TGⅡ型鼓形齿式联轴器的设计

                 TGⅡ型鼓形齿式联轴器的设计
                       陈丽松
            (北京太富力传动机器有限责任公司, 北京 100011)
  [摘要]介绍了一种新型鼓形齿式联轴器的设计、制造特点。
  [关键词]鼓形齿式联轴器设计结构制造特点扭矩
1. 引言
   联轴器是用来联接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。根据我公司产品使用特点，专门开发设计了TGⅡ型鼓形齿式联轴器系列，主要用于我公司高炉主卷扬产品中。高炉主卷扬减速器前后的联接见图1。主卷扬一天24 小时不停机，一年中工作时间达到
330～350 天，周期工作制，每天上料800～900 车，高炉赶料时达45 车/小时。电机与减速器间联接的高速端联轴器，工作时处于高速运转状态，1000～1500 r/min；减速器与卷筒间联接的低速端联轴器，工作时处于频繁重载双向运行状态,卷筒上受到10t 以上的拉力(匀速运行时)。

                       图 1
   该联轴器系列外型尺寸参照国家机械行业标准JB/T8854.2-2001《GⅡCL 型、GⅡCLZ 型鼓形齿式联轴器》。
2. 用途及机理
   高炉上料主卷扬系统是炼铁厂高炉最关键的原料输送设备。目前，国内80％以上高炉采用卷扬
料车上料，中型高炉又多采用双车上料方式，即二部料车用的钢丝绳卷绕于同一卷筒上，装料的重车上升与空载轻车下降同时进行，当下部料车装料后，按生产指令开动卷扬机，使料车沿斜桥的轨道上升，到达炉顶相应位置时，减速停止并翻料入炉，同时另一空料车正处于下降停止。在料车启动运行过程中，速度由慢到快，然后匀速运行，接近炉顶时再由快到慢直到停止。
   由高炉上料的生产要求可以看出，高炉主卷扬卷筒承受极大的且变化的径向力和弯曲力矩，冲击
较大，卷筒轴在工作中会产生复杂的变形，所以要求所使用的联轴器具有轴向、径向、角度补偿的多项功能。
   根据上述要求，我公司开发了TGⅡ型鼓形齿式联轴器系列，该系列联轴器具有以下性能：
   1)联接两水平轴线允许相对偏移的最大角向补偿量：Δα＝±3°；
   2)传递公称扭矩范围：Tn＝630～2800000 N.m；
   3)许用转速范围：n＝4000～500 r/min；
   4)相配轴颈直径范围：d＝16～630 mm；
   5)转动惯量范围：0.009～1947.17 kg.m2。
  根据本公司为国内、外100 多座高炉提供的料车卷扬机的实际使用情况，该系列联轴器充分适用
于高炉上料主卷扬系统的工作特点，完全满足要求。
3. 主要结构特点
   TGⅡ型鼓形齿式联轴器是由齿数相同的内齿圈和带外齿的凸缘半联轴器等零件组成。外齿采用
鼓形齿齿形，所谓鼓形齿即为将外齿的齿面制成球面，球面中心在齿轮轴线上，齿侧间隙较一般齿轮稍大，鼓形齿联轴器可允许较大的角位移(相对于直齿联轴器)，可改善齿的接触条件，提高传递转矩的能力，延长使用寿命。
   基本型结构见图2和图3。

         1-内齿圈一；2-外齿轴套一；3-外齿轴套二； 4-内齿圈二
                          图 2

                      图3 新鼓形齿齿截面
   在结构上TGⅡ鼓形齿式联轴器具有结构简单、工艺性好、可靠性高、装拆方便、维护容易等特
点：
   1)结构合理，同一内齿圈与二组鼓形齿外齿轴套啮合副组成，结构上采用对称配置。
   2)补偿性能好，可以补偿两轴联接因轴心线不同轴而形成的径向，轴向和角度及其综合位移。
外齿轮齿厚中间厚两端薄，允许两轴线有较大的角位移，一般设计为±1.5°，当角位移在2～3°时
也能可靠的工作。而直齿联轴器一般仅允许±1°的角位移。
   3)径向定心好，采用内齿圈的齿根圆柱面与鼓形齿外齿齿顶圆球面定心，使传动平稳，振动小，
噪声低。
   4)啮合精度高，同时接触齿数多，接触应力小，传递力矩大。能承受重载及冲击载荷，在相同条件下比直齿式联轴器传递扭矩提高15％～20％。
   5)齿面呈鼓形，改善了工作状态，消除了齿端部的集中载荷，提高了联轴器的使用寿命。
   6)外形尺寸小，易于安装调整，装拆方便，维修简单，密封性好。
4. 技术特点
   鼓形齿式联轴器的使用性能要求其具有补偿两轴相对位移性能，而两水平轴线传动轴系的角位
移最终是反映在一对啮合齿之间，所允许的偏转角度，它取决啮合齿之间的侧隙大小。而侧隙的选择是比较关键性的。由于考虑到齿轮联轴器不同于齿轮传动，在结构上，一对内外齿轮是组装在一起后，是以同一个圆周速度一起转动的。鼓形齿式联轴器研制有不同的技术方案，TGⅡ型鼓形齿式联轴器按内、外齿分度圆等厚度计算齿厚的设计方法，具有以下特点：
4.1 啮合精度高
   鼓形齿的制造一般是在滚齿机上使滚刀中心轨迹按照设计所要求的位移圆半径，用仿形模板加
工出来的，国内的生产厂家几乎全部都用这种方法。用模板仿形加工时，技术的关键在于铣齿铣到
齿形中部弧面转向时，由于惯性，摩擦阻尼、传动丝杠间隙以及传动链刚性不足产生的弹性变形等
非线性因素的影响，一般很难加工出正确的鼓形齿圆弧面，经常需要有技术很熟练的工人根据自己的工作经验进行掌握。TGⅡ型鼓形齿式联轴器，其鼓形齿圆弧面用数控成形，比一般仿形加工成形的鼓形齿精度更高。
   TGⅡ型鼓形齿式联轴器的鼓形齿外齿轴套达到国际标准7 级精度，其周节极限偏差fpt,周节累
积公差Fp，公法线平均长度公差Fw 均达到JB10095-88 标准中7 级精度。鼓形齿圆弧表面粗糙
度Ra 值不大于1.6μm。由于齿轮精度高，使啮合时同时接触的齿数增多，使接触应力减小，这对于
提高联轴器的接触强度，增大传递力矩，减少振动、降低噪声、提高传动平稳性的使用寿命有着重要的意义。
4.2 定心方式
   齿轮联轴器的定心方式有四种，分别为外径定心(两种)、齿侧定心和辐板定心。
   外径定心中有两种，既外齿顶圆局部与内齿齿根圆配合和外齿齿顶圆与内齿齿根圆配合。
   TGⅡ型鼓形齿式联轴器在设计时考虑加工的复杂程度和控制的难度，采用鼓形齿外齿轴套齿顶
圆球面与内齿圈的齿根圆柱面作为定心表面。
   由于内齿齿根圆要求与一般内齿轮不同，标准的内齿齿根圆间隙很大，起不到定心作用，因此必
须给出公差，而且为了避免干涉，齿根部不得留有圆角，才能保证与外齿轴套的定位。这就给内齿齿根圆的加工带来困难，一般很难保证H9/h7 的配合要求。TGⅡ型鼓形齿式联轴器采用专用插齿刀具，保证内齿齿根精度要求，外齿轴套采用数控机床加工球面，保证了良好的定心性。避免由于齿顶间隙过大而在高速运转时产生偏心振动。
4.3 联轴器互换性
   互换性要求是鼓形齿式联轴器研制过程中的一个难点。一般国内很多厂生产的联轴器没有互换
性的。目前大多数鼓形齿联轴器其两半内齿圈的绞制螺栓孔都是采用配钻铰的方法，然后打上标记对号入座进行装配的。用这种方法制造的联轴器是不能互换的。根据市场的需求，特别是冶金行业的特殊要求，在设计中TGⅡ型鼓形齿式联轴器要求两半内齿圈联接绞制螺栓孔相对于定心圆的位置度公差为Φ0.02 这一要求是在加工中心和数控镗床上保证的。这样，保证了互换性要求，在工业生产中不但降低了工人维修更换备件的劳动强度，而且缩短了在线的维修时间，有着十分明显的经济效益。
4.4 保证侧隙的方法
   保证侧隙的方法与参数的确定、刀具的选用有关，可采用标准的刀具和特定刀具。
   当采用齿顶高系数为1，顶隙系数为0.25 的标准刀具时，由于外齿的齿顶高和内齿的齿根高相
等，用标准的插齿刀仅靠径向切入不能达到齿厚要求，必需切向变位插齿。
   另一种实用的方法是把标准的插齿刀磨去齿顶即成专用插齿刀，只采用径向进给，插至全齿深
即可达到齿厚要求。
   TGⅡ型鼓形齿式联轴器采用外齿顶高系数为1，齿根高系数为1.25；内齿齿根高系数为1.0，
齿顶高系数为0.8，插齿刀具磨去0.25 m 高的齿改制。内外齿分度圆齿厚相等，内齿轮插齿时不需要径向变位。
4.5 承载能力分析
   鼓形齿式联轴器的精度和齿数对于接触强度有直接影响，当材质硬度一定时，接触应力取决于
齿面的曲率半径和同时接触的齿数，TGⅡ型鼓形齿式联轴器采取比国标高一等级的制造精度，可满足提高接触强度的要求。在保证制造精度的前提下，当分度圆的直径确定以后，减少模数、增加齿数，可以增加同时承载齿对数，降低接触应力，从而提高承载能力。因此设计时在保证抗弯强度的前提下，尽可能采用小模数增加齿数，是提高传递扭矩的有效途径。
   接触应力决定联轴器的承载能力，而齿面硬度是决定许用接触应力的主要因素，提高齿面硬度有
利于提高使用寿命，材质的选择和热处理是提高齿面硬度的先决定条件。由于鼓形齿式联轴器的啮合副，无论内齿圈还是鼓形齿外齿轴套，淬火以后的变形都很难用加工手段消除，因此TGⅡ型鼓形齿式联轴器一般采用42CrMo 进行调质处理。能够满足冶金工业低速重载的使用环境要求。
4.6 角向补偿与齿侧隙
   鼓形齿式联轴器的设计是依据所容许的最大角向补偿量来决定齿形参数和侧隙大小，最大角向补偿量同时也是影响承载能力的重要因素，角向补偿愈大则同时工作的齿数愈少传递扭矩随之降低。
鼓形齿式联轴器允许两联接轴作任何方向的位移，实质是角向补偿量，联轴器的内齿圈和外齿轴套构成一种特殊的相交轴向啮合副传动。并具有良好的补偿两轴作任何方向位移的能力，TGⅡ型鼓形齿式联轴器将外齿齿顶设计成中心位于轴线上的球面，作为定心圆，定心结构采用内齿圈的齿根圆柱面与鼓形齿外齿齿顶球面定心，其配合H9/h7。
   啮合副要确定合适的齿侧隙，侧隙小满足不了角向补偿量的要求，侧隙大将增加内齿圈和个齿轴
套的不同心度，造成传动过程中冲击、振动、噪音增加，特别是在正反转运行和频繁启制动时，恶化动态性能，严重影响使用寿命。
   TGⅡ型鼓形齿式联轴器在设计中是按照鼓形齿翻转引起的切向位移量来进行偏移侧隙的计算：
  最小法向侧隙

；
实际使用侧隙

；
内齿轮的公法线长度

。
   由计算和公式推导(略)可知，鼓形齿联轴器的最小保证侧隙与偏转角Δα有关，并随其增加而增
大。最小保证侧隙还与刀具位移圆半径R 大小有关，随R 值的增大所需最小保证侧隙减小。
5. 结束语
   TGⅡ型鼓形齿式联轴器从2005 年开发至今，已生产二十多个品种，累计1400 多套，产值在600万以上。
   TGⅡ型鼓形齿式联轴器是在现有的鼓形齿式联轴器有关技术的基础上,  又有了创新和提高的产品：
  1)运用等强度理论设计内外齿轮啮合副，根据最大偏角位移和最大承载能力的需要，确定内外齿
的齿厚改变量和齿侧隙，设计了内齿圈的特殊齿形参数和专用插齿刀来进行齿加工。
  2)采用数控插补法成形鼓形齿面，齿轮精度达到JB10095－88 标准7 级，达到国际先进水平，齿
面粗糙度提高到Ra1.6μm,齿轮的周节误差和周节累计误差相应减少，提高了联轴器的承载能力和使
用寿命。
  3)通过计算得出最佳角向补偿量与齿侧隙，采用内齿齿根圆柱面和鼓形齿齿顶圆球面定心结构，
使传动平稳。
  4)增加了两半内齿圈联接绞制螺栓孔相对定心圆的位置度公差，保证了互换性要求，缩短了故
障维修时间，经济效益明显。
  5)TGⅡ鼓形齿式联轴器同时也适用于冶炼、轧钢、重型机械、汽轮机、石油化工业、船舶等各
行业。