CN102171494A - 零应力集中花键轮廓 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于有效的扭矩传递的系统，所述系统包括至少一个驱动构件和至少一个从动构件，所述系统采用具有几乎零应力集中的互补花键轮廓，这提高了具有给定直径的轴的整体扭矩传递能力。

Description

零应力集中花键轮廓

技术领域

本发明大体涉及用于扭矩传递的轴的齿廓形状。更具体地说，本发明涉及双螺杆挤出机中的轴的齿的几何(geometrical)设计。当在双螺杆挤出机中将扭矩从一个转动构件传至另一个时所述设计保证齿上的几乎零应力集中。

背景技术

扭矩传递系统在各种形式的机械装置中是普遍存在的。所有的扭矩传递系统必须具有驱动构件和从动构件。通常，通过键槽、锯齿(serration)、花键轮廓齿(spline-profile teeth)等等将扭矩从驱动构件传递至从动构件。在花键轮廓齿的情况中，由于花键轮廓齿中的非连续点(discontinuity)，扭矩传递产生的应力在驱动构件和从动构件中是非适当分布的。结果，在花键轮廓齿的某些区域中应力水平高。这种现象被称为应力集中。应力集中发生在那些齿花键轮廓齿的非连续性区域，这使得这些区域易于失效。该应力集中限制扭矩传递系统的扭矩传递能力。

在双螺杆挤出机的情况中，与双螺杆挤出机有关的从动构件将在下文中称为挤出机元件并且与双螺杆挤出机有关的驱动构件将在下文中称为挤出机轴。为了使具有给定挤出机几何形状的双螺杆挤出机中的聚合物更好且更有效地混合，需要更大的挤出机轴，这使得挤出机元件的横截面更薄。在薄壁从动构件(即，挤出机元件具有薄壁厚度)的情况下，应力集中的问题倍增。对于具有小于2-3mm壁厚的挤出机元件而言，应力集中明显降低应力承受能力。这限制了挤出机元件的扭矩传递能力，从而降低了双螺杆挤出机的效率。

已经通过设计各种花键轮廓齿努力提高扭矩传递系统的扭矩传递能力。现有技术中采用的花键轮廓包括具有多边形齿廓的直边花键、渐开线齿廓花键和摆线齿廓花键。早期所采用的所有轮廓都没有能够有效地消除应力集中。现有技术中披露的很多花键轮廓在轮廓中具有非连续点，这是应力集中的主要原因。即使不具有非连续点的花键轮廓也不能完全消除应力集中。

例如，专利号为US5716159且发明名称为“花键和用于多轴挤出机的转动元件的花键”的美国专利披露了将椭圆形花键轮廓用于多轴挤出机的挤出机元件的齿的系统。所述花键轮廓具有用于波峰的半椭圆形轮廓和用于波谷的相似的半椭圆形轮廓。然而，在该专利中披露的多轴花键挤出机中，两个半椭圆形部分相接处的点形成非连续点并导致应力集中。这再次限制了轴的扭矩传递能力。

因此需要一种具有零应力集中轮廓齿(stress-concentration free profiletooth)的扭矩传递系统，使得给定直径的轴的扭矩传递能力提高。

发明内容

本发明披露了一种用于提高扭矩传递能力并用于在扭矩传递系统中将扭矩从驱动构件平稳传递到从动构件的齿廓。

本发明通过具有扭矩传递系统的花键轮廓齿实现，所述扭矩传递系统包括在其外表面上具有零应力集中轮廓齿的驱动构件。所述系统还包括具有零应力集中轮廓齿的从动构件，所述零应力集中轮廓齿与驱动构件的零应力集中轮廓齿共轭以在其之间传递扭矩。驱动构件和从动构件的零应力集中轮廓齿具有通过一半曲线(half curve)的数学表达式在r-θ极坐标系平面中定义的齿廓，该半曲线的数学表达式为：

r＝h[θ/β-1/2π(sin(2πθ/β))]，定义区间为0≤θ≤β，

其中，r是到最终基准表面(final base surface)的径向距离，齿廓在该最终基准表面上形成；

θ是从0到β变化的转动角；

h是代表所述齿的高度(depth)的常量；

β是等于(π/z)的常量；和

z是齿数。

通过将半曲线与其关于一径向轴线的镜像结合得到完整的齿廓，该径向轴线穿过驱动构件的中心轴线以及半曲线的两个端点之一。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的具有零应力集中轮廓的半齿。

图2示出了根据本发明实施例的具有零应力集中轮廓的完整齿。

图3示出了根据本发明实施例的在其外表面上具有零应力集中轮廓的挤出机轴的截面图。

图4示出了根据本发明实施例的扭矩传递系统的两个接合构件。

图5示出了根据本发明实施例的作用在花键轮廓齿上的力的示意图。

图6A和6B描绘了根据本发明实施例的在同向转动双螺杆挤出机中采用的扭矩传递构造。

具体实施方式

下面将参照附图和实施例详细描述本发明。

本发明涉及一种扭矩传递系统，所述扭矩传递系统采用特殊的齿廓以将扭矩从一个转动构件到另一个。本发明中披露的齿廓在下文中将称为零应力集中轮廓。

根据本发明的实施例，扭矩传递系统是双螺杆挤出机。

不过，本领域的技术人员应当明白，所述扭矩传递系统将包括但不限于单螺杆挤出机、多螺杆挤出机、轴-齿轮系统和齿轮-齿轮系统。

零应力集中齿廓是指扭矩从驱动构件传递到从动构件而在花键齿上具有最小的应力集中并因此对驱动构件或从动构件的材料失效提供耐性，从而避免大的经济损失和生命危险。

图1示出了根据本发明实施例的具有零应力集中轮廓的半齿廓102。通过计算机控制的金属切削和加工方法(诸如EDM或线式放电方法)在驱动构件或从动构件的表面上获得齿的零应力集中轮廓。

根据本发明的实施例，零应力集中轮廓齿的切削通过下面的方程式控制：

r＝h[θ/β-1/2π(sin(2πθ/β))]，定义区间为0≤θ≤β，

其中，

r是到基准表面106的径向距离，齿廓形成在该基准表面上；

θ是从0到β变化的转动角，在点104处从θ＝0开始并且在点108处达到(sweep to)θ＝β；

h是代表所述齿的高度的常量；

β是等于(π/z)的常量；且

z是齿数。

r-θ圆柱坐标系的原点位于驱动构件的中心轴线处。

此处，基准表面106是驱动构件的外表面。

方程式r＝h[θ/β-1/2π(sin(2πθ/β))]在下文中将被称为零应力集中轮廓方程式。已经利用数值分析方法确定该零应力集中轮廓方程式，使得所产生的齿廓提供最小的应力集中系数。不过，本领域技术人员应当明白，名称“零应力集中轮廓方程式”不仅限于上面的数学公式。该术语可适用于任何连续并且具有连续一阶、二阶和三阶导数的数学方程式。因此，数学方程式r＝h[θ/β-1/2π(sin(2πθ/β))]中的任何用于减小应力集中系数的微小修改将落入本发明的范围内。

本领域技术人员将能够理解，可以利用零应力集中方程式在从动构件表面上设计零应力集中轮廓齿。此外，从动构件表面上由此产生的齿廓与驱动构件的齿的零应力集中轮廓共轭。

根据本发明的实施例，采用零应力集中方程式设计谐波齿轮减速器中的柔性花键(flexispline)构件的外齿轮齿(谐波齿轮减速器是一种扭矩传递系统，具有作为接合构件之一的柔性花键。所述柔性花键是在其边缘上具有外部花键的薄壁柔性杯形件)。柔性花键的外齿轮齿与圆形刚性环的内齿啮合。所述圆形刚性环是机加工有内齿的圆形厚壁刚性环。根据本发明的实施例，圆形刚性环的内齿也可以利用零应力集中轮廓方程式设计。

根据本发明的实施例，利用零应力集中轮廓方程式设计双螺杆挤出机的挤出机轴和挤出机元件的齿廓。定义齿廓的零应力集中轮廓方程式使得方程式关于角度θ的一至四阶导数在θ从0到β之间除了端点(θ＝0和θ＝β)之外的所有值处都是连续的。一阶导数代表径向距离r关于角度Θ的变化率并且每个下一阶导数是前一阶导数关于角度θ的变化率。导数的连续性代表平滑且连续的半齿廓102。该平滑且连续的半齿廓102确保两个接合构件之间平稳且无抖动(jerk)的扭矩传递。

图2示出了通过将半齿廓102与其关于径向轴线204的镜像202接合所得到的完整齿廓200。径向轴线204穿过驱动构件的中心轴线和点108。

零应力集中轮廓方程式的一阶导数在其极值点(即θ＝0和θ＝β)处等于0。此外，零应力集中轮廓的镜像具有在其极值点处等于零的一阶导数。由于所产生的完整齿廓的一阶导数在端点处是连续的，因此保证了整个花键的平滑(没有间断点)的轮廓。

图3示出了根据本发明实施例的驱动构件304上的零应力集中轮廓302。通过零应力集中轮廓方程式得到完整的花键轮廓，其中半齿廓102的连续线条与其关于径向轴线204的镜像202首尾相接，由此得到的图形在驱动构件304的整个周边上重复。

图4示出了根据本发明实施例的扭矩传递系统的两个接合构件。所述两个接合构件是双螺纹杆挤出机的驱动构件和从动构件。根据本发明的实施例，驱动构件是双螺纹杆挤出机的挤出机轴402(类似于图3中所示的驱动构件304)并且从动构件是挤出机元件404。挤出机轴402的齿廓由零应力集中轮廓方程式支配，如图4中所示，同时，挤出机元件404具有与挤出机轴402的零应力集中轮廓共轭的齿廓。所述共轭齿廓由零应力集中轮廓方程式支配但加工在挤出机元件404的内表面上。此外，挤出机轴402具有安装在其上的多个挤出机元件404。挤出机轴402将扭矩传递给所述多个挤出机元件404。与挤出机轴402和挤出机元件404相对应的零应力集中轮廓齿相互啮合并且扭矩在其间传递。

图5示出了作用在花键轮廓齿502上的力的示意图。花键轮廓齿502承受弯曲应力、剪切应力，压缩应力和接触载荷应力。如图5所示，作用在花键轮廓齿502上的力可分解为切向力分量F_T504和径向力分量F_R506。发现花键轮廓齿502的根部508和514处应力集中系数最大。

径向力分量F_R506包括压缩应力512。由径向力分量F_R506产生的应力可由下面的方程式确定：

σ_R＝F_R/(L*t_B)                                                        (1)

其中，L是齿的垂直于纸面的长度；且t_B是齿底处的齿厚。

切向力分量F_T504包括花键轮廓齿502的根部514处的压缩应力和根部508处的拉伸应力。由切向力分量F_T504产生的应力可由下面的方程式确定：

σ_T＝(6*F_R*L*K_F)/(L*t_B ²)                                                (2)

使用下面的Dolan&Broghamer公式确定应力集中系数：

K_F＝H+{(t_B/r_f)N.(t_B/L)M}                                                (3)

其中：

H＝0.331-0.436ф；                                            (4a)

M＝0.261-0.545ф；                                            (4b)

N＝0.324-0.492ф；                                            (4c)

r_f是齿根圆角(tooth fillet)的半径；

t_B是齿底处的齿厚；且

ф是压力角(用弧度表示)。

下面的计算示出了零应力集中轮廓与渐开线花键轮廓的应力集中系数对比。渐开线花键轮廓的数据：

t_B＝1.85mm

L＝0.8mm

ф＝30°

r_f＝0.128mm

零应力集中轮廓(根据本发明实施例)的数据：

t_B＝1.85mm

L＝0.8mm

ф＝40°

r_f＝0.40mm

利用方程式3、4a、4b、4c和轮廓的数据，计算应力集中系数如下：

K_F(渐开线花键轮廓)＝1.28

K_F(零应力集中轮廓)＝0.9

从上面的计算很清楚，相比于渐开线花键轮廓齿，零应力集中轮廓齿的根部508和514处的应力集中系数是非常小的。因此，对于相同壁厚的扭矩传递构件，从渐开线到零应力集中轮廓的转换将保证更高的扭矩传递能力。也就是说，为获得与渐开线花键轮廓扭矩传递装置相同的扭矩传递能力，在零应力集中轮廓扭矩传递装置中可以采用更薄壁的扭矩传递构件。此外，使用薄壁扭矩传递构件将减轻扭矩传递装置的重量。轻重量的扭矩传递装置在航空和航天以及汽车工程中是非常期望的。根据本发明的实施例，可使用零应力集中轮廓齿来设计轻重量的变速器。所述轻重量的变速器

图6A和6B描绘了根据本发明实施例的在共转(co-rotating)双螺杆挤出机中采用的扭矩传递机构。图6A示出了共转双螺杆挤出机的截面图。所述双螺杆挤出机系统包括筒(barrel)604。筒604由两个平行相交的孔(bore)组成。每个孔包括两个挤出机轴402。在双螺杆挤出机中将被挤出的材料称为装料(charge)。将被挤出的装料被放入筒604内并经受熔融、混合、传输和搅拌(kneading)工艺。

装料对挤出机元件404试图施加在其上面的运动提供很高的阻力。为了克服装料提供的这种阻力，挤出机轴402必须将更多的扭矩传动到每个挤出机元件404。因此，所产生的高扭矩导致挤出机轴402和挤出机元件404上的应力。

挤出机轴402的扭矩传递能力取决于材料特性和应力集中系数，应力集中系数进而取决于材料的几何形状和装载形式(loading pattern)。挤出机轴402的材料的最大容许应力对挤出机轴402在不使材料失效的情况下能够承受的最大装载设置了极限。在双螺杆挤出机的情况中装载形式与装入筒604中的装料的数量是成比例的。因此，对于挤出机轴402的给定转速，最大容许应力限制所加工的装料的量。这进一步限制了最终挤出输出。利用零应力集中轮廓齿，可增加筒604的装料填充容积，这是由于应力承受能力提高因而允许更大的装载。因此，大幅增大了挤出输出。

根据一实施例，挤出机轴402上的零应力集中轮廓齿通过火花腐蚀方法制造并且挤出机元件404的零应力集中轮廓齿通过WEDM(线式放电加工)方法制造。

火花腐蚀方法也被称为放电加工(或EDM)，其被用于制造挤出机轴402。在电领域中，EDM是通过在电极(切削工具)和工件之间的一系列快速重复的电弧放电来去除材料的标准方法。沿着非常靠近工件但不接触工件的期望路径引导EDM切削工具。连续火花在工件上产生一系列微坑并通过融熔和蒸发沿着切削路径去除材料。

EDM实现了以非常精密的公差在非常硬的材料中实现复杂轮廓或腔的切削，而不需要热处理对其进行软化和再次硬化。

此外，WEDM是一种特殊类型的EDM，其中使用引线作为电极，该引线从卷线盘不断地供应。它是一种更可控并且更易于操作的加工过程。

尽管已经参照本发明的某些实施例描绘并详述了本发明，但本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围的条件下，可以在形式上和细节上做出各种修改。

Claims (18)

1.一种扭矩传递系统，所述扭矩传递系统包括：

a.驱动构件，所述驱动构件在其外表面上具有零应力集中轮廓齿；以及

b.从动构件，所述从动构件具有与所述驱动构件的零应力集中轮廓齿共轭的零应力集中轮廓齿；

其中，通过所述驱动构件的零应力集中轮廓齿将扭矩从所述驱动构件传递至所述从动构件。

2.根据权利要求1所述的扭矩传递系统，其中，所述从动构件与所述驱动构件是同心的。

3.根据权利要求1所述的扭矩传递系统，其中，所述从动构件与所述驱动构件是不同心的。

4.一种扭矩传递系统，所述扭矩传递系统包括：

a)驱动构件，所述驱动构件在其外表面上具有零应力集中轮廓齿；以及

b)从动构件，所述从动构件具有与所述驱动构件的零应力集中轮廓齿共轭的零应力集中轮廓齿，以在所述驱动构件与所述从动构件之间传递扭矩；

其中，所述驱动构件和所述从动构件的零应力集中轮廓齿具有在r-θ极坐标系平面中定义的齿廓，所述齿廓通过第一曲线和第二曲线结合得到的连续曲线提供，所述第一曲线由一数学表达式表示并且所述第二曲线是所述第一曲线关于一径向轴线的镜像，所述径向轴线穿过所述驱动构件的中心轴线以及所述第一曲线的两个端点之一，并且用于所述第一曲线的数学表达式定义为：

r＝h[θ/β-1/2π(sin(2πθ/β))]，定义区间为0≤θ≤β，

其中，

r是到最终基准表面的径向距离，所述齿廓形成在所述最终基准表面上；

θ是从0到β变化的转动角；

h是表示所述齿的高度的常量；

β是等于(π/z)的常量；且

z是齿数。

5.根据权利要求4所述的扭矩传递系统，其中，所述扭矩传递系统是双螺杆挤出机。

6.根据利要求4所述的扭矩传递系统，其中，所述扭矩传递系统是轴-齿轮系统。

7.根据权利要求4所述的扭矩传递系统，其中，所述驱动构件是双螺杆挤出机的挤出机轴。

8.根据权利要求4所述的扭矩传递系统，其中，所述驱动构件和所述从动构件上的零应力集中轮廓齿是同心的。

9.根据权利要求4所述的扭矩传递系统，其中，所述零应力集中轮廓齿由火花腐蚀方法制造。

10.根据权利要求4所述的扭矩传递系统，其中，所述零应力集中轮廓齿由WEDM(线式放电加工)方法制造。

11.根据权利要求4所述的扭矩传递系统，其中，所述驱动构件上的零应力集中轮廓齿由火花腐蚀方法制造并且所述从动构件上的零应力集中轮廓齿由WEDM(线式放电加工)方法制造。

12.一种用于挤出机的扭矩传递系统，所述扭矩传递系统包括：

a.至少一个挤出机轴，所述挤出机轴在其外表面上具有零应力集中轮廓齿；以及

b.至少一个挤出机元件，所述挤出机元件具有与所述挤出机轴的零应力集中轮廓齿共轭的零应力集中轮廓齿，以在所述挤出机元件与所述挤出机轴之间传递扭矩；

其中，所述挤出机轴和所述挤出机元件的零应力集中轮廓齿具有在r-θ极坐标系平面中定义的齿廓，所述齿廓通过第一曲线和第二曲线结合得到的连续曲线提供，所述第一曲线由一数学表达式表示并且所述第二曲线是所述第一曲线关于一径向轴线的镜像，所述径向轴线穿过所述挤出机轴的中心轴线以及所述第一曲线的两个端点之一，并且用于所述第一曲线的数学表达式定义为：

r＝h[θ/β-1/2π(sin(2πθ/β))]，定义区间为0≤θ≤β，

其中，

r是到最终基准表面的径向距离，所述齿廓形成在所述最终基准表面上；

θ是从0到β变化的转动角；

h是表示所述齿的高度的常量；

β是等于(π/z)的常量；且

z是齿数。

13.根据权利要求12所述的扭矩传递系统，其中，所述零应力集中轮廓齿由火花腐蚀方法制造。

14.根据权利要求12所述的扭矩传递系统，其中，所述零应力集中轮廓齿由WEDM(线式放电加工)方法制造。

15.根据权利要求12所述的扭矩传递系统，其中，所述多个驱动轴上的零应力集中轮廓齿由火花腐蚀方法制造并且所述多个转动元件上的零应力集中轮廓齿由WEDM(线放电加工)方法制造。

16.根据权利要求12所述的扭矩传递系统，其中，所述多个挤出机轴沿相同的方向转动。

17.根据权利要求12所述的扭矩传递系统，其中，所述多个挤出机轴沿不同的方向转动。

18.一种扭矩传递系统，所述扭矩传递系统基本为说明书中参照附图所描述的以及由附图所示出的扭矩传递系统。

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