鼓形齿联轴器鼓形齿设计方法的研究

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第23卷 第3期2013年9月洛阳理工学院学报(自然科学版)Journal of Luoyang Institute of Science and Technology atural Science Edition)VO1．23 NO．3Sep．2013鼓形齿联轴器鼓形齿设计方法的研究王海霞 ，梁 莉 ，张 磊 ，党继锋(1．洛阳理工学院机械工程系，河南洛阳471023；2．洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南洛阳471039)摘 要：鼓形齿联轴器是广泛应用于矿山、冶金、轧钢等领域的关键基础件之一。作为联轴器的核心设计内容，论文根据现有设计经验，对鼓形齿的设计方法和强度校核进行了归纳总结，并对鼓形齿联轴器的设计要点进行了探讨，为鼓形齿联轴器的设计提供借鉴，对鼓形齿联轴器的推广应用具有重要的意义。

关键词：鼓形齿式联轴器；设计方法；强度校核DOh 10．3969／i．issn．1674-5043．2013．03．012中图分类号：THI23 文献标志码：A 文章编号：1674．5043(2013)03．0049．06鼓形齿联轴器是广泛应用于矿山、冶金、轧钢等领域的关键基础件之一。其主要特点是可以补偿两联接轴因安装、弹性变形、基础沉降等，造成轴线不重合而形成的角度、轴向、径向及综合误差，从而保证设备的正常、平稳、可靠运行。

鼓形齿联轴器最早应用于20世纪40年代，因其卓越的传动性能，在德国、美国、前苏联及日本得到快速的发展。我国起步较晚，2O世纪80年代中期才开始鼓形齿联轴器的研制工作，经过引进消化国外技术，现已基本具备鼓形齿联轴器的生产技术，但产品主要技术指标，如传递扭矩、工作寿命等与国外依然有较大差距，导致大部分使用者仍依赖进口产品l 。

作为鼓形齿联轴器的核心设计内容，鼓形齿对传动性能的影响还有待进一步研究。目前，鼓形齿的设计及强度校核方法还不完善，也没有统一标准。本文根据现有设计经验，对鼓形齿联轴器的设计方法和强度校核进行归纳总结，为鼓形齿联轴器的设计提供借鉴，对鼓形齿联轴器的推广具有重要的意义。

1 基本原理如图1所示，鼓形齿联轴器主要由两个鼓形齿轴套和两个直齿内齿圈等组成。鼓形齿轴套与内齿圈组成可移式联接，从而允许被联接轴或回转件之间一定的径向位移和轴向夹角；两内齿圈通过传动简体或传动轴联接，或直接采用铰制孔螺栓联接。

鼓形齿联轴器的运动是复杂 的空间运动，如图2所示，在有轴间倾角的情况下，鼓形齿与内齿圈的相对运动可分为摆动和翻转运动。这两种运动在啮合的半周期中经历纯摆动．复合运动．纯翻转一复合运动．纯摆动的循环运动过程‘引。

I一鼓彤凶轴 箕 l1一 屿内 圈 I1卜一f0动简体图I 鼓形齿联轴器结构简图如图3所示，鼓形齿常见的加工方法是利用盘铣刀或齿轮滚刀沿半径为 。的鼓度曲线加工获得，也可将鼓度曲线设计为几段过渡平滑的圆弧，从而既可满足强度要求，又可减少因侧隙要求而减薄内外齿齿厚pI。齿轮中心与刀具中心连线形成的一系列鼓形齿截面具有相同的渐开线齿廓。根据鼓形齿加工原理，编制程序，模拟加工得到的鼓形齿如图4所示。鼓形齿呈鼓形，中间厚两端薄，能有效避免齿端棱边接触。

收稿日期：2013-05-03作者简介：王海霞(1983．)I女，山东丈登人，博士，讲师，主要从事机械设计、机械传动等方面的研究.

基金项目：河南省科技厅基础与前沿技术研究计划项目(1223004lO2l6)；河南省教育厅基础前沿计划项目(12B460017).

洛阳理工学院学报(自然科学版) 第23卷40200- 20— 40390Il ，’， f／ ； l ’ 广卜 _一一 - ●’— — — 。

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纯摆动刀具自转方向60。 90 l20。 150。

(a) 铣削加工36O径纯翻转图2 鼓形齿运动规律180。

纯摆动图3 鼓形齿加工方法’- 1 0350 ．20(a) 鼓形齿面数值模型20图4 鼓形齿计算机仿真b) 滚刀加工(b) 鼓形齿三维模型2 鼓形齿设计2．1 主要尺寸计算工作时，鼓形齿与直齿内齿圈组成可移式联接，该联接的定心方式有外径定心和齿侧定心两种。外第3期 王海霞等： 鼓形齿联轴器鼓形齿设计方法的研究 51径定心是指以鼓形齿齿顶圆直径 定心，它与直齿内齿圈齿根圆直径如名义值相等，考虑到加工工艺控制，直径之间的配合一般采用F9／h8或冈，l；齿侧定心时，两齿轮直径 和 之间有较大间隙，工作时自动定心，有利于齿间载荷的分布。当联轴器具有较大的附加径向载荷时，一般采用外径定心。

鼓形齿齿形角一般在20。～30。之间，常取20。，可以采用变位和非变位啮合。采用变位啮合时，内外齿轮变位系数大小相等，方向相同，一般取x的范围为0．3～0．5，有利于提高齿根强度，同时也能避免齿数较少时，内齿圈因插齿出现顶切现象。

偏转角 是鼓形齿联轴器设计最重要的参数之一，偏转角的大小影响鼓形齿的几何参数设计和承载能力指标 ¨。偏转角 许用值与具体使用场合有关，一般在0．5。～2．5。范围内酌情选取。

鼓形齿联轴器主要几何尺寸如图5所示，计算公式如表l所示。

l I图5 鼓形齿几何示意图表1 鼓形齿联接几何计算公式鼓形齿 直齿内齿轮 各注分度圆直径 d齿顶圆直径齿根圆直径d，齿宽 bd=m2 ：。= ；2=0．8～1．0_2 ( 篙 ，=mz+2m(h~．2+ ) (齿侧定心)= (0．1：0．1 8)d b2=(1．2～1．4)bI z=0．6～1．0刀具位移圆半径R R ~0．0682 z 巫 tgco(R。≈o．9d)等+f 2 一2R 2"b2一 62切向鼓形半径R =——— ： _= 2ta {一 √ 一 J2．2 鼓形齿联接侧隙t-I-~鼓形齿联接的齿侧间隙应不受齿轮加工、装配的影响，还应保证轴间存在倾角时，轮齿翻转运动所需的空间。因此，齿侧间隙主要分为两部分：J， = +、l●／ ＼l●／ 十 一／』● ／』●＼ 2 2 + ～Z ZII =52 洛阳理工学院学报(自然科学版) 第23卷式中， 为最小保证侧隙， H¨ =f 2 ，一 1(1-cos )COS ； 为补偿制造误差的侧隙， ＼、 ／，= ( + 2)COS6~+ 】+ 2，其中 为周节累积公差， 为齿形公差。

3 强度校核由于鼓形齿联轴器的失效形式主要是齿面磨损和点蚀，出现断齿的可能性较小，在设计时通常只需校核齿面接触强度，对轮齿的弯曲强度一般可不进行计算。

在鼓形齿联轴器联接轴间无倾角的情况下，鼓形齿只有齿宽中部鼓肚部分接触。根据弹性理论，可把鼓形齿工作圆切面上的齿廓曲线看作是圆弧的一段，圆弧半径为 ，沿齿高方向为一个圆柱体，内齿可认为是一个平面。如图6所示，根据赫兹理论，接触区的压应力按椭圆规律分布，在工作圆切面上椭圆宽度为2 ，沿齿高方向的齿廓接触区长度为h ，则轮齿接触应力计算公式如下：o．-h =0．418其中， 为接触有效齿高， =2 lm 取 =(0．65～0．75) ；R为鼓形齿工作圆切面曲率半径一 K K F为材料弹性模量； 为单齿法向力， =— 旦 。

COS鼓形齿式联轴器工作时，啮合的齿对之间有摆动、翻转及两者的复合运动，表面摩擦力较大，因此许用接触应力值一般取齿轮传动许用应力值的l／3～1／4．5。

为验证强度校核方法的合理性，作者建立了鼓形齿联接的有限元模型，对无轴间倾角的鼓形齿进行有限元分析，分析结果如图7所示。鼓形齿主要在齿宽中部接触，接触印痕由于轮齿刚度及齿面弹性变形的影响呈梯形分布，与接触强度校核理论基本一致；通过对建立的鼓形齿模型采用公式(11进行计算，发现其接触应力与有限元分析结果基本吻合。

4 鼓形齿联轴器设计要点由于鼓形齿联轴器常用于存在轴问倾角的传动联接中，工况复杂且体积小，传递扭矩较大，设计时要尽可能满足如下原则HI：1)减轻鼓形齿联轴器重量，进而减轻轴承端悬挂力矩，提高传动系统横向固有频率，增大横向临界转速；2)将鼓形齿联轴器的不平衡度减至最低限度，尽量做到结构对称；3)在确保系统不发生扭转共振的前提下，降低鼓形齿联轴器的扭转刚度。

鼓形齿在与直齿内齿圈啮合时，由于轴间倾角及轮齿弹性变形的影响，在鼓形齿轮齿根部会与内齿圈发生齿廓干涉，因此要对轮齿进行修形。主要方法有两种：一是对鼓形齿齿顶进行倒角修缘；二是在对鼓形齿齿顶修缘的基础上，对内齿圈清根，消除齿根过渡圆角。鼓形齿修缘量与一般齿轮不同，修缘高度和齿厚如图8所示，其控制原则是避免与内齿圈齿根在工作过程中发生干涉，修缘高度 0．2～0．3 m，倒角角度一般可取35。、45。、5O。、60。等。另外，为避免轮齿发生边缘接触，改善齿面载荷分布，需对轮齿端面棱边倒钝，同时沿齿宽方向对轮齿进行修整，修整长度／=3~5 mm，深度 6=0．1～0．2 mm。

由于工艺成本的限制，对于鼓形齿联轴器内外齿轮，一般选用42CrMo或40CrNiMo等，采用调质处理，调质硬度HB260~300较为合理pJ。为延长联轴器的使用寿命，可对齿面进行淬火或渗氮。

5 算 例已知应用于大型矿山磨机传动装置中的某款齿式联轴器基本参数为：传递扭矩550 000 N·m，工况系数1．75，齿数74，模数10 mm，有效齿宽80 mm，根据上述理论，设计的鼓形齿联接副基本参数及强度计算结果如表2所示。

巫桃，

洛阳理工学院学报(自然科学版) 第23卷6 结 语根据鼓形齿联轴器的特点，归纳总结了鼓形齿联接的设计和强度校核方法，并对鼓形齿联轴器的设计要点进行了探讨，从而为鼓形齿联轴器的实践应用提供借鉴。采用本方法，先后完成了300 000 N·m、360 000 N·m、550 000 N·m、700 000 N·m等矿山用大型齿式联轴器的设计，设备运行良好，进一步验证了设计方法的正确性。

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Study on the Design of Drum Type CouplingW ANG Hal—xia ，LIANG Li ，ZHANG Lei‘，DANG Ji．feng‘(1．Luoyang Institute ofScience and Technology，Luoyang 471023，China；2．Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute，Luoyang 471039，China)Abstract：Drum type coupling is one ofthe basic components used widely in the fields of the transmission of mine，metalurgy，steel roling and SO on．As the design core of coupling，the design and strength check of drum type coupling have beensummarized based on practical experience，and design points have been discussed about,which plays a signifcant role indesigning and promoting the drum type coupling.

Key words：drum type coupling；design method；strength checkr上接第34页)参考文献：IlI林锦胜，吴欣之，龚剑，等．广州新电视塔结构施工技术IJI．施工技~,2009．38(3)：9—14.

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Steel Structure Construction Technology of China W orld Trade Center Tower Stage IIXIAO Liang．qun ．SU Li．Ha(1．Luoyang City Construction Investigating＆ design Co．LTD，Luoyang 471000，China；2．Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China)Abstract：Taking the steel structure construction in the second stage of China W orld Trade Center Tower as the example，thispaper elaborates steel structure construction of high—rise in detail，including the installation process and lifting methods ofcolumns and beams，instalation and measurement techniques，site welding technology and construction of high strength bolts，which can provide a useful reference for construction quailty control ofrelevant construction projects.

Key words：super high—rise；steel structure；survey control；weld