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             鼓形齒聯(lián)軸器設(shè)計問題初探
         杭州工業(yè)汽輪機(jī)研究所  周立明
   摘要：本文通過對鼓形齒聯(lián)軸器的特點,技術(shù)要求,幾何計算,幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計的初淺論述,
提出了提高鼓形齒聯(lián)軸器承載能力，延長使用壽命的方法。
   關(guān)鍵詞：鼓形齒；聯(lián)軸器；幾何參數(shù)；優(yōu)化
   1、概述
  鼓形齒聯(lián)軸器是在直齒齒式聯(lián)軸器的基礎(chǔ)上為滿足大傾角、變傾角、小尺寸和高可靠性等技術(shù)要求發(fā)展起來的。這種聯(lián)軸器與直齒齒式聯(lián)軸器相比較，更能夠補償兩軸間的徑向、軸向、角度及其綜合位移，且傳遞轉(zhuǎn)矩范圍大，許用轉(zhuǎn)速也較高。在冶金、石化行業(yè)等各種機(jī)械設(shè)備中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。按西門子三系列工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)設(shè)計、開發(fā)的配用于300MW汽輪發(fā)電機(jī)組的鍋爐給水泵汽輪機(jī)，在驅(qū)動鍋爐給水泵時一直使用自行設(shè)計、制造的鼓形齒聯(lián)軸器。
  這種聯(lián)軸器是根據(jù)自身條件，在直齒齒式聯(lián)軸器基礎(chǔ)上設(shè)計形成的。然而，這種聯(lián)軸器的設(shè)計
還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對鼓形齒聯(lián)軸器的力學(xué)機(jī)理，輪齒參數(shù)對傳動特性的影響等也沒有作
進(jìn)一步的研究。其結(jié)果是：設(shè)計理論不夠完備，設(shè)計資料不夠齊全，導(dǎo)致產(chǎn)品在實際應(yīng)用中時有
磨損而產(chǎn)生失效現(xiàn)象。所以，筆者希望能夠在生產(chǎn)的鼓形齒聯(lián)軸器基礎(chǔ)上，對鼓形齒聯(lián)軸器的
設(shè)計問題作一初淺的探討。
   2、幾何計算
  幾何計算步驟如下表所示：

  齒輪的強度計算及聯(lián)軸器的驗算等公式可在《機(jī)械工程手冊》上找到，這里不作詳細(xì)介紹。
   3、鼓形齒聯(lián)軸器的特點
  鼓形齒聯(lián)軸器的內(nèi)齒輪為一直齒內(nèi)齒輪，外齒輪是齒頂面為一球面的鼓形齒輪。鼓形齒與
直齒形狀的區(qū)別及鼓度圓的標(biāo)注如下圖1。鼓形齒齒面相當(dāng)于由在不同端截面逐漸變位的一系
列齒輪片相疊而成，其變位量與軸向坐標(biāo)形成的曲線稱為鼓度曲線。鼓度曲線是鼓形齒聯(lián)軸器
特有的一個重要幾何參數(shù)。目前，在設(shè)計鼓型齒聯(lián)軸器時，其一般的方法是將鼓度曲線設(shè)計為
一段圓弧，與此相對應(yīng)的加工滾刀軌跡圓稱之為鼓度圓，其半徑即為鼓度圓半徑。正是因為聯(lián)
軸器外齒輪沿齒寬方向被修成鼓形，內(nèi)外齒嚙合時從直齒時的線接觸改變?yōu)辄c接觸，所以能補
償兩軸間的角位移更大，改善了齒輪的接觸情況。

   4、結(jié)構(gòu)
  設(shè)計性能優(yōu)良的高速鼓形齒聯(lián)軸器，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)滿足如下要求：
  (1)、減輕鼓形齒聯(lián)軸器的重量，以減輕軸承端懸掛力矩，提高傳動系統(tǒng)的橫向固有頻率，增
大臨界轉(zhuǎn)速；
  (2)、將鼓形齒聯(lián)軸器的不平衡程度減至最低限度，以降低橫向離心振幅；
  (3)、在確保系統(tǒng)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振的條件下。降低鼓形齒聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度(增大撓性)。
  欲滿足上述條件，就必須縮減鼓形齒聯(lián)軸器的尺寸，以減輕聯(lián)軸器的重量和懸掛力矩，但由此會引起鼓形齒聯(lián)軸器的應(yīng)力增大。所以須提高材料的強度。同時，齒輪分度圓直徑的減小，會使鼓形齒聯(lián)軸器所傳遞的軸向力增大，在推力軸承的設(shè)計中必須充分考慮這一因素。
  高速鼓形齒聯(lián)軸器的破壞形式大部分為輪齒磨損。為此，應(yīng)設(shè)計優(yōu)良的潤滑系統(tǒng)，在選材和熱處理方面也應(yīng)十分重視。
   5、制造、安裝精度及動平衡
  高速機(jī)組轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性極為重要，它要求鼓形齒聯(lián)軸器具有較高的精度，并進(jìn)行精確的動平衡。一般要求外齒精度達(dá)到6級，內(nèi)齒精度達(dá)到7級。零件的徑向跳動和軸向跳動都要限制在很小的范圍內(nèi)以確保將潛在的不平衡程度降低到最低限度。
  主要零件須進(jìn)行平衡，對軸向長度較短的零件，允許僅做靜平衡。軸向長度較長的零件，應(yīng)做動平衡，鼓形齒聯(lián)軸器組裝好后要做整體動平衡。
   6、潤滑
  良好的潤滑是鼓形齒聯(lián)軸器安全可靠運行的必要保證，也是減輕磨損，提高鼓形齒聯(lián)軸器
使用壽命的重要途徑。
  高速鼓形齒聯(lián)軸器通常采用潤滑油潤滑，齒面要求連續(xù)潤滑，潤滑油排泄應(yīng)通暢。否則齒面溫度會升高，并將積存水分和污垢。為了得到充分潤滑，可采用集油槽孔的結(jié)構(gòu)，即在外齒輪軸孔內(nèi)加工出集油槽，在外齒輪齒槽底部鉆出與集油槽相通的油孔，利用高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。
  將油液噴入內(nèi)外齒嚙合處。這樣的潤滑結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到自行設(shè)計的聯(lián)軸器產(chǎn)品中去，以改變目前僅采用油管經(jīng)簡單加工做成噴油嘴形狀的結(jié)構(gòu)形式而使鼓形齒聯(lián)軸在實際應(yīng)用中潤滑不夠充分，從而減輕聯(lián)軸器齒面磨損的不良狀況。
   7、材料和熱處理
  高速鼓形齒聯(lián)軸器運轉(zhuǎn)時應(yīng)力很大，因此其材料應(yīng)選用高強度合金鋼。
  鼓形齒聯(lián)軸器齒面損傷形式可歸結(jié)為膠合、點濁和齒表面變形及磨料磨損四種形式。為了減輕損傷，可以在材料和熱處理方面采取如下措施：
  1、內(nèi)、外齒零件選用不同的材料，可以防止齒面膠合和減輕磨料磨損。
  2、若相嚙合的內(nèi)、外齒齒寬長度不等，為了防止產(chǎn)生壓痕和抬肩，齒寬較長的齒面硬度值應(yīng)
取得較大些。
  3、齒面硬化可以減輕磨料磨損，提高耐磨性，但是過分提高齒面硬度并非有利，有時會造成齒面硬化層剝落而使齒輪失效。齒表面硬化的常用方法為淬火和氮化，由于齒面氮化后對提高耐磨性有較明顯的效果，而且零件氮化后變形很小，因此常用氮化法來提高齒面硬度。
   8、齒頂高系數(shù)優(yōu)化
  一般鼓形齒聯(lián)軸器的齒頂高系數(shù)為l，外齒全高h(yuǎn)=2．25m，內(nèi)、外齒分度圓齒厚度大致相同。它的主要優(yōu)點是內(nèi)、外齒加工工藝性好，可用標(biāo)準(zhǔn)齒輪滾刀或插齒刀進(jìn)行加工。但是，這種鼓形齒聯(lián)軸器的外齒輪齒根彎曲強度比內(nèi)齒輪齒根彎曲強度要低，因此，外齒往往先于內(nèi)齒磨損而失效。為提高鼓形齒聯(lián)軸器承載能力和使用壽命，有研究者通過以內(nèi)、外齒齒根彎曲強度相同為目標(biāo)的優(yōu)化計算，得出齒頂高系數(shù)為0．7的結(jié)論，即采用短厚齒齒形。當(dāng)鼓形齒聯(lián)軸器采用這種特殊的短厚齒形時，由于適當(dāng)增加了外齒輪齒厚，其內(nèi)、外齒輪輪齒彎曲強度接近，因此，承載能力提高，使用壽命延長。在解決好機(jī)加工工藝的前提下，自行設(shè)計聯(lián)軸器產(chǎn)品中應(yīng)用優(yōu)化的齒頂高系數(shù)，對于提高聯(lián)軸器的承載能力，延長使用壽命不失為一個辦法。
  參考文獻(xiàn)
1 齒輪手冊
2 短厚齒形鼓形齒聯(lián)軸器的研制—— 重型機(jī)械，1987

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