鼓形齿式联轴器设计加工问题研究

鼓形齿式联轴器设计加工问题研究

成浩

山西博宇重工股份有限公司 

摘要：随着联轴器设计水平的提升，鼓形齿式联轴器已经广泛运用在高铁以及船用汽轮机、轧钢中的主要零件，由于鼓形齿对于联轴器的传动性能会产生一定影响，因此在开展鼓形齿式联轴器设计的时候，应该结合实际情况不断优化健全鼓形齿的阐述设计，本文结合现行设计理念、多年积累的设计经验，总结归纳鼓形齿式联轴器的优化设计方式、参数优化方式，能够为后续开展联轴器设计工作提供一些参考依据，对于顺利推广鼓形齿式联轴器具有促进作用。

关键词：鼓形齿式联轴器；优化设计方式；参数优化方式

0  引言

由于鼓形齿式联轴器能够解决两个联接轴由于安装问题、弹性变形问题、沉降问题引发轴线不重合问题导致的角度误差、轴向误差、径向误差，可以确保设备处于平稳运行的状态。因此相关工作人员应该着重研究鼓形齿式联轴器的优化设计方式以及参数优化方式，不断提高鼓形齿式联轴器的设计质量、加工效率。

1 鼓形齿式联轴器发展历程

早在20世纪40年代开始，由于鼓形齿式联轴器具备比较好的传动能力，已经在日美德等国家获得了应用以及发展。我国研究鼓形齿式联轴器的起步时间相对比较晚，在80年代才开始进行这种联轴器的研发工作，在当时引进了国外的联轴器加工技术并进行研发、创新，到目前为止，我国已经具备成熟的鼓形齿式联轴器生产加工技术，但是由于研究时间明显短于其他国家，使得鼓形齿式联轴器在技术指标方面、传递扭矩方面、使用寿命方面依旧存在一定差距，使得部分应用者依旧处于比较依赖进口联轴器的状态。

2  鼓形齿式联轴器工作原理

如图1所示，鼓形齿式联轴器主要由内齿圈、承载环、密封圈以及端盖等零件构成，运行原理主要是借助鼓形外齿以及内齿圈的啮合能力仅从扭矩传递操作，并在承载环以及球形外表面的帮助下可以自行进行调节。

图1 鼓形齿式联轴器

在运用鼓形齿式联轴器的时候，外鼓形齿以及内齿圈在进行啮合处理的时候，往往会展现出具有规律的运动，如图2所示，主要包括两种运动形式，一种是摆动运动，另一种是翻转运动。

图2 鼓形齿式联轴器内外齿轮运动关系

3  鼓形齿式联轴器国内外研究情况

现如今，应用频率比较高的联轴器主要包括梅花形弹性联轴器、鼓形齿式联轴器、膜片联轴器等，齿轮手册虽然可以为鼓形齿式联轴器开展结构设计的时候提供一些参数计算方式、强度校核处理公式，但是一般仅适用在中型联轴器、小型联轴器中。

在20世纪50年代，美国即已经将鼓形齿式联轴器运用在轧钢机上，前苏联也是在轧钢机中应用鼓形齿式联轴器比较早的国家，且发展速度相对比较快，在1972年电钢制造厂即已经界定了鼓形齿式联轴器的加工标准并推广使用，日本也一直在鼓形齿式联轴器上积极进行引进工作、推广工作，而我国在轧钢方面应用的鼓形齿式联轴器，依旧存在过度依赖进口的情况。

目前公共交通工具已经成为世界各国人民的出行首选，对于地铁、轻轨、高铁的需求量越来越大，在交流电机问世依赖，传统的齿式联轴器已经不能切实满足交通领域使用需要。比利时已经研制出转速比较高、振动频率比较低、噪声比较小、免维护期比较长的鼓形齿式联轴器，我国在天津市、上海市的地铁线路中已经运用了这款进口联轴器，在部分高速动力上使用三棱研发的鼓形齿式联轴器。

鼓形齿式联轴器还可以被运用在大型船只中的汽轮机内、燃气机内，能够在机组中发挥出连接功能、转矩传递功能那个，现在我国通过及时引进、加大研究力度，已经可以小批量仿制进口鼓形齿式联轴器，但是由于尚不具备比较完整的设计体系、加工水平不够先进，使得联轴器产品性能与进口产品存在一定差距。

我国在联轴器应用方面，大部分需要依靠进口满足使用需要，自主研发能力有待提升，齿轮手册仅供在中型鼓形齿式联轴器、小型鼓形齿式联轴器使用，对于大型联轴器而言参考价值比较小，而大型鼓形齿式联轴器是目前我国工业发展急切需要的，因此相关工作人员应该重点加强对大型联轴器设计方式、加工方式、新齿形联轴器研发工作的研究力度，不断健全、优化改进我国在联轴器设计方面的参考标准，对于我国联轴器加工水平的提升具有促进作用。

4  鼓形齿式联轴器的结构特点

鼓形齿式联轴器能够在水平方向发挥出传动功能，也可以在特殊结构竖直方向进行传动，将其运用在传动机械中应用优势比较大，一些传动机械应用中具有较大的的优势。鼓形齿式联轴器结构的两侧位置属于对称结构，内齿圈会使用绞制孔螺栓进行，腔体会分别和外齿轴套进行啮合处理，在轴套一端和传动轴进行联接转动的时候，能够直接从另一端开展输出传动处理，这类联动轴一般会运用在水平方向上。在鼓形齿式联轴器结构中，内齿圈属于整体结构，能够借助上下外齿轴的啮合能力进行运动，外齿轴上一般是鼓形齿。

5  鼓形齿齿形特点

鼓形齿和直齿轮存在一定差异，主要包括两个参数，一个是齿顶的圆弧半径，以表示，另一个是滚切圆弧半径以表示。依照鼓形齿的成型原理克制，任何一个方向齿形界面的齿形均是直齿，在计量界面展现的是齿形投影，因此如果计量截面存在差异，齿形也会存在差异，因此我国已将中心线界面齿形界定为计量齿形。如图3所示，鼓形齿的计量截面即是齿向截面，也是最大齿外圆分度圆的截面，

代表沿齿宽齿向的弧形半径，表示联轴器的齿向鼓形量，此时和之间具有数学关系。

图3 鼓形齿的齿向截面

6  鼓形齿式联轴器的参数优化方式

优化鼓形齿式联轴器的参数已经成为紧要问题，不但需要保证联轴器结构尺寸规格处于比较小的状态，而且应该保证鼓形齿式联轴器的强度比较大、内核能力比较强。在鼓形齿式联轴器加工标准中，已经明确规定了联轴器外部的尺寸，因此参数优化重点在于结构尺寸确定的情况下选择内部齿轮的最佳参数值，保证内部齿轮具备最为合适的承载能力、相对比较长的使用期限。如果鼓形齿式联轴器出现失效问题，主要是因为外齿轮的齿面已经受到严重磨损影响导致后齿轮发生折断失效现象，因此在进行参数优化的时候，相关工作人员应该适当提高外齿轮的齿轮厚度，尽量提升齿根位置的弯曲强度，降低齿面受到的磨损影响，方能不断提高鼓形齿式联轴器的承载能力以及应用期限。

一般情况下，鼓形齿式联轴器的齿顶系数是1，径向间隙系数是0.25，外齿轮的齿高是2.25米，在应用标准齿轮的时候，内外齿轮的分度圆齿厚度基本一致，应用优势在于加工技术水平比较高，可以直接使用标准齿轮滚刀以及插齿刀开展加工设计。但是这种类型的鼓形齿式联轴器，外齿齿根在齿根抗弯强度方面明显小于内齿齿根。因此在开展优化设计的时候，应该适当提高外齿轮的厚度，尽量提升外齿轮齿根的弯曲强度。

此时一般会运用两种方式，一种是借助特殊刀具降低内齿轮的厚度、增加外齿轮的厚度，保证联轴器在内外齿轮抗弯强度上处于相同状态。这种方式需要使用瘦齿型滚刀，加工难度比较大，不适合推广。另一种方式是使用变位短厚齿型的内外齿轮，通过减少外齿轮的齿高，增加外齿轮的厚度，在保证外齿轮加工材料数量不变的情况下，使外齿轮处于短粗状态，从而不断提升外齿轮的抗弯强度。这种方式主要是使用标准滚刀以及插齿刀开展联轴器加工设计，加工方式相对比较简单，易于操作，生产加工效率相对比较高，适合进行大范围推广。

7  鼓形齿式联轴器的内外齿材料以及热处理方式

在加工设计中低速鼓形齿式联轴器的时候，一般会运用ZG45材料，在进行热处理的时候需要使用调质，高速鼓形齿式联轴器在运行时应力相对比较大，因此加工人员可以使用强度比较高的合金钢作为主要材料。鼓形齿式联轴器在齿面位置可能出现的损伤问题主要包括四种，分别是胶合磨损、点蚀磨损、齿表面变形磨损、磨料磨损。

为了最大程度地减缓鼓形齿式联轴器的损伤程度，可以通过在选材环节、热处理环节中使用一些优化措施。第一，在加工设计鼓形齿式联轴器的时候，应该在选择内外齿轮零件的时候，选择使用不同的加工材料，在一定程度上能够避免齿面出现胶合磨损问题，且能够降低磨料磨损问题出现的可能性。第二，如果相互啮合的内外齿在齿宽长度上出现不相等的问题，为了避免出现压痕问题、台肩问题，应该保证齿宽大的齿面硬度也大。第三，虽然对齿面进行硬化处理，能够有效降低磨料磨损影响，提升联轴器的耐磨能力，但是过度提升齿面硬度，可能会导致齿面硬化层出现剥落问题造成齿轮失效情况。此时需要使用淬火方式、氮化方式进行处理，再加上齿面经历过氮化处理能够进一步提升齿轮耐磨能力，因此一般会运用氮化法提升齿面硬度。

8  结语

综上所述，在优化鼓形齿式联轴器加工设计的时候，应该对齿面进行硬化处理，在内外齿轮选用不同的加工材料，增加外齿轮厚度，降低磨损问题对鼓形齿式联轴器产生的不利影响，从而全面提高联轴器的加工质量。