GICL型鼓形齿联轴器的研制

                GICL型鼓形齿联轴器的研制
                周淳  徐忠贤
              （首钢机电公司）
   摘要：分析了国内外鼓形齿式联轴器技术的发展和特点，介绍了GICL型鼓形齿式联轴器的研制过程。
   关键词：GICL；鼓形齿式联轴器；啮合；补偿性能

   1、概述
  在国外先进的冶金轧钢成套设备中，鼓形齿式联轴器以结构合理、啮合精度高、外偿性能好等特有的优良性能已经全部取代了直齿式联轴器，并且越来越广泛地应用在各类机械传动中。GICL型鼓形齿式联轴器是首钢在生产直齿式联轴器的基础上，消化吸收国外先进技术，基于ZBJ19013,
ZBJ19014标准，设计并研制的新产品。
  鼓形齿式联轴器的研制，各厂家用了不同的技术方案。在国外公司研制的鼓形齿联轴器中，日本三菱公司等厂家采用短齿制，并用减小模数，增加齿数的方法来提高联轴器的强度。德国Benkler公司采用的是将鼓形齿作为变位齿轮的方法。由于鼓形齿式联轴器的使用性能要求其具有补偿两轴相对偏移性能，而两水平同轴线传动轴系的偏角位移最终是反映在一对齿之间，所允许的偏移角度取决于啮合齿之间的侧隙大小。而侧隙的选择会造成鼓形齿与标准齿的公法线数值之间差别很大，因此在几何计算时是否将齿厚尺寸的改变作为变位齿轮来考虑，各个厂家也是不一致的。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，以同一个圆周速度一起转动的。所以我厂采用了按等强度理论来计算齿厚尺寸改变量的方法。在设计时考虑产生侧隙的方法主要是使内齿齿厚减薄。因为标准齿轮的内齿齿根部比外齿齿根部弧线长，内齿的强度高于外齿，用内齿减薄来产生侧隙后使内齿与外齿强度相接近，并便于准备刀具，在设计时使同一模数不同规格的联轴器其内齿减
薄量完全一致，这样可以减少制造时刀具的种类。
   2、结构特点及主要性能参数
   2.1 主要结构特点
  鼓形齿联轴器结构见图1。

  鼓形齿联轴器有如下特点：
（1）结构合理，由二组内齿圈与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线不重合而形成的径向，轴向和角度及其综合位移。
（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。在相同条件下比直齿式联轴器
传递扭矩提高15％-20％。
（5）齿侧呈鼓形，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，装拆方便，维修简单，密封性好。
   2.2 主要技术参数
  鼓形齿联轴器的主要技术参数如下所示，其轴线偏移示意见图2所示。

（1）联接两水平轴线允许相对偏移的最大角向补偿量：△α=±1°30'
（2）传递公称扭矩范围：Tn=630Nm--2800000
（3）许用转速范围：n=4000r/min--500r/min
（4）相配轴颈直径范围：d=16mm--630mm
（5）转动惯量范围：0.009

--1947.17

   3、设计与工艺
  在吸收国外先进成熟技术和各厂家经验的基础上，我厂设计的鼓形齿联轴器具有以下技术特点：
  （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，通过模板用仿形方法加工出来的，国内的生产厂家几乎全部都是用这种方法。用靠模仿形加工时，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齿面，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。我厂研制的鼓形齿联轴器（图3），其鼓形齿圆弧齿面用数控插补成形，比一般仿形加工成形的鼓形齿精度更高。再加上德国HURTH MODUL 公司的数控滚齿机加工，克服了人为的操作误差和由非线性因素的影响。因此能制造出更为理想的高精度鼓形齿面。

  我厂制造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Fω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、提高传动平稳性有着重要的意义。
  （2）径向定心
  鼓形齿联轴器径向定心配合是制造中的一个难点，我厂在设计时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。我厂在制造时，进行了工艺攻关，设计专用插齿刀具，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，保证传动平稳，温升小，噪声低。
  （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。一般厂家生产的鼓形齿联轴器是没有互换性要求的。目前大多数制造厂生产的鼓形齿联轴器其两半内齿圈联接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。我厂根据市场的需求，特别是轧钢生产线的特殊要求，在设计中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，这一要求是在沙尔曼的加工中心和数控镗床上保证的。这样，保证了互换性要求，在轧钢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）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，我们采取比国标高一个等级的制造精度，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条件。由于鼓形齿式联轴器的啮合副，无论内齿还是鼓形齿外齿轴套，淬火以后的齿性误差都很难用加工手段解决，因此我们一般采用42CrMo进行调质处理，只对高速重载情况下采用齿面氮化提高齿面硬度。
  （5）角向补偿量与偏移侧隙
  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，角向补偿量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连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。为了具有良好的补偿两轴作任何方向位移的能力，我们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，采用H9/h7的配合。
  啮合副要确定合适的偏移侧隙，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外齿轴套的不同心度，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动时，恶化动态运动性能，严重影响使用寿命。
  我们在设计中是按照鼓形齿翻转引起的切向位移量ftk来进行偏移侧隙的计算：
  最小法向侧隙

（

最小法向侧隙，ftk鼓形齿翻转引起的切向位移量）
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△α有关，并随△α的增
加而增加。最小保证侧隙还与刀具位移圆半径R的大小有关，随R值的增大所需最小保证侧隙减小。
  （6）总体性能指标与国外同类先进技术比较
  现仅以GICL系列，大中小三种规格的性能指标与代表国外先进水平的德国TACKE公司、FLENDER公司和日本三菱公司生产的鼓形齿式联轴器进行比较如表1：

  鼓形齿式联轴器精度比较情况（鼓形齿轮）：日本三菱MT型、周节差和周节累积误差相当于国际6-8级。德国SMS公司，周节差和周节累积误差按国际8级。德国FLENDER，按国际标准8级精度。中国首钢GICL型，相当于国际标准7级精度。从上述比较情况说明我厂GICL型已达到国际先进水平。
   4、台架试验和检测鉴定
  该产品在西安重型机械研究所的CNCH800型封闭式功率流机械传动试验台架上进行了历时9天的台架载荷试验，同时国家冶金重型机械质量监督检验中心受北京市科委的委托，对我厂生产的两台GICL4型鼓形齿式联轴器样件进行了承载能力、转速、效率、角位移、温升和噪声等各项指标的检测。
  经检测，承载能力在3550Nm、100％满负荷和5878Nm、180％超负荷的情况下，仍有较大富余能力。其最大角位移达到正负1.5°度，温升小于40度，噪声小于70dB，其齿轮精度达到JB10095-88标准中7级精度，表面粗糙度提高到Ra1.6，互换性能完全满足要求；损坏情况检查结果表明，其齿面接触状况良好，无点蚀，无磨损和断齿等齿轮失效现象，其密封效果良好。
    5、结语
  我厂研制的GICL型鼓形齿式联轴器已经先后应用在与奥钢联VAI高速高效方坯连铸机、西马克公司薄板坯连铸连轧等合作生产设备，东钢棒材轧机和首钢中小型轧钢厂以及首钢第二、三线材厂高线轧机等设备上使用，实践使用情况表明，该产品性能可靠，效益显著，用户反映良好。
  GICL型鼓形齿式联轴器是直齿式联轴器的替代产品，在消化吸收国内外有关技术的基础上，又有创新和提高：
(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偏移侧隙，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，达到国际先进厂家水平，齿面粗糙度提高到Ra值不大于1.6μm，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偏移侧隙，采用内齿齿根圆柱面和鼓形齿外齿齿顶圆球面定心结构，使传动平稳。
(4）该产品增加了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￠0.02，保证了互换性要求，缩短了故障维修时间，经济效益明显。