鼓形齿联轴器设计问题初探

             鼓形齿联轴器设计问题初探
         杭州工业汽轮机研究所  周立明
   摘要：本文通过对鼓形齿联轴器的特点,技术要求,几何计算,几何参数的优化设计的初浅论述,
提出了提高鼓形齿联轴器承载能力，延长使用寿命的方法。
   关键词：鼓形齿；联轴器；几何参数；优化
   1、概述
  鼓形齿联轴器是在直齿齿式联轴器的基础上为满足大倾角、变倾角、小尺寸和高可靠性等技术要求发展起来的。这种联轴器与直齿齿式联轴器相比较，更能够补偿两轴间的径向、轴向、角度及其综合位移，且传递转矩范围大，许用转速也较高。在冶金、石化行业等各种机械设备中获得越来越广泛的应用。按西门子三系列工业汽轮机技术设计、开发的配用于300MW汽轮发电机组的锅炉给水泵汽轮机，在驱动锅炉给水泵时一直使用自行设计、制造的鼓形齿联轴器。
  这种联轴器是根据自身条件，在直齿齿式联轴器基础上设计形成的。然而，这种联轴器的设计
还没有形成统一的标准，对鼓形齿联轴器的力学机理，轮齿参数对传动特性的影响等也没有作
进一步的研究。其结果是：设计理论不够完备，设计资料不够齐全，导致产品在实际应用中时有
磨损而产生失效现象。所以，笔者希望能够在生产的鼓形齿联轴器基础上，对鼓形齿联轴器的
设计问题作一初浅的探讨。
   2、几何计算
  几何计算步骤如下表所示：

  齿轮的强度计算及联轴器的验算等公式可在《机械工程手册》上找到，这里不作详细介绍。
   3、鼓形齿联轴器的特点
  鼓形齿联轴器的内齿轮为一直齿内齿轮，外齿轮是齿顶面为一球面的鼓形齿轮。鼓形齿与
直齿形状的区别及鼓度圆的标注如下图1。鼓形齿齿面相当于由在不同端截面逐渐变位的一系
列齿轮片相叠而成，其变位量与轴向坐标形成的曲线称为鼓度曲线。鼓度曲线是鼓形齿联轴器
特有的一个重要几何参数。目前，在设计鼓型齿联轴器时，其一般的方法是将鼓度曲线设计为
一段圆弧，与此相对应的加工滚刀轨迹圆称之为鼓度圆，其半径即为鼓度圆半径。正是因为联
轴器外齿轮沿齿宽方向被修成鼓形，内外齿啮合时从直齿时的线接触改变为点接触，所以能补
偿两轴间的角位移更大，改善了齿轮的接触情况。

   4、结构
  设计性能优良的高速鼓形齿联轴器，在结构上应满足如下要求：
  (1)、减轻鼓形齿联轴器的重量，以减轻轴承端悬挂力矩，提高传动系统的横向固有频率，增
大临界转速；
  (2)、将鼓形齿联轴器的不平衡程度减至最低限度，以降低横向离心振幅；
  (3)、在确保系统不发生扭转共振的条件下。降低鼓形齿联轴器的扭转刚度(增大挠性)。
  欲满足上述条件，就必须缩减鼓形齿联轴器的尺寸，以减轻联轴器的重量和悬挂力矩，但由此会引起鼓形齿联轴器的应力增大。所以须提高材料的强度。同时，齿轮分度圆直径的减小，会使鼓形齿联轴器所传递的轴向力增大，在推力轴承的设计中必须充分考虑这一因素。
  高速鼓形齿联轴器的破坏形式大部分为轮齿磨损。为此，应设计优良的润滑系统，在选材和热处理方面也应十分重视。
   5、制造、安装精度及动平衡
  高速机组转子的稳定性极为重要，它要求鼓形齿联轴器具有较高的精度，并进行精确的动平衡。一般要求外齿精度达到6级，内齿精度达到7级。零件的径向跳动和轴向跳动都要限制在很小的范围内以确保将潜在的不平衡程度降低到最低限度。
  主要零件须进行平衡，对轴向长度较短的零件，允许仅做静平衡。轴向长度较长的零件，应做动平衡，鼓形齿联轴器组装好后要做整体动平衡。
   6、润滑
  良好的润滑是鼓形齿联轴器安全可靠运行的必要保证，也是减轻磨损，提高鼓形齿联轴器
使用寿命的重要途径。
  高速鼓形齿联轴器通常采用润滑油润滑，齿面要求连续润滑，润滑油排泄应通畅。否则齿面温度会升高，并将积存水分和污垢。为了得到充分润滑，可采用集油槽孔的结构，即在外齿轮轴孔内加工出集油槽，在外齿轮齿槽底部钻出与集油槽相通的油孔，利用高速运转产生的离心力。
  将油液喷入内外齿啮合处。这样的润滑结构可以应用到自行设计的联轴器产品中去，以改变目前仅采用油管经简单加工做成喷油嘴形状的结构形式而使鼓形齿联轴在实际应用中润滑不够充分，从而减轻联轴器齿面磨损的不良状况。
   7、材料和热处理
  高速鼓形齿联轴器运转时应力很大，因此其材料应选用高强度合金钢。
  鼓形齿联轴器齿面损伤形式可归结为胶合、点浊和齿表面变形及磨料磨损四种形式。为了减轻损伤，可以在材料和热处理方面采取如下措施：
  1、内、外齿零件选用不同的材料，可以防止齿面胶合和减轻磨料磨损。
  2、若相啮合的内、外齿齿宽长度不等，为了防止产生压痕和抬肩，齿宽较长的齿面硬度值应
取得较大些。
  3、齿面硬化可以减轻磨料磨损，提高耐磨性，但是过分提高齿面硬度并非有利，有时会造成齿面硬化层剥落而使齿轮失效。齿表面硬化的常用方法为淬火和氮化，由于齿面氮化后对提高耐磨性有较明显的效果，而且零件氮化后变形很小，因此常用氮化法来提高齿面硬度。
   8、齿顶高系数优化
  一般鼓形齿联轴器的齿顶高系数为l，外齿全高h=2．25m，内、外齿分度圆齿厚度大致相同。它的主要优点是内、外齿加工工艺性好，可用标准齿轮滚刀或插齿刀进行加工。但是，这种鼓形齿联轴器的外齿轮齿根弯曲强度比内齿轮齿根弯曲强度要低，因此，外齿往往先于内齿磨损而失效。为提高鼓形齿联轴器承载能力和使用寿命，有研究者通过以内、外齿齿根弯曲强度相同为目标的优化计算，得出齿顶高系数为0．7的结论，即采用短厚齿齿形。当鼓形齿联轴器采用这种特殊的短厚齿形时，由于适当增加了外齿轮齿厚，其内、外齿轮轮齿弯曲强度接近，因此，承载能力提高，使用寿命延长。在解决好机加工工艺的前提下，自行设计联轴器产品中应用优化的齿顶高系数，对于提高联轴器的承载能力，延长使用寿命不失为一个办法。
  参考文献
1 齿轮手册
2 短厚齿形鼓形齿联轴器的研制—— 重型机械，1987