鼓形齒聯(lián)軸器設(shè)計加工問題研究

梁全鵬

（天津市祥威傳動設(shè)備有限公司，天津300380）

0 引 言

鼓形齒聯(lián)軸器在設(shè)計和生產(chǎn)加工過程中存在著一些問題，經(jīng)過分析討論發(fā)現(xiàn)，鼓形齒聯(lián)軸器還需要從基本的概念出發(fā)來重新理解和認識，從而得到新的設(shè)計、加工思路和方法。

1 鼓形齒聯(lián)軸器的概念理解

鼓形齒聯(lián)軸器是齒輪聯(lián)軸器的一種，屬于撓性聯(lián)軸器，其具有兩軸線間的徑向、軸向和角向位移補償能力。關(guān)于鼓形齒聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器還是撓性聯(lián)軸器存在一定的爭議。若從剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器最根本的定義區(qū)別出發(fā)，鼓形齒聯(lián)軸器具有補償兩軸線位移的能力，自然屬于撓性聯(lián)軸器。

鼓形齒聯(lián)軸器的簡易結(jié)構(gòu)是由齒數(shù)相同的內(nèi)齒圈（套）和外齒軸套（半聯(lián)軸器）等零件組成。不同于直齒聯(lián)軸器的外齒，鼓形齒聯(lián)軸器的外齒為鼓形齒，也是此聯(lián)軸器得名之由來。鼓形齒是鼓形齒聯(lián)軸器的最關(guān)鍵因素，它的設(shè)計影響著整個聯(lián)軸器的性能。

2 鼓形齒聯(lián)軸器的歷史發(fā)展及相關(guān)標準

鼓形齒聯(lián)軸器初期在應(yīng)用方面的資料很有限，我們在一些資料中了解到：國外對鼓形齒聯(lián)軸器的研究工作開始于20世紀50年代，目前設(shè)計更加完善合理，加工工藝更加成熟，并針對不同行業(yè)應(yīng)用形成了標準化系列化產(chǎn)品。工業(yè)革命之后，歐洲各國工業(yè)迅速發(fā)展起來，鼓形齒聯(lián)軸器在英國、德國、美國等發(fā)達國家首先得到應(yīng)用和發(fā)展，技術(shù)也逐步成熟和不斷提高。國內(nèi)對鼓形齒聯(lián)軸器的研究較晚一些，近幾十年，才對鼓形齒聯(lián)軸器進行了大量的分析研究，逐步消化和理解國外鼓形齒聯(lián)軸器技術(shù)，形成了一些理論儲備知識。

20世紀90 年代，國內(nèi)開始對鼓形齒聯(lián)軸器的齒面進行研究分析。21世紀初期，開始對鼓形齒聯(lián)軸器的齒形及加工方法進行探索研究。近些年來，隨著計算機輔助技術(shù)的發(fā)展，借助各種軟件建模，進行有限元分析，引入了對鼓形齒聯(lián)軸器輪齒的應(yīng)力分析研究，模擬結(jié)果更加貼近實際應(yīng)用情況，提高了準確性。隨著國內(nèi)軌道交通的快速發(fā)展，高速列車、地鐵等軌道車輛用鼓形齒聯(lián)軸器的設(shè)計研發(fā)也引起高度重視。一開始我國軌道車輛用聯(lián)軸器主要依靠從國外進口，在對國外產(chǎn)品不斷地學習研究后，逐漸可以按照參數(shù)加工制造類似國外的一些產(chǎn)品，現(xiàn)在可以根據(jù)需要進行自主設(shè)計研發(fā)和制造。軌道車輛用鼓形齒聯(lián)軸器技術(shù)要求相對較高，目前國內(nèi)能生產(chǎn)的企業(yè)不多。軌道車輛用鼓形齒聯(lián)軸器由于前期主要是進口國外產(chǎn)品，各國都有自己的標準和規(guī)格，且各有差異，我們在技術(shù)引進和國產(chǎn)化過程中還沒有標準化和系列化，生產(chǎn)加工中也沒有形成特定的工藝方法，能力和技術(shù)還有待于近一步的提高和完善。目前，國內(nèi)地鐵、動車和高鐵車輛用鼓形齒聯(lián)軸器已逐步替換為自己生產(chǎn)的產(chǎn)品。同時由于近些年來風電行業(yè)的興起，大型風電齒輪箱用鼓形齒聯(lián)軸器也引起重視和研究。鋼廠軋機用鼓形齒聯(lián)軸器、煤礦刮板機用鼓形齒聯(lián)軸器、水泥立磨減速機用鼓形齒聯(lián)軸器，都在近些年不斷地被研究和優(yōu)化升級。

隨著鼓形齒聯(lián)軸器應(yīng)用的不斷擴展，系列化、標準化成為一種必要，同時為各行業(yè)應(yīng)用選型及設(shè)計提供一定的參考。鼓形齒聯(lián)軸器已形成一些標準化系列，廣泛應(yīng)用于冶金、采礦、水泥、化工、運輸?shù)刃袠I(yè)的機械設(shè)備中。

例如GⅠCL、GⅠCLZ型鼓形齒式聯(lián)軸器(JB/T 8854.3— 2001)、WGP 型帶制動盤鼓形齒式聯(lián)軸器(JB/T 7001— 2007)、NGCL 型帶制動輪型鼓形齒式聯(lián)軸器(JB/ZQ4644 — 2006)、GSL 伸縮型鼓形齒式聯(lián)軸器（JB/T 10540-2005）、大型鼓形齒式聯(lián)軸器(GB/T 29027-2012)等。由于鼓形齒聯(lián)軸器參數(shù)對傳動特性的影響還有待于進一步的研究和各公司知識產(chǎn)權(quán)及技術(shù)保密，國內(nèi)外鼓形齒聯(lián)軸器標準均未給出輪齒的設(shè)計參數(shù)，所以鼓形齒聯(lián)軸器的設(shè)計研究、參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用過程中的經(jīng)驗反饋，是一個長期的過程。

3 鼓形齒聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點

鼓形齒聯(lián)軸器既可以聯(lián)接水平方向的傳動，也可以在特殊結(jié)構(gòu)下聯(lián)接豎直方向的傳動，在一些傳動機械應(yīng)用中具有較大的的優(yōu)勢。

如圖1所示的鼓形齒聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)為對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)齒圈2通過絞制孔螺栓連接成一個腔體再分別與兩端外齒軸套1嚙合，當一端的軸套1與傳動軸聯(lián)接（可以是鍵聯(lián)接或其他形式）轉(zhuǎn)動時，可以從另一端輸出轉(zhuǎn)動。這種聯(lián)軸器多用于水平方向使用的工況。

圖1 鼓形齒聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

如圖2所示為鼓形齒聯(lián)軸器為豎直方向應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)，內(nèi)齒圈2為整體結(jié)構(gòu)，它通過同時與上下外齒軸1和外齒軸3嚙合傳遞自上而下或者自下而上的豎直方向運動。外齒軸為鼓形齒。

圖2 立式應(yīng)用的鼓形齒聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡圖

4 鼓形齒齒形特點

如圖3所示，鼓形齒的齒頂是半徑為da1/2的一球面，它的齒面鼓形（齒廓曲線）是加工時刀具以MB為圓心沿位移圓R切削齒坯自然形成的，這一點很重要。鼓形齒加工時，刀具軸心軌跡為圓弧。ge為A-A截面內(nèi)（法向）齒向單側(cè)減薄量，gt為B-B截面內(nèi)（切向）齒向單側(cè)減薄量，A -A 截面、B-B截面為齒寬中截面DD 上過嚙合點相應(yīng)的截面。與非鼓形齒齒輪齒向修形相比，gt的修形量大的多，在檢測時更要理解概念，選擇正確的基準線，否則無法檢測減薄量或?qū)е洛e誤的檢測結(jié)果。我們一再強調(diào)鼓形齒的“鼓形”是刀具沿位移圓軌跡運動自然形成的，但由于概念理解錯誤或各企業(yè)的加工能力有限，往往加工后得到是錯誤的齒形。而且缺乏正確的齒形檢測方法，以至于都不知道是錯誤的齒形。 最常見的錯誤就是刀具沿直線行走，然后在齒端兩側(cè)進行減薄修形，這樣得到的齒形不是鼓形齒。最明顯的判斷就是齒根軌跡是直線而不是弧線，減薄修形時輪齒兩端齒頂也可以看出收縮，齒面接近齒頂部位可能出現(xiàn)不明減薄區(qū)域，這種非鼓形齒在實際應(yīng)用中存在較大的風險。如果鼓形齒需要磨齒，那么砂輪的軌跡也應(yīng)該為圓弧。

圖3 鼓形齒齒形結(jié)構(gòu)

5 鼓形齒聯(lián)軸器的參數(shù)

鼓形齒聯(lián)軸器內(nèi)、外齒的定心方式一般采用內(nèi)齒齒根圓與外齒齒頂圓徑向定心（齒頂定心），或采用內(nèi)、外齒齒面定心（齒側(cè)定心）。由于國內(nèi)外鼓形齒參數(shù)存在較大差異和鼓形齒聯(lián)軸器定心方式的特殊性使得鼓形齒聯(lián)軸器內(nèi)外齒輪副的加工難度增大，一般標準刀具很難滿足。比如實際遇到的鼓形齒聯(lián)軸器齒，有的鼓形齒內(nèi)外齒齒高系數(shù)都是1；有的外齒齒頂高系數(shù)為0.6，齒根高系數(shù)為1.25，內(nèi)齒齒頂高系數(shù)為1，齒根高系數(shù)為0.6。而且差異不僅這些，鼓形齒聯(lián)軸器的齒部參數(shù)比較靈活。設(shè)計時應(yīng)該在滿足結(jié)構(gòu)和傳動要求的前提下根據(jù)加工能力選取適當?shù)膮?shù)，不必受限于其參數(shù)的多樣性。如果是加工外來的鼓形齒聯(lián)軸器齒件，需要進行參數(shù)核算，查看現(xiàn)有刀具能否滿足需要，或者用其他方法加工。

提高承載能力，使鼓形齒聯(lián)軸器在滿足工況的前提下盡可能地延長使用壽命是我們的目標。通過對實際應(yīng)用中損壞的鼓形齒聯(lián)軸器進行分析，發(fā)現(xiàn)鼓形齒聯(lián)軸器的主要失效形式是外齒齒面磨損（嚴重時輪齒折斷）。增加齒厚，提高鼓形齒強度能夠有效解決這個問題。但是出于結(jié)構(gòu)和空間等因素的限制，無法過多增大外齒輪直徑使其達到強度增加的目的。讓齒高變短一些，輪齒變厚一些可以提高輪齒彎曲和接觸強度。不難看出，“短厚齒”將成為鼓形齒聯(lián)軸器設(shè)計的一個優(yōu)勢方向。如果稍加注意就會發(fā)現(xiàn)，“短厚齒”很容易讓人聯(lián)想到花鍵聯(lián)接，這也許會對鼓形齒參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化有一些啟發(fā)。

6 鼓形齒聯(lián)軸器內(nèi)外齒材料及熱處理

鼓形齒內(nèi)外齒材料的選擇很關(guān)鍵，我們一度發(fā)現(xiàn)材料和熱處理方式對提高輪齒強度及耐磨性很有幫助，從而使聯(lián)軸器的使用壽命大大提高。根據(jù)不同的應(yīng)用工況和強度要求，可選擇相應(yīng)的材料；通常選用合金鋼調(diào)質(zhì)、滲碳或氮化熱處理。調(diào)質(zhì)鋼硬度280～320 HBS, 例如42CrMo、34CrNiMo 等；滲 碳 鋼 硬 度58～62 HRC, 例 如18CrNiMo7-6、20CrMnMo等；氮化鋼硬度550～750 HV, 例如42CrMo、34CrNiMo等。

7 結(jié) 語

鼓形齒聯(lián)軸器可以有效補償兩軸線間的徑向、軸向及軸線傾斜的角位移，允許正反轉(zhuǎn)；能承受較大的轉(zhuǎn)矩和沖擊載荷，在相同的角位移時，比直齒聯(lián)軸器承載能力提高15%～20%；易于安裝調(diào)整。正因為有這些優(yōu)點，鼓形齒聯(lián)軸器被廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)中，如在煤炭行業(yè)刮板機、鋼廠軋機、水泥立磨減速機、風電齒輪箱、高速列車等。近年來通過在各行業(yè)應(yīng)用、設(shè)計及加工的不斷探索，我們不再停留在對國外一些產(chǎn)品的模仿，已經(jīng)可以自主進行設(shè)計研發(fā)，從而對鼓形齒聯(lián)軸器有了更深入的認識。