
FT ≤ μFn， （3-1）
将隔离体的选取对象选成是滚柱，并将力矩的取点取在A点，则有：
FT×r(1+ ) = Fn×r （3-2）
化简可得：
= 1+ ﹤μ （3-3）
也就是 Φ﹤2 = 2α （μ其中为摩擦力系数，α为摩擦角）。
一般情况下，基于外环、滚柱、星轮的材料、表面硬度和表面粗糙度基本相同，钢与钢之间的静摩擦系数μ一般取0.10～0.15[9]，所以该类型离合器的自锁条件就是：
Φ﹤2α （3-4）
取摩擦系数μ= 0.1，则有Φ﹤12°。
（3）楔角的选取
通常，这种类型超越离合器的星轮、滚柱和外环的材料都为GCr15，钢和钢之间的静摩擦系数，根据以往的经验，取值介于0.10～0.15，由此可以得出Φ≤11°20’～17°4’。假如α 角选取过大，滚柱很难锁紧; 但若Φ角选取的太小，那么在承受转矩时，接触应力也会变得较大，自锁后再转为超越状态时，滚柱很难再脱开。针对工作面为平面的情况，一般可取Φ=5°～9°( 本次的毕业设计中取值是7°)，而对于那些工作面为偏心圆弧面或对数螺旋面外星轮式的，滚柱磨损等等因素对Φ不会产生很大的影响，一般而言，Φ的取值可介于 10°～12°，在试验中得出的结论是，Φ的极限值介于14°～17°。表3-1就是减小楔角后的影响[10]。（增大楔角则相反）
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