CN104315004A - 鼓形齿联轴器及其外齿 - Google Patents

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张林威
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Abstract

本发明提供一种鼓形齿联轴器外齿，其齿形的分度圆截面形状包括两长边和两短边，每条长边的两端分别与所述两短边相连接，其中，所述两长边均由相连的两段圆弧组成，所述两段圆弧的连接点位于所述齿形的一轴线上，所述圆弧自所述连接点向所述短边渐缩形成，所述每段圆弧及其圆心分别位于所述轴线的两侧。本发明的鼓形齿联轴器外齿通过改变齿形，减小齿侧间隙，增大圆弧半径和齿厚，较传统齿形大大增加了接触齿对，提高了齿面承载能力，提高了使用寿命，减小了正反转和启动时内外齿产生的冲击。

Description

鼓形齿联轴器及其外齿
技术领域
本发明涉及一种鼓形齿外齿，具体为一种用于鼓形齿联轴器的鼓形外齿及包括该外齿的联轴器。
背景技术
传统的鼓形齿联轴器内外齿均为渐开线齿，外齿齿面为近似同一半径的鼓形曲面。外齿可位于鼓形齿联轴器的输入端或输出端。由于联轴器在传递转矩运行中绝大多数情况是内外齿套有一定的轴线折角，并以一定的转速旋转，因而，在设计中内外齿需要有角向补偿量。在这种有轴线折角情况下，一个外齿在内齿槽中绕联轴器轴线旋转一周(即360°)，其分度圆截面的齿形(以下称为齿形)在此过程中的摆动及转动情况如图1所示。
由图1中齿形1的状态可知，在0°、180°和360°位置，外齿只沿轴线方向摆动，但不转动；在90°和270°位置，外齿只转动，但不沿轴线方向摆动；其余位置外齿既摆动又沿轴线方向转动。最终产生联轴器一周内共轭齿对承载不均，导致了在内外齿有轴线折角时许多齿对不承载，而个别齿对接触应力大大增高。此种不均匀性极大地降低了联轴器的承载能力。
传统鼓形齿齿形如图2所示，鼓形齿的齿形1大致为一长方形，其两长边为相同的弧形，该弧形的半径为ρ，该弧形圆心位于齿形1的轴线OO′上。当外齿位于图1中0°、180°或360°位置时，内齿槽2的轴线MM′与齿形1的轴线NN′位于同一直线上。两弧形的中点均位于轴线OO′上，此时，两中点间的距离为h，h小于内齿槽2宽度。
图3为外齿在图1中270°位置时齿形的状态图，当内外齿齿侧隙最小时，齿形1与内齿槽2啮合的切点A、B顶在齿形圆弧上。此时，轴线MM′与轴线NN′的夹角为α°，即在内齿槽2中外齿可沿其中心旋转α°，内齿槽2中外齿的齿形最小宽度为h1，h1为切点A与切点B沿内齿槽2垂直方向的距离。相比较可知h1＞h，因此，内齿槽2的宽度必须留出齿侧间隙(≥h1-h)以供齿形转动。弧形边的圆弧半径ρ越大，需要预留的齿侧间隙也越大；同时，实际需要齿形转角越大，所需的齿侧间隙也越大。
然而，鼓形齿联轴器齿侧间隙大，在设备正反转和启动时联轴器内外齿会产生冲击，加大齿面负荷，有时会使齿面材料屈服变形，加快齿面挤压变形和磨损。同时，鼓形齿联轴器齿侧间隙大，会使内齿或外齿齿厚变薄，缩短使用寿命；此外，还会减少一周齿的内外接触齿对，大大增加个别共轭内外齿对的接触应力，极大地削弱了联轴器的承载能力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种鼓形齿联轴器外齿，其齿形的分度圆截面形状包括两长边和两短边，每条长边的两端分别与所述两短边相连接，所述两长边均由相连的两段圆弧组成，所述两段圆弧的连接点位于所述齿形的一轴线上，所述圆弧自所述连接点向所述短边渐缩形成，所述每段圆弧及其圆心分别位于所述轴线的两侧。
根据本发明的一实施方式，所述圆弧的半径根据联轴器轴线折角和渐开线齿模数确定。
根据本发明的另一实施方式，所述两段圆弧关于所述轴线对称。
根据本发明的另一实施方式，所述两短边相互平行，长度相等。
根据本发明的另一实施方式，所述轴线与所述两短边相互平行。
根据本发明的另一实施方式，所述外齿可沿内齿槽的轴线向一侧偏转0.5～3°。
本发明进一步提供了一种鼓形齿联轴器，包含上述任一项所述的鼓形齿联轴器外齿。
本发明的鼓形齿联轴器外齿通过改变外齿齿形，大大减小齿侧间隙，增大了圆弧半径和齿厚，较传统齿形极大地增加了接触齿对，提高了齿面承载能力，提高了使用寿命，减小了正反转和启动时内外齿产生的冲击。
附图说明
图1为传统鼓形齿联轴器的一个外齿旋转一周摆动和转动过程中齿形状态的展开图；
图2为图1中传统鼓形齿外齿在0°、180°或360°位置时齿形的状态示意图；
图3为图1中传统鼓形齿外齿在270°位置时齿形的状态示意图；
图4为本发明实施例的鼓形齿外齿在0°、180°或360°位置时齿形的状态示意图；
图5为本发明实施例的鼓形齿外齿在270°位置时齿形的状态示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
图4所示为本发明一实施例的鼓形齿外齿在0°、180°和360°位置时内齿槽中齿形(分度圆截面)的状态。外齿齿形1大致为一长方形，包括两长边和两短边，两短边可为两条长度相等且与轴线OO′平行的线段；两长边均由相连的两段圆弧OC、OD组成，圆弧OC与圆弧OD的半径、弧长均可相等，两弧的连接点O位于外齿的轴线OO′上，圆弧OC、OD分别自连接点O向两短边方向相对于内齿槽2渐缩形成，两弧的半径相等，圆心分别位于轴线OO′的两侧，关于轴线OO′对称，且圆弧OC、OD上任意一点与其圆心所形成的线段均与轴线OO′相交，即圆弧OC与其圆心分别位于轴线OO′的两侧。
图5所示为本发明一实施例的鼓形齿外齿在270°位置时内齿槽中齿形(分度圆截面)的状态。此时，内齿槽2的轴线MM′与外齿的轴线NN′之间的夹角为α°，即外齿可沿其中心旋转α°，α°的数值可选自0.5°～3°。
对比图4和图5可知，外齿齿形在0°和在270°位置时，内齿最小齿槽宽度近似一致，即宽度都近似等于h。此外，圆弧OC、OD的半径较传统齿形圆弧半径大得多。
本发明的两段弧鼓形齿的生产方法如下：
根据联轴器传递转矩、工作中的最大工作折角、模数和要求的最大回转直径通过计算确定材质、热处理硬度、齿形的模数、齿数、齿形角和齿长等，并确定材质的力学性能许用值。
确定两段弧鼓形齿形角向补偿量(略大于最大工作折角)和工作弧段，在考虑齿加工设备精度情况下通过作图确定齿形圆弧半径和齿轮精度，并验算齿形一周位置齿侧间隙都近似为零。
计算齿接触应力、齿根剪切和弯曲应力，检验是否满足各项许用应力要求。不满足时，重新调整参数，直到满足要求。
根据设计的两段弧鼓形齿齿形在数控滚齿机进行编制程序，制造加工零件，并进行检验和验收。
本发明中，外齿的每段圆弧圆心半径的设计主要根据其使用所需的角向补偿量确定，同时也应满足承载负荷和齿加工设备精度。可根据联轴器所传递的转矩、轴线折角和渐开线齿模数确定的两圆弧的弧长。
本发明中，两段弧齿形可使外齿在内齿槽中以联轴器轴线旋转一周(即360°)的过程中，在任何位置摆动和转动情况下保持内齿最小齿槽宽度近似一致。即宽度都是近似h。由于内外齿啮合承载时产生径向分力，内齿圈会发生不圆度的微弹性变形，使联轴器一周内的所有齿对全部承载，大大提高联轴器承载能力。从另一角度讲，联轴器在一定的承载转矩下，齿面的接触应力会大大降低。
本发明中，两段弧鼓形齿形圆弧半径较传统齿形圆弧半径大得多。对于一个球面和一个平面接触承载时，球的半径越大，承载能力越高。因而，两段弧鼓形齿形承载能力远大于传统齿形，能够大幅提高联轴器承载能力。同样，联轴器在一定的承载转矩下，齿面的接触应力会大大降低。
本发明中，内外齿的轴线有夹角时，外齿在内齿槽中以联轴器轴线旋转一周(即360°)任何位置摆动和转动情况下保持内齿最小齿槽宽度近似一致。即宽度都近似等于h，大大提高了内外齿接触率，降低内外齿接触应力。
本发明中，对齿形两短边的形状没有具体限定，可根据实际需要限定其形状及尺寸。
本发明中，两段弧鼓形齿形与内齿槽在各种轴线折角啮合时，齿侧间隙近似为零，在设备正反转和启动时不会产生冲击，大大减小了齿面负荷。
本发明中，两段弧鼓形齿形由于齿侧间隙近似为零，最大程度保证了内外齿的厚度，增加了齿面磨损量，提高了使用寿命。
本发明具有以下实质性特点和技术效果：两段弧鼓形齿形通过改变齿形，减小齿侧间隙，增大圆弧半径和齿厚，较传统齿形大大增加了接触齿对，提高了齿面承载能力，提高了使用寿命，减小了正反转和启动时会产生冲击。该技术可在所有鼓形齿联轴器的外齿中推广使用。
以下结合具体实施例对本发明的鼓形齿外齿做进一步描述：
实施例
Φ180管轧机减速器与轧辊间使用回转直径515mm的鼓形齿联轴器，最大工作转矩为335.06kN·m，最大峰值转矩为413.9kN·m，最大工作折角为1.6°。设计时，材质采用38CrMoAl，热处理采用调质和表面氮化，齿表面硬度为800HV，氮化层深0.9mm，模数为8，齿数为54，齿形角为28°，齿面许用接触应力为520N/mm2，经计算和设计两段弧鼓形齿形，选用角向补偿量为1.7°，齿形圆弧半径为1730mm，齿长为80mm，齿轮精度选用7级，最后计算出最大接触压力为360N/mm2，小于许用接触应力为520N/mm2，安全。后经有限元计算，结论相近。经工业性使用，寿命超过2年半，达到使用要求。
对比例
Φ180管轧机减速机与轧辊间使用的鼓形齿联轴器参数为：模数m＝6，齿数z＝45，齿形角α＝28°，最大工作转矩146.7kN·m，最大峰值转矩189.8kN·m，轴线折角0°～1.5°。
经有限元法计算得到联轴器递最大工作转矩189.8kN·m时内外齿的最大接触应力为：
从上述数据可以看出，本发明的两段弧齿形接触应力远低于传统齿形，结果非常理想。
虽然已参照典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种鼓形齿联轴器外齿，其齿形的分度圆截面形状包括两长边和两短边，每条长边的两端分别与所述两短边相连接，其特征在于，所述两长边均由相连的两段圆弧组成，所述两段圆弧的连接点位于所述齿形的一轴线上，所述圆弧自所述连接点向所述短边渐缩形成，所述每段圆弧及其圆心分别位于所述轴线的两侧。
2.根据权利要求1所述的外齿，其中，所述圆弧的半径根据联轴器轴线折角和渐开线齿模数确定。
3.根据权利要求1所述的外齿，其中，所述两段圆弧关于所述轴线对称。
4.根据权利要求1至3任一项所述的外齿，其中，所述两短边相互平行，长度相等。
5.根据权利要求4所述的外齿，其中，所述轴线与所述两短边相互平行。
6.根据权利要求1所述的外齿，其中，所述外齿可沿内齿槽的轴线向一侧偏转0.5～3°。
7.一种鼓形齿联轴器，其特征在于，包含权利要求1至6任一项的鼓形齿联轴器外齿。
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