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                 TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
                       陳麗松
            (北京太富力傳動(dòng)機(jī)器有限責(zé)任公司, 北京 100011)
  [摘要]介紹了一種新型鼓形齒式聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)、制造特點(diǎn)。
  [關(guān)鍵詞]鼓形齒式聯(lián)軸器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 制造特點(diǎn) 扭矩
1. 引言
   聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸(主動(dòng)軸和從動(dòng)軸)使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。根據(jù)我公司產(chǎn)品使用特點(diǎn)，專門開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器系列，主要用于我公司高爐主卷?yè)P(yáng)產(chǎn)品中。高爐主卷?yè)P(yáng)減速器前后的聯(lián)接見(jiàn)圖1。主卷?yè)P(yáng)一天24 小時(shí)不停機(jī)，一年中工作時(shí)間達(dá)到
330～350 天，周期工作制，每天上料800～900 車，高爐趕料時(shí)達(dá)45 車/小時(shí)。電機(jī)與減速器間聯(lián)接的高速端聯(lián)軸器，工作時(shí)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，1000～1500 r/min；減速器與卷筒間聯(lián)接的低速端聯(lián)軸器，工作時(shí)處于頻繁重載雙向運(yùn)行狀態(tài),卷筒上受到10t 以上的拉力(勻速運(yùn)行時(shí))。

                       圖 1
   該聯(lián)軸器系列外型尺寸參照國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8854.2-2001《GⅡCL 型、GⅡCLZ 型鼓形齒式聯(lián)軸器》。
2. 用途及機(jī)理
   高爐上料主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)是煉鐵廠高爐最關(guān)鍵的原料輸送設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)80％以上高爐采用卷?yè)P(yáng)
料車上料，中型高爐又多采用雙車上料方式，即二部料車用的鋼絲繩卷繞于同一卷筒上，裝料的重車上升與空載輕車下降同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)下部料車裝料后，按生產(chǎn)指令開(kāi)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，使料車沿斜橋的軌道上升，到達(dá)爐頂相應(yīng)位置時(shí)，減速停止并翻料入爐，同時(shí)另一空料車正處于下降停止。在料車啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，速度由慢到快，然后勻速運(yùn)行，接近爐頂時(shí)再由快到慢直到停止。
   由高爐上料的生產(chǎn)要求可以看出，高爐主卷?yè)P(yáng)卷筒承受極大的且變化的徑向力和彎曲力矩，沖擊
較大，卷筒軸在工作中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變形，所以要求所使用的聯(lián)軸器具有軸向、徑向、角度補(bǔ)償?shù)亩囗?xiàng)功能。
   根據(jù)上述要求，我公司開(kāi)發(fā)了TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器系列，該系列聯(lián)軸器具有以下性能：
   1)聯(lián)接兩水平軸線允許相對(duì)偏移的最大角向補(bǔ)償量：Δα＝±3°；
   2)傳遞公稱扭矩范圍：Tn＝630～2800000 N.m；
   3)許用轉(zhuǎn)速范圍：n＝4000～500 r/min；
   4)相配軸頸直徑范圍：d＝16～630 mm；
   5)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量范圍：0.009～1947.17 kg.m2。
  根據(jù)本公司為國(guó)內(nèi)、外100 多座高爐提供的料車卷?yè)P(yáng)機(jī)的實(shí)際使用情況，該系列聯(lián)軸器充分適用
于高爐上料主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，完全滿足要求。
3. 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
   TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器是由齒數(shù)相同的內(nèi)齒圈和帶外齒的凸緣半聯(lián)軸器等零件組成。外齒采用
鼓形齒齒形，所謂鼓形齒即為將外齒的齒面制成球面，球面中心在齒輪軸線上，齒側(cè)間隙較一般齒輪稍大，鼓形齒聯(lián)軸器可允許較大的角位移(相對(duì)于直齒聯(lián)軸器)，可改善齒的接觸條件，提高傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，延長(zhǎng)使用壽命。
   基本型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2和圖3。

         1-內(nèi)齒圈一；2-外齒軸套一；3-外齒軸套二； 4-內(nèi)齒圈二
                          圖 2

                      圖3 新鼓形齒齒截面
   在結(jié)構(gòu)上TGⅡ鼓形齒式聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、可靠性高、裝拆方便、維護(hù)容易等特
點(diǎn)：
   1)結(jié)構(gòu)合理，同一內(nèi)齒圈與二組鼓形齒外齒軸套嚙合副組成，結(jié)構(gòu)上采用對(duì)稱配置。
   2)補(bǔ)償性能好，可以補(bǔ)償兩軸聯(lián)接因軸心線不同軸而形成的徑向，軸向和角度及其綜合位移。
外齒輪齒厚中間厚兩端薄，允許兩軸線有較大的角位移，一般設(shè)計(jì)為±1.5°，當(dāng)角位移在2～3°時(shí)
也能可靠的工作。而直齒聯(lián)軸器一般僅允許±1°的角位移。
   3)徑向定心好，采用內(nèi)齒圈的齒根圓柱面與鼓形齒外齒齒頂圓球面定心，使傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)小，
噪聲低。
   4)嚙合精度高，同時(shí)接觸齒數(shù)多，接觸應(yīng)力小，傳遞力矩大。能承受重載及沖擊載荷，在相同條件下比直齒式聯(lián)軸器傳遞扭矩提高15％～20％。
   5)齒面呈鼓形，改善了工作狀態(tài)，消除了齒端部的集中載荷，提高了聯(lián)軸器的使用壽命。
   6)外形尺寸小，易于安裝調(diào)整，裝拆方便，維修簡(jiǎn)單，密封性好。
4. 技術(shù)特點(diǎn)
   鼓形齒式聯(lián)軸器的使用性能要求其具有補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移性能，而兩水平軸線傳動(dòng)軸系的角位
移最終是反映在一對(duì)嚙合齒之間，所允許的偏轉(zhuǎn)角度，它取決嚙合齒之間的側(cè)隙大小。而側(cè)隙的選擇是比較關(guān)鍵性的。由于考慮到齒輪聯(lián)軸器不同于齒輪傳動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上，一對(duì)內(nèi)外齒輪是組裝在一起后，是以同一個(gè)圓周速度一起轉(zhuǎn)動(dòng)的。鼓形齒式聯(lián)軸器研制有不同的技術(shù)方案，TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器按內(nèi)、外齒分度圓等厚度計(jì)算齒厚的設(shè)計(jì)方法，具有以下特點(diǎn)：
4.1 嚙合精度高
   鼓形齒的制造一般是在滾齒機(jī)上使?jié)L刀中心軌跡按照設(shè)計(jì)所要求的位移圓半徑，用仿形模板加
工出來(lái)的，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家?guī)缀跞慷加眠@種方法。用模板仿形加工時(shí)，技術(shù)的關(guān)鍵在于銑齒銑到
齒形中部弧面轉(zhuǎn)向時(shí)，由于慣性，摩擦阻尼、傳動(dòng)絲杠間隙以及傳動(dòng)鏈剛性不足產(chǎn)生的彈性變形等
非線性因素的影響，一般很難加工出正確的鼓形齒圓弧面，經(jīng)常需要有技術(shù)很熟練的工人根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行掌握。TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器，其鼓形齒圓弧面用數(shù)控成形，比一般仿形加工成形的鼓形齒精度更高。
   TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器的鼓形齒外齒軸套達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)7 級(jí)精度，其周節(jié)極限偏差fpt,周節(jié)累
積公差Fp，公法線平均長(zhǎng)度公差Fw 均達(dá)到JB10095-88 標(biāo)準(zhǔn)中7 級(jí)精度。鼓形齒圓弧表面粗糙
度Ra 值不大于1.6μm。由于齒輪精度高，使嚙合時(shí)同時(shí)接觸的齒數(shù)增多，使接觸應(yīng)力減小，這對(duì)于
提高聯(lián)軸器的接觸強(qiáng)度，增大傳遞力矩，減少振動(dòng)、降低噪聲、提高傳動(dòng)平穩(wěn)性的使用壽命有著重要的意義。
4.2 定心方式
   齒輪聯(lián)軸器的定心方式有四種，分別為外徑定心(兩種)、齒側(cè)定心和輻板定心。
   外徑定心中有兩種，既外齒頂圓局部與內(nèi)齒齒根圓配合和外齒齒頂圓與內(nèi)齒齒根圓配合。
   TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器在設(shè)計(jì)時(shí)考慮加工的復(fù)雜程度和控制的難度，采用鼓形齒外齒軸套齒頂
圓球面與內(nèi)齒圈的齒根圓柱面作為定心表面。
   由于內(nèi)齒齒根圓要求與一般內(nèi)齒輪不同，標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)齒齒根圓間隙很大，起不到定心作用，因此必
須給出公差，而且為了避免干涉，齒根部不得留有圓角，才能保證與外齒軸套的定位。這就給內(nèi)齒齒根圓的加工帶來(lái)困難，一般很難保證H9/h7 的配合要求。TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器采用專用插齒刀具，保證內(nèi)齒齒根精度要求，外齒軸套采用數(shù)控機(jī)床加工球面，保證了良好的定心性。避免由于齒頂間隙過(guò)大而在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生偏心振動(dòng)。
4.3 聯(lián)軸器互換性
   互換性要求是鼓形齒式聯(lián)軸器研制過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。一般國(guó)內(nèi)很多廠生產(chǎn)的聯(lián)軸器沒(méi)有互換
性的。目前大多數(shù)鼓形齒聯(lián)軸器其兩半內(nèi)齒圈的絞制螺栓孔都是采用配鉆鉸的方法，然后打上標(biāo)記對(duì)號(hào)入座進(jìn)行裝配的。用這種方法制造的聯(lián)軸器是不能互換的。根據(jù)市場(chǎng)的需求，特別是冶金行業(yè)的特殊要求，在設(shè)計(jì)中TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器要求兩半內(nèi)齒圈聯(lián)接絞制螺栓孔相對(duì)于定心圓的位置度公差為Φ0.02 這一要求是在加工中心和數(shù)控鏜床上保證的。這樣，保證了互換性要求，在工業(yè)生產(chǎn)中不但降低了工人維修更換備件的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且縮短了在線的維修時(shí)間，有著十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
4.4 保證側(cè)隙的方法
   保證側(cè)隙的方法與參數(shù)的確定、刀具的選用有關(guān)，可采用標(biāo)準(zhǔn)的刀具和特定刀具。
   當(dāng)采用齒頂高系數(shù)為1，頂隙系數(shù)為0.25 的標(biāo)準(zhǔn)刀具時(shí)，由于外齒的齒頂高和內(nèi)齒的齒根高相
等，用標(biāo)準(zhǔn)的插齒刀僅靠徑向切入不能達(dá)到齒厚要求，必需切向變位插齒。
   另一種實(shí)用的方法是把標(biāo)準(zhǔn)的插齒刀磨去齒頂即成專用插齒刀，只采用徑向進(jìn)給，插至全齒深
即可達(dá)到齒厚要求。
   TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器采用外齒頂高系數(shù)為1，齒根高系數(shù)為1.25；內(nèi)齒齒根高系數(shù)為1.0，
齒頂高系數(shù)為0.8，插齒刀具磨去0.25 m 高的齒改制。內(nèi)外齒分度圓齒厚相等，內(nèi)齒輪插齒時(shí)不需要徑向變位。
4.5 承載能力分析
   鼓形齒式聯(lián)軸器的精度和齒數(shù)對(duì)于接觸強(qiáng)度有直接影響，當(dāng)材質(zhì)硬度一定時(shí)，接觸應(yīng)力取決于
齒面的曲率半徑和同時(shí)接觸的齒數(shù)，TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器采取比國(guó)標(biāo)高一等級(jí)的制造精度，可滿足提高接觸強(qiáng)度的要求。在保證制造精度的前提下，當(dāng)分度圓的直徑確定以后，減少模數(shù)、增加齒數(shù)，可以增加同時(shí)承載齒對(duì)數(shù)，降低接觸應(yīng)力，從而提高承載能力。因此設(shè)計(jì)時(shí)在保證抗彎強(qiáng)度的前提下，盡可能采用小模數(shù)增加齒數(shù)，是提高傳遞扭矩的有效途徑。
   接觸應(yīng)力決定聯(lián)軸器的承載能力，而齒面硬度是決定許用接觸應(yīng)力的主要因素，提高齒面硬度有
利于提高使用壽命，材質(zhì)的選擇和熱處理是提高齒面硬度的先決定條件。由于鼓形齒式聯(lián)軸器的嚙合副，無(wú)論內(nèi)齒圈還是鼓形齒外齒軸套，淬火以后的變形都很難用加工手段消除，因此TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器一般采用42CrMo 進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。能夠滿足冶金工業(yè)低速重載的使用環(huán)境要求。
4.6 角向補(bǔ)償與齒側(cè)隙
   鼓形齒式聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)是依據(jù)所容許的最大角向補(bǔ)償量來(lái)決定齒形參數(shù)和側(cè)隙大小，最大角向補(bǔ)償量同時(shí)也是影響承載能力的重要因素，角向補(bǔ)償愈大則同時(shí)工作的齒數(shù)愈少傳遞扭矩隨之降低。
鼓形齒式聯(lián)軸器允許兩聯(lián)接軸作任何方向的位移，實(shí)質(zhì)是角向補(bǔ)償量，聯(lián)軸器的內(nèi)齒圈和外齒軸套構(gòu)成一種特殊的相交軸向嚙合副傳動(dòng)。并具有良好的補(bǔ)償兩軸作任何方向位移的能力，TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器將外齒齒頂設(shè)計(jì)成中心位于軸線上的球面，作為定心圓，定心結(jié)構(gòu)采用內(nèi)齒圈的齒根圓柱面與鼓形齒外齒齒頂球面定心，其配合H9/h7。
   嚙合副要確定合適的齒側(cè)隙，側(cè)隙小滿足不了角向補(bǔ)償量的要求，側(cè)隙大將增加內(nèi)齒圈和個(gè)齒軸
套的不同心度，造成傳動(dòng)過(guò)程中沖擊、振動(dòng)、噪音增加，特別是在正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和頻繁啟制動(dòng)時(shí)，惡化動(dòng)態(tài)性能，嚴(yán)重影響使用壽命。
   TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器在設(shè)計(jì)中是按照鼓形齒翻轉(zhuǎn)引起的切向位移量來(lái)進(jìn)行偏移側(cè)隙的計(jì)算：
  最小法向側(cè)隙

；
實(shí)際使用側(cè)隙

；
內(nèi)齒輪的公法線長(zhǎng)度

。
   由計(jì)算和公式推導(dǎo)(略)可知，鼓形齒聯(lián)軸器的最小保證側(cè)隙與偏轉(zhuǎn)角Δα有關(guān)，并隨其增加而增
大。最小保證側(cè)隙還與刀具位移圓半徑R 大小有關(guān)，隨R 值的增大所需最小保證側(cè)隙減小。
5. 結(jié)束語(yǔ)
   TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器從2005 年開(kāi)發(fā)至今，已生產(chǎn)二十多個(gè)品種，累計(jì)1400 多套，產(chǎn)值在600萬(wàn)以上。
   TGⅡ型鼓形齒式聯(lián)軸器是在現(xiàn)有的鼓形齒式聯(lián)軸器有關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,  又有了創(chuàng)新和提高的產(chǎn)品：
  1)運(yùn)用等強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)內(nèi)外齒輪嚙合副，根據(jù)最大偏角位移和最大承載能力的需要，確定內(nèi)外齒
的齒厚改變量和齒側(cè)隙，設(shè)計(jì)了內(nèi)齒圈的特殊齒形參數(shù)和專用插齒刀來(lái)進(jìn)行齒加工。
  2)采用數(shù)控插補(bǔ)法成形鼓形齒面，齒輪精度達(dá)到JB10095－88 標(biāo)準(zhǔn)7 級(jí)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，齒
面粗糙度提高到Ra1.6μm,齒輪的周節(jié)誤差和周節(jié)累計(jì)誤差相應(yīng)減少，提高了聯(lián)軸器的承載能力和使
用壽命。
  3)通過(guò)計(jì)算得出最佳角向補(bǔ)償量與齒側(cè)隙，采用內(nèi)齒齒根圓柱面和鼓形齒齒頂圓球面定心結(jié)構(gòu)，
使傳動(dòng)平穩(wěn)。
  4)增加了兩半內(nèi)齒圈聯(lián)接絞制螺栓孔相對(duì)定心圓的位置度公差，保證了互換性要求，縮短了故
障維修時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
  5)TGⅡ鼓形齒式聯(lián)軸器同時(shí)也適用于冶煉、軋鋼、重型機(jī)械、汽輪機(jī)、石油化工業(yè)、船舶等各
行業(yè)。

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