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                GICL型鼓形齒聯(lián)軸器的研制
                周淳  徐忠賢
              （首鋼機(jī)電公司）
   摘要：分析了國(guó)內(nèi)外鼓形齒式聯(lián)軸器技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)，介紹了GICL型鼓形齒式聯(lián)軸器的研制過(guò)程。
   關(guān)鍵詞：GICL；鼓形齒式聯(lián)軸器；嚙合；補(bǔ)償性能

   1、概述
  在國(guó)外先進(jìn)的冶金軋鋼成套設(shè)備中，鼓形齒式聯(lián)軸器以結(jié)構(gòu)合理、嚙合精度高、外償性能好等特有的優(yōu)良性能已經(jīng)全部取代了直齒式聯(lián)軸器，并且越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各類機(jī)械傳動(dòng)中。GICL型鼓形齒式聯(lián)軸器是首鋼在生產(chǎn)直齒式聯(lián)軸器的基礎(chǔ)上，消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，基于ZBJ19013,
ZBJ19014標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并研制的新產(chǎn)品。
  鼓形齒式聯(lián)軸器的研制，各廠家用了不同的技術(shù)方案。在國(guó)外公司研制的鼓形齒聯(lián)軸器中，日本三菱公司等廠家采用短齒制，并用減小模數(shù)，增加齒數(shù)的方法來(lái)提高聯(lián)軸器的強(qiáng)度。德國(guó)Benkler公司采用的是將鼓形齒作為變位齒輪的方法。由于鼓形齒式聯(lián)軸器的使用性能要求其具有補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移性能，而兩水平同軸線傳動(dòng)軸系的偏角位移最終是反映在一對(duì)齒之間，所允許的偏移角度取決于嚙合齒之間的側(cè)隙大小。而側(cè)隙的選擇會(huì)造成鼓形齒與標(biāo)準(zhǔn)齒的公法線數(shù)值之間差別很大，因此在幾何計(jì)算時(shí)是否將齒厚尺寸的改變作為變位齒輪來(lái)考慮，各個(gè)廠家也是不一致的。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，以同一個(gè)圓周速度一起轉(zhuǎn)動(dòng)的。所以我廠采用了按等強(qiáng)度理論來(lái)計(jì)算齒厚尺寸改變量的方法。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮產(chǎn)生側(cè)隙的方法主要是使內(nèi)齒齒厚減薄。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)齒輪的內(nèi)齒齒根部比外齒齒根部弧線長(zhǎng)，內(nèi)齒的強(qiáng)度高于外齒，用內(nèi)齒減薄來(lái)產(chǎn)生側(cè)隙后使內(nèi)齒與外齒強(qiáng)度相接近，并便于準(zhǔn)備刀具，在設(shè)計(jì)時(shí)使同一模數(shù)不同規(guī)格的聯(lián)軸器其內(nèi)齒減
薄量完全一致，這樣可以減少制造時(shí)刀具的種類。
   2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要性能參數(shù)
   2.1 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
  鼓形齒聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

  鼓形齒聯(lián)軸器有如下特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)合理，由二組內(nèi)齒圈與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)接因軸線不重合而形成的徑向，軸向和角度及其綜合位移。
（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。在相同條件下比直齒式聯(lián)軸器
傳遞扭矩提高15％-20％。
（5）齒側(cè)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，裝拆方便，維修簡(jiǎn)單，密封性好。
   2.2 主要技術(shù)參數(shù)
  鼓形齒聯(lián)軸器的主要技術(shù)參數(shù)如下所示，其軸線偏移示意見(jiàn)圖2所示。

（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：△α=±1°30'
（2）傳遞公稱扭矩范圍：Tn=630Nm--2800000
（3）許用轉(zhuǎn)速范圍：n=4000r/min--500r/min
（4）相配軸頸直徑范圍：d=16mm--630mm
（5）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量范圍：0.009

--1947.17

   3、設(shè)計(jì)與工藝
  在吸收國(guó)外先進(jìn)成熟技術(shù)和各廠家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我廠設(shè)計(jì)的鼓形齒聯(lián)軸器具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
  （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，通過(guò)模板用仿形方法加工出來(lái)的，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家?guī)缀跞慷际怯眠@種方法。用靠模仿形加工時(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齒面，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。我廠研制的鼓形齒聯(lián)軸器（圖3），其鼓形齒圓弧齒面用數(shù)控插補(bǔ)成形，比一般仿形加工成形的鼓形齒精度更高。再加上德國(guó)HURTH MODUL 公司的數(shù)控滾齒機(jī)加工，克服了人為的操作誤差和由非線性因素的影響。因此能制造出更為理想的高精度鼓形齒面。

  我廠制造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Fω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)性有著重要的意義。
  （2）徑向定心
  鼓形齒聯(lián)軸器徑向定心配合是制造中的一個(gè)難點(diǎn)，我廠在設(shè)計(jì)時(shí)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。我廠在制造時(shí)，進(jìn)行了工藝攻關(guān)，設(shè)計(jì)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)，保證傳動(dòng)平穩(wěn)，溫升小，噪聲低。
  （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)。一般廠家生產(chǎn)的鼓形齒聯(lián)軸器是沒(méi)有互換性要求的。目前大多數(shù)制造廠生產(chǎn)的鼓形齒聯(lián)軸器其兩半內(nèi)齒圈聯(lián)接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。我廠根據(jù)市場(chǎng)的需求，特別是軋鋼生產(chǎn)線的特殊要求，在設(shè)計(jì)中要求兩半內(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，這一要求是在沙爾曼的加工中心和數(shù)控鏜床上保證的。這樣，保證了互換性要求，在軋鋼生產(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）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)，我們采取比國(guó)標(biāo)高一個(gè)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條件。由于鼓形齒式聯(lián)軸器的嚙合副，無(wú)論內(nèi)齒還是鼓形齒外齒軸套，淬火以后的齒性誤差都很難用加工手段解決，因此我們一般采用42CrMo進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，只對(duì)高速重載情況下采用齒面氮化提高齒面硬度。
  （5）角向補(bǔ)償量與偏移側(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)償量愈大則同時(shí)工作的齒數(shù)愈少傳遞扭矩隨之降低。鼓形齒式聯(lián)軸器允許兩連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)。為了具有良好的補(bǔ)償兩軸作任何方向位移的能力，我們將外齒齒頂設(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，采用H9/h7的配合。
  嚙合副要確定合適的偏移側(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)齒圈和外齒軸套的不同心度，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)行和頻繁啟動(dòng)時(shí)，惡化動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能，嚴(yán)重影響使用壽命。
  我們?cè)谠O(shè)計(jì)中是按照鼓形齒翻轉(zhuǎn)引起的切向位移量ftk來(lái)進(jìn)行偏移側(cè)隙的計(jì)算：
  最小法向側(cè)隙

（

最小法向側(cè)隙，ftk鼓形齒翻轉(zhuǎn)引起的切向位移量）
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△α有關(guān)，并隨△α的增
加而增加。最小保證側(cè)隙還與刀具位移圓半徑R的大小有關(guān)，隨R值的增大所需最小保證側(cè)隙減小。
  （6）總體性能指標(biāo)與國(guó)外同類先進(jìn)技術(shù)比較
  現(xiàn)僅以GICL系列，大中小三種規(guī)格的性能指標(biāo)與代表國(guó)外先進(jìn)水平的德國(guó)TACKE公司、FLENDER公司和日本三菱公司生產(chǎn)的鼓形齒式聯(lián)軸器進(jìn)行比較如表1：

  鼓形齒式聯(lián)軸器精度比較情況（鼓形齒輪）：日本三菱MT型、周節(jié)差和周節(jié)累積誤差相當(dāng)于國(guó)際6-8級(jí)。德國(guó)SMS公司，周節(jié)差和周節(jié)累積誤差按國(guó)際8級(jí)。德國(guó)FLENDER，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)8級(jí)精度。中國(guó)首鋼GICL型，相當(dāng)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)7級(jí)精度。從上述比較情況說(shuō)明我廠GICL型已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
   4、臺(tái)架試驗(yàn)和檢測(cè)鑒定
  該產(chǎn)品在西安重型機(jī)械研究所的CNCH800型封閉式功率流機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了歷時(shí)9天的臺(tái)架載荷試驗(yàn)，同時(shí)國(guó)家冶金重型機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心受北京市科委的委托，對(duì)我廠生產(chǎn)的兩臺(tái)GICL4型鼓形齒式聯(lián)軸器樣件進(jìn)行了承載能力、轉(zhuǎn)速、效率、角位移、溫升和噪聲等各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)。
  經(jīng)檢測(cè)，承載能力在3550Nm、100％滿負(fù)荷和5878Nm、180％超負(fù)荷的情況下，仍有較大富余能力。其最大角位移達(dá)到正負(fù)1.5°度，溫升小于40度，噪聲小于70dB，其齒輪精度達(dá)到JB10095-88標(biāo)準(zhǔn)中7級(jí)精度，表面粗糙度提高到Ra1.6，互換性能完全滿足要求；損壞情況檢查結(jié)果表明，其齒面接觸狀況良好，無(wú)點(diǎn)蝕，無(wú)磨損和斷齒等齒輪失效現(xiàn)象，其密封效果良好。
    5、結(jié)語(yǔ)
  我廠研制的GICL型鼓形齒式聯(lián)軸器已經(jīng)先后應(yīng)用在與奧鋼聯(lián)VAI高速高效方坯連鑄機(jī)、西馬克公司薄板坯連鑄連軋等合作生產(chǎn)設(shè)備，東鋼棒材軋機(jī)和首鋼中小型軋鋼廠以及首鋼第二、三線材廠高線軋機(jī)等設(shè)備上使用，實(shí)踐使用情況表明，該產(chǎn)品性能可靠，效益顯著，用戶反映良好。
  GICL型鼓形齒式聯(lián)軸器是直齒式聯(lián)軸器的替代產(chǎn)品，在消化吸收國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，又有創(chuàng)新和提高：
(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偏移側(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)廠家水平，齒面粗糙度提高到Ra值不大于1.6μm，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)償量與偏移側(cè)隙，采用內(nèi)齒齒根圓柱面和鼓形齒外齒齒頂圓球面定心結(jié)構(gòu)，使傳動(dòng)平穩(wěn)。
(4）該產(chǎn)品增加了兩半內(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￠0.02，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。

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