CN101052818A - 用于联接部件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种单件整体金属联接器(10)，其具有第一端部和第二端部以及位于第一端部和第二端部(26、30)之间的盘旋体(14、18、22)。进一步公开了一种用于制造单件整体结构挠性联接器的方法，其包括从原材料加工一个或多个单件整体结构挠性联接器，该单件整体结构挠性联接器具有第一联接器端部(26)和第二联接器端部(30)以及位于第一端部和第二端部处的一个或多个盘旋体。

Description

用于联接部件的方法和设备

背景技术

为了解决扭矩传递和诸如轴之类的旋转构件之间的潜在失准，采用了挠性联接器。这种联接器通过法兰连接或花键连接相连接，并且具体设计成在吸收并分散失准效应的同时将扭矩从一个部件传输到另一部件。

尽管存在许多这种联接器，但是其挠性程度都有限。一种增加失准公差的常见方式是引入附加的挠性元件。然而，这导致结构更重或更昂贵并通常会引入由于制造过程导致的附加的应力集中。能够增加一些挠性但是减小了回报。

导致现有技术的联接器失效的常见因素是疲劳断裂的发展。疲劳断裂能够因整个联接器缺乏挠性(刚性)及联接器内的各种应力集中而产生。现有的商业设计的某些结构刚性(材料和应力集中)来自于联接器的制造手段。一个经常与引入联接器的应力集中相关联的程序的例子是连接相邻隔板的焊接程序。焊接导致盘状体的金属产生局部相变，从而经常导致联接器局部区域的硬度和热处理特性发生变化。现有技术的联接器的另一缺点是：由于固有的设计因素和构造方法，它们能够具有非常低的轴向刚度。这种低刚度能够导致振动问题，该振动问题会导致挠曲元件失效。

由于没有可行的备选方案，所以现有技术固有的前述和其他缺点在相当长的时间内一直存在。尽管存在上述事实，但是通过获得一种更耐用的挠性联接器将会使该领域受益匪浅。

发明内容

此处披露了一种单件整体金属联接器，其具有第一端部和第二端部以及位于第一端部和第二端部之间的盘旋体。

此处进一步披露了一种用于制造单件整体结构挠性联接器的方法，其包括从原材料加工一个或多个单件整体结构挠性联接器，所述单件整体结构挠性联接器具有第一联接器端部和第二联接器端部以及位于第一端部和第二端部的一个或多个盘旋体。

附图说明

参照示例性附图，其中在以下附图中，相同的元件标以相同的标号：

图1是联接器一种实施方式的立体图；

图2是与图1所示联接器相似的联接器的侧视图；

图3是图1所示联接器的剖开立体图；

图4是本发明的联接器及固定厚度的联接器的剖视图，示出了用于应力分析的点；

图5是图4所示点处的扭矩应力的图示；

图6是图4所示点处的因角度失准而产生的应力的图示；

图7是联接器另一实施方式的剖视图；

图8是图7所示联接器的实施方式的立体图；

图9是制造该联接器的铣刀的透视示意图；以及

图10是深加工的盘旋体的截面示意图，示出了其内部几何形状。

具体实施方式

在该披露最初，将论述联接器自身的实施方式，随后讨论制造该联接器的方法。

参照图1，其示出所披露的挠性联接器10的一种实施方式的立体图。挠性联接器10可以是(并且如图所示为)盘型联接器。图示的特定实施方式包括三层盘旋体14、18和22。也可以采用更多或更少的盘旋体。联接器10包括待附接到第一轴和第二轴(未图示)的第一端部26和第二端部30。端部26和30的结构包括法兰、花键连接、螺纹连接、几何驱动形状等。在图1所示的实施方式中，第一端部26是第一法兰，第二端部30是第二法兰。法兰26和30示出为没有开口，但其可以包括用于穿过紧固件的开口。还应注意的是，图1示出的盘旋体都没有穿过其的开口。在此处披露的联接器的某些实施方式中，设置有开口32(如图2所示)。这些开口在渗氮工艺中——如果有的话——起辅助作用并用于在使用过程中允许湿气从联接器内排出。

参照图3，其示出了挠性联接器10的剖开视图。从该视图中不仅能够观察到联接器的内部还能够观察到联接器的材料厚度。联接器10包括内表面34和外表面38。在这些表面之间，材料厚度不是固定的，而是根据下面将要讨论的特定参数随着从联接器的轴线开始的径向距离的增加而逐渐减小。同样值得注意的是，起始于每个盘旋体根部的外表面是圆角的。在图示的联接器中，该表面是复合圆角表面。在内表面的靠近盘旋体根部处形成角，用于减少应力。在图4中，内表面标为42，外表面标为40。图4示出本发明联接器的盘旋体之一(盘状体1)的示意截面44，其上叠加有虚线(在可见区域)，并示出固定厚度联接器(盘状体2)的截面46的示意图。图示的目的是示出此处披露的联接器的厚度变化及用于有限元分析的应力测量点(数字1-23)，有限元分析的结果示出在图5和图6中。图5示出与所施加的扭矩相关的应力，图6示出与接合联接器的轴的失准相关的应力。读者能够容易地理解根据本披露的联接器的应力的减少。此处的联接器(盘状体1)采用了圆角的锥形外表面40和靠近挠性联接器内径处的成角的内表面42，从而形成经过调整的厚度分布，进而获得较低的应力和最优的联接器应力分布。具体而言，经过调整的壁厚使总应力减小，且其减少了应力集中和局部应力放大，而这些都是均匀壁厚的设计具有的问题。图5示出在施加扭矩载荷的情况下通过采用图示的锥形厚度分布最大算定应力大约减少33％。另外，由于这种联接器的角度失准而产生的峰值应力大约减少18％，并且应力放大效应也大大减小，其应力峰值变得不是很明显且应力分布更加均匀(图6)。

根据此处的盘旋体的减小的截面厚度(随着从联接器的轴线开始的径向距离)使联接器的轴向刚度和抗弯刚度得以调整以便用于固有频率布置和共振解谐。这优于其他类型的具有恒定厚度型结构的联接器，因为这些联接器在刚度控制方面有限制。这种限制导致的联接器在传动系中具有振动问题，从而导致在诸如螺栓联接的法兰和花键之类的附接点处产生摩损。而且，在可能含有联接器的布置中的这种振动甚至会导致这种现有技术系统中的挠曲元件失效。

挠性联接器10可由多种材料制成，例如钛、不锈钢、碳钢、高强度钢(包括马氏体时效钢)、镍材料(诸如因科镍合金)及包括上述至少一种的结合。普通渗氮工艺可选择地用于生成硬壳氮化物厚度并增强联接器的耐久性。由于联接器内的盘旋体的深度，所以优选气体氮化。

不论材料如何选择，最重要的条件是通过确保联接器材料始终具有大约一致的材料和疲劳特性来获得优良的材料和疲劳特性。也就是说，此处披露的联接器避免了与其组成及结构中不一致的材料和疲劳特性相关的局部应力集中。实现这二者对本领域来说是容易忘记的，并且实现这二者使此处描述的联接器产生意想不到的强度和耐久性。所披露的联接器没有任何可能改变联接器材料的材料特性和/或疲劳特性的焊接件或粘接件。而且，因为联接器不包括粘接件件或焊接件(由于明显的原因，这些件设置在现有技术的联接器中的每个盘状体的最外边的区域)，并且因为联接器的材料厚度随着从联接器的轴线开始的距离的增加而减小，所以此处披露的联接器的重心比现有技术的联接器的重心定位得沿径向更靠近内部，从而使此处披露的联接器优于现有技术的联接器。减小重心的径向定位的优点之一是作用于联接器上的离心力大大小于重心定位得从联接器轴线(更进一步，从联接器的旋转轴)沿径向更靠近外部的相似尺寸的联接器中的离心力。

在此处的另一实施方式中，参照图7和8，上面所示的联接器的原理被保留，但是该联接器实质上是颠倒的(外侧到内侧)。该实施方式构造为用于较小直径轴向开口100的应用，由于联接器的尺寸有限，所以这种构造不允许进行更深内腔的加工。联接器110具有端部126和130，其设置得靠近联接器110的直径外侧。可以理解的是，较大的到达加工从联接器的外部而非其内部进行，并且内部加工深度保持在最小值。任何待进行的内部加工的深度都限制为切削刀片长度减去和刀片成一线的刀片支撑宽度。因此，如果待生产的联接器上需要小直径开口，那么内部加工深度也会受到限制。图7和图8的实施方式在具有之前所述实施方式的大量强度和耐久性的同时解决了这个问题。在图示中，所示的双盘旋体联接器在150处具有最深的加工表面。显然还有其他两个深加工表面，其示出为152和154，但是这些表面相对较浅，因此其可以用较小的能够配合进联接器内径的刀具加工。端部126和130示出为没有任何特定的驱动或连接装置，但是应当理解的是，可以采用此前所述的任何装置。

如注意到的那样，上述联接器的实施方式从单件材料构造并加工而来。现有技术中没有这种加工工艺，因为众所周知内部深加工需要支撑的切削刀具。由于所述联接器的端部直径与内部加工直径的对比，这种支撑的切削刀具不能用于此处的联接器。更具体地，所采用的切削刀具必须能够配合进至少一个端部的内径并且足够长以便能够加工盘旋体的深的结构。已知采用未被支撑的刀具不能满足这种用途，因为任何长的切削刀片的端部切削表面始终存在颤动。颤动对于诸如此处披露的联接器来说是完全不可接受的，因为用颤动的刀具制成的联接器的表面不规则性会产生固有的应力集中效应。

鉴于上面所述，本领域的普通技术人员很快便会得出结论：即无法加工出诸如此处所述的联接器。然而，发明人已经开发出一种能够在避免颤动及伴随颤动的有害效应的情况下加工所述联接器的切削刀具。参照图9，其示出了车铣刀200。该刀具包括在202处具有一定间隙的安装轴。具有刀具206的刀片204设置在间隙部分202的端部。刀片204的可用切削长度为l并且其未被支撑。因为刀片的几何形状和成分(钴或其他具有同样材料特性的成分)具有足够的强度并且不产生颤动，所以该刀片的总切削长度可用于加工联接器10的内部。车刀200保持静止，而联接器10被旋转以去除材料。在操作过程中，整个刀片的长度y必须小于联接器10的至少一个端部26或30的内部尺寸，从而其才能够配合进联接器的内部尺寸以加工出(各)盘旋体。在多盘旋体结构中，刀片长度y还必须小于每个盘旋体的根部处的内部尺寸，以便刀片204可以穿过联接器从而到达并加工每个盘旋体的内表面。

在制作每个盘旋体的内表面时，每个深盘旋体的内壁60和62(见图10)保持在基本上垂直于联接器10轴线的平面内并且保持基本上彼此平行以易于加工。然而，在深盘旋体的末梢，壁在66和64处成圆角。对该方法来说同样重要的是，刀具应当窄于盘旋体的宽度以便通过同时调整刀具的深度和线性运动形成所示圆角64和66。图4所示的成角的表面或倒角42加工起来相对容易，并且其连同复合圆角外表面40一起减小了应力并有助于使应力分布最优化。

上述刀具连同数控车床(未图示)一起使用。根据本披露的联接器将从单件联接器材料车削而成，因此制成单件整体结构的挠性联接器。由于联接器10是单件整体结构，所以其在材料中各处将具有一致的材料和疲劳特性，联接器10没有焊接部件，因此联接器10没有会导致失效的具有不一致的材料和/或疲劳特性的区域。气体渗氮进一步改善了材料特性和疲劳强度，而焊接减小了相对于名义热处理特性的材料特性和疲劳强度。联接器10的工作寿命比采用影响材料和材料疲劳特性的焊接、粘接(bonding)或其他连接方法的联接器的工作寿命长且更能精确估计。另外，已经证实，现有技术的焊接或压焊组件由于所述连接工艺缺乏可重复性而具有水准不一致的质量。而且，由于避免了产生热量的连接方法，所以可对此处的联接器进行预热处理(例如在加工之前)而没有因联接器后续的构造步骤不利影响该工艺的风险。

虽然已经参照计算机控制车床描述了此处披露的挠性联接器10，但是只要在盘旋体中不采用产生应力集中的焊接或其他连接方法，也可以采用其他加工方法。这些其他加工方法包括但不限于放电加工(EDM)和电化学加工(ECM)。

所采用的第一、第二等术语不表示任何顺序或重要性，而是用于元件之间的区分。

此处披露的联接器也能够采用已知技术的防摆动轴承(anti-flailbearing)。防摆动轴承提供了支撑定心装置以便在盘旋体之一失效的未必可能的情况下保持中心线并允许继续旋转。防摆动轴承将高速球轴承和一种位于高速轴承内径和外径上的特别的自润滑衬套系统相结合，其中高速球轴承由碳钢、耐腐蚀材料如Cronidur30、XD-15、XD-15NW、陶瓷、不锈钢及塑料制成，自润滑衬套系统在合成基材内含有聚四氟乙烯PTFE和其他特殊的填充物，从而在防摆动操作(anti-flail operation)过程中允许联接器轴向失准。抗震轴承总的来说是已知技术，相对于在本披露中所采用的已知系统的改变涉及已发现以较优方式表现的材料。

尽管已参照优选实施方式描述了所披露的设备和方法，但是本领域的技术人员应当理解的是，在不偏离所披露的设备和方法的范围的情况下，可以对本发明进行各种改造并且可用等效元件替代其中的元件。另外，可制作本发明的多种改型，以便在不偏离本发明的实质范围的情况下使特定情况或材料适应所披露的设备和方法的教导。因此，期望所披露的设备和方法不限于所披露的作为实现该披露的设备和方法的最佳实施方式的特定实施方式，而且期望所披露的设备和方法包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (22)

1.一种单件整体金属联接器，其具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体。

2.如权利要求1所述的具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体的单件整体金属联接器，其中，所述盘旋体的截面材料厚度随从所述联接器的轴线开始的径向距离而变化。

3.如权利要求2所述的具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体的单件整体金属联接器，其中，所述截面材料厚度随从旋转轴开始的径向距离的减小而增大。

4.如权利要求1所述的具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体的单件整体金属联接器，其中，所述联接器的内部尺度是圆筒形的。

5.如权利要求1所述的具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体的单件整体金属联接器，其中，所述第一端部和第二端部包括连接装置。

6.如权利要求5所述的具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体的单件整体金属联接器，其中，所述连接装置是法兰。

7.如权利要求5所述的具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体的单件整体金属联接器，其中，所述连接装置是花键连接。

8.如权利要求1所述的具有第一端部和第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的盘旋体的单件整体金属联接器，其中，所述联接器进一步包括位于所述联接器的径向朝外的位置处的至少一个开口。

9.一种挠性金属联接器，包括：

第一端部；

第二端部；

位于所述第一端部和第二端部处的第一盘旋体；以及

其中，所述挠性金属联接器是单件整体结构。

10.如权利要求9所述的挠性联接器，其中，所述联接器由选自钛、不锈钢、高强度钢、镍材料、碳钢及马氏体时效钢以及包括上述至少一种材料的组合中的一种材料制成。

11.如权利要求9所述的挠性联接器，进一步包括用来增强疲劳特性和耐磨性的渗氮部。

12.一种用于制造单件整体结构挠性联接器的方法，包括：

从原材料加工一个或多个单件整体结构挠性联接器，所述单件整体结构挠性联接器具有第一联接器端部和第二联接器端部以及位于所述第一端部和第二端部处的一个或多个盘旋体。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述加工是计算机控制的车削、放电加工及电化学加工中的一种。

14.如权利要求12所述的方法，进一步包括对所述单件整体挠性联接器进行渗氮。

15.如权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括对所述原材料进行预热处理。

16.如权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括对所述整体挠性联接器进行后置热处理。

17.如权利要求12所述的方法，其中，所述加工包括使每个盘旋体的外表面相对于所述联接器的轴线形成角度以及使每个联接器的内表面相对于所述联接器的轴线形成不同的角度。

18.如权利要求12所述的方法，其中，所述加工进一步包括随着从所述联接器的轴线开始的径向距离的增加使所述联接器盘旋体的截面厚度逐渐变小。

19.如权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括调整所述联接器的轴向刚度和抗弯刚度以实现频移和共振解谐之一。

20.一种联接器，其由单件整体金属材料构成，所述单件整体金属材料具有第一端部和第二端部以及设置在所述第一端部和第二端部处的盘旋体。

21.一种联接器，包括：

第一端部；

第二端部；

设置在所述第一端部和第二端部处的盘旋体，所述盘旋体的材料厚度随从所述联接器的旋转轴开始的径向距离的增大而减小。

22.一种联接器，包括：

第一端部；

第二端部；

设置在所述第一端部和第二端部处的盘旋体，所述盘旋体的外表面和内表面相对于所述联接器的轴线具有不同的角度。

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