CN112128260B - 一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，包括中间管，所述中间管的一端设置有第一连接盘，另一端设置有第二连接盘；连接齿轮箱的第一连接板，所述第一连接板通过若干膜片组件连接所述第一连接盘；以及连接发电机的第二连接板，所述第二连接板通过若干膜片组件连接所述第二连接盘。本发明同时具有轴向、径向和角向的位移补偿能力，以补偿齿轮箱端输出轴和发电机端输入轴之间的轴向、径向和角向的不对中引起的位移。

Description

一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器

技术领域

本发明涉及一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，属机械传动组件领域。

背景技术

在机械系统中，不同的机械传动设备需要一定部件进行联接，从而将运动和转矩向后传递。联轴器在机械系统中具有较好位移补偿性能和减振降噪的能力，因此常常被用于车辆、船舶、起重、化工、物流等行业中机械传动设备的联接。在轨道交通领域，对轨道车辆传动系统要求极高，传动空间尺寸有着严格的限制，作为传动系统的关键部件，要求机车联轴器能够改善和优化轴向振动频率、减少振动的幅值，对轴向空间进行位移补偿和降低噪音。轨道车辆目前广泛采用传统联轴器-鼓形齿联轴器，该种联轴器虽然能在一定程度上满足轨道车辆的使用要求，但是从长期使用过程中，鼓形齿联轴器容易出现漏油、电腐蚀，维护费用昂贵(需经常添加润滑油和润滑脂，拆卸不方便)等缺点，此外，鼓形齿联轴器由于不存在弹性元件，也不能有效衰减电机的峰值扭矩，影响电机、齿轮箱使用寿命。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，连接双馈风电机组的齿轮箱端和发电机端，该膜片联轴器可以传递扭矩，同时具有轴向、径向和角向的位移补偿能力，以补偿齿轮箱端输出轴和发电机端输入轴之间的轴向、径向和角向的不对中引起的位移。

本发明提出了一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，包括：

中间管，所述中间管的一端设置有第一连接盘，另一端设置有第二连接盘；

连接齿轮箱的第一连接板，所述第一连接板通过若干膜片组件连接所述第一连接盘；以及

连接发电机的第二连接板，所述第二连接板通过若干膜片组件连接所述第二连接盘。

本发明的进一步改进在于，所述第一连接板为长条形的结构，其两侧为相互平行的侧边，两端为弧形的端边；所述第一连接板上靠近边缘的位置设置有若干连接板孔，所述连接板孔上设置有连接所述膜片组件的第一连接件；所述第二连接板与所述第一连接板的结构相同。

本发明的进一步改进在于，所述第一连接盘为长条形结构，其两侧为相互平行的侧边，两端为弧形的端边；所述第一连接盘上设置有若干连接盘孔，所述连接盘孔上设置有连接所述膜片组件的第二连接件；所述第二连接盘与所述第一连接盘的结构相同。

本发明的进一步改进在于，所述连接板孔包括设置在一端两侧的第一连接板孔和第二连接板孔，以及设置在另一端两侧的第三连接板孔和第四连接板孔；

所述连接盘孔包括设置在一端的两侧的第一连接盘孔和第二连接盘孔，以及设置在另一端的两侧的第三连接盘孔和第四连接盘孔。

本发明的进一步改进在于，所述第一连接板的长度方向与所述第一连接盘的长度方向相互垂直，所述第一连接板的第一连接件与所述第一连接盘的第二连接件处于同一圆周上；

所述第二连接板的长度方向和所述第二连接盘的长度方向相互垂直；所述第二连接板的第一连接件与所述第二连接盘的第二连接件处于同一圆周上。

本发明的进一步改进在于，所述第一连接板孔通过一个所述膜片组件连接所述第二连接盘孔，所述第二连接板孔通过一个所述膜片组件连接所述第三连接盘孔，所述第三连接板孔通过一个所述膜片组件连接所述第四连接盘孔，所述第四连接板孔通过一个所述膜片组件连接所述第一连接盘孔。

本发明的进一步改进在于，所述第一连接件包括第一六角螺栓，所述第一六角螺栓穿过所述连接板孔并通过第一六角螺母固定，所述膜片组件套接在所述第一六角螺栓上；所述第一六角螺栓上设置有第一垫块。

本发明的进一步改进在于，所述第二连接件包括第二六角螺栓，所述第二六角螺栓穿过所述连接盘孔并通过第二六角螺母固定，所述膜片组件套接在所述第二六角螺栓上；所述第二六角螺栓上设置有第二垫块。

本发明的进一步改进在于，所述中间管的长度根据所述齿轮箱和所述发电机的距离确定。

本发明的进一步改进在于，膜片组件所受到的拉、压应力W满足：

其中，R为膜片组件的分布半径，T为所述膜片组件所受到的扭矩；

同时，所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器的轴向刚度Q满足：

其中，E为杨氏模量，I为截面惯性矩，R为膜片组件的分布半径，r为膜片的头部处半径。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种联轴器，其结构空间紧凑，可靠性高、重量轻、免维护，并且能够改善和优化轴向的振动频率、减小振动的幅值、位移补偿。

本法的一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，该装置位于齿轮箱和发电机之间，主要作用是传递扭矩，同时具有轴向、径向和角向的位移补偿能力，可以利用非常有限的径向空间，对该装置的膜片组进行布局，从而设计出具有超低的轴向刚度的连接装置，尽量减少该装置产生轴向位移时对齿轮箱端和发电机端轴承的反力，延长轴承的使用寿命。同时，可以利用非常有限的径向空间对膜片组与膜片组之间的夹角进行精细设计，以保证膜片组在高速运动并传递扭矩的过程中，膜片组具有相对较小的综合应力，从而延长膜片组的使用寿命。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的联轴器的结构示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的第二连接板与膜片组件连接示意图；

图3所示为本发明的一个实施例的第一连接板的结构示意图；

图4所示为本发明的一个实施例的联轴器的受力示意图

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、第一连接盘，2、第二连接盘，3、第一连接板，4、第二连接板，5、膜片组件，6、连接管，11、第一连接盘孔，12、第二连接盘孔，13、第三连接盘孔，14、第四连接盘孔，21、第二连接件，22、第二六角螺栓，23、第二六角螺母，24、第二垫块，31、第一连接板孔，32、第二连接板孔，33、第三连接板孔，34、第四连接板孔，41、第一连接件，42、第一六角螺栓，43、第一六角螺母，44、第一垫块。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，包括中间管6，中间管6为圆筒形或圆柱形的结构，其长度可以根据连接的齿轮箱和发电机的距离确定。所述中间管6的一端设置有第一连接盘1，另一端设置有第二连接盘2。本实施例所述联轴器还包括第一连接板3和第二连接板4，第一连接板3和第二连接板4分别设置在中间管6的两侧。第一连接板3一侧面连接齿轮箱，另一侧面连接所述第一连接盘1。第二连接板4的一侧面连接发电机，另一侧面连接所述第二连接盘2。其中，第一连接板3和第一连接盘1之间通过若干膜片组件5相连，第二连接板4和第二连接盘2之间也通过若干膜片组件5相连。

在使用根据本实施例所述的有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器时，齿轮箱将扭矩传递到第一连接板3，第一连接板3通过膜片组件5传递到第一连接盘1；第一连接盘1、中间管6和第二连接盘2连接成一个整体，第二连接盘2通过膜片组件5将扭矩传递到第二连接板4，再通过第二连接板4传递到发电机。

在一个实施例中，所述第一连接板3为长条形的结构，其两侧为相互平行的侧边，两端为弧形的端边。第一连接板3的中心设置有圆孔，两个弧边所在圆与中间圆孔同心。所述第一连接板3上靠近边缘的位置设置有若干连接板孔，所述连接板孔上设置有连接所述膜片组件5的第一连接件41。

所述第二连接板4与所述第一连接板3的结构相同，同样为长条形的结构，并包括两个侧板和两个端边。第二连接板4上靠近边缘的位置同样设置若干连接板孔，连接板孔上设置有连接膜片组件5的第一连接件41。

在一个实施例中，所述第一连接盘1为长条形结构，其两侧为相互平行的侧边，两端为弧形的端边。所述第一连接盘1上设置有若干连接盘孔，所述连接盘孔上设置有连接所述膜片组件5的第二连接件21。

所述第二连接盘2与所述第一连接盘1的结构相同，其同样为长条形的结构，两侧为相互平行的侧边，两端为弧形的端边。所述第二连接盘2上设置有若干连接盘孔，所述连接盘孔上设置有连接所述膜片组件5的第二连接件21。

在根据本实施例所述的有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器中，第一连接板3、第二连接板4与第一连接盘1、第二连接盘2的结构相似，宽度可以相同也可以不同。连接板和连接盘设置成长条形的结构，边缘设置弧形的端边，旋转时形成圆形并保持稳定旋转。两侧的侧边减少了占用的空间和材料。

在一个实施例中，一个连接板上的所述连接板孔包括设置在一端两侧的第一连接板孔31和第二连接板孔32，以及设置在另一端两侧的第三连接板孔33和第四连接板孔34。即，第一连接板3上设置第一连接板孔31、第二连接板孔32、第三连接板孔33和第四连接板孔34；第二连接板4同样设置第一连接板孔31、第二连接板孔32、第三连接板孔33和第三连接板孔33。

本实施例中，一个连接盘上的所述连接盘孔包括设置在一端的两侧的第一连接盘孔11和第二连接盘孔12，以及设置在另一端的两侧的第三连接盘孔13和第四连接盘孔14。同样，第一连接盘1上设置第一连接盘孔11、第二连接盘孔12、第三连接盘孔13和第四连接盘孔14。

在一个实施例中，所述第一连接板3的长度方向与所述第一连接盘1的长度方向相互垂直，所述第一连接板3的第一连接件41与所述第一连接盘1的第二连接件21处于同一圆周上。所述第二连接板4的长度方向和所述第二连接盘2的长度方向相互垂直；所述第二连接板4的第一连接件41与所述第二连接板4的第二连接盘2处于同一圆周上。

在一个优选的实施例中，所述第一连接板孔31通过一个所述膜片组件5连接所述第二连接盘孔12，所述第二连接板孔32通过一个所述膜片组件5连接所述第三连接盘孔13，所述第三连接板孔33通过一个所述膜片组件5连接所述第四连接盘孔14，所述第四连接板孔34通过一个所述膜片组件5连接所述第一连接盘孔11。

在根据本实施例所述的有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器中，连接板孔和连接盘孔分别通过四组膜片组件5相连。相连的连接板孔和连接盘孔处于远离对方的一侧边相对的位置。

在一个实施例中，所述第一连接件41包括第一六角螺栓42，所述第一六角螺栓42穿过所述连接板孔并通过第一六角螺母43固定，所述膜片组件5套接在所述第一六角螺栓42上。

在本实施例中，所述第二连接件21包括第二六角螺栓22，所述第二六角螺栓22穿过所述连接盘孔并通过第二六角螺母23固定，所述膜片组件5套接在所述第二六角螺栓22上。

其中，所述第一六角螺栓42的螺栓头设置在连接板上朝向连接盘的一侧，第一六角螺母43设置在另一侧；第二六角螺栓22的螺栓头设置在连接盘上朝向连接板的一侧，第二六角螺母23设置在另一侧。

在一个实施例中，所述第一六角螺栓42上设置有第一垫块44，第一垫块44设置在第一六角螺栓42头与连接板之间，从而调节膜片组件5到连接板的距离。所述第二六角螺母23上设置有第二垫块24，第二垫块24设置在第二六角螺栓22头和连接盘之间，从而调节膜片组件5到连接盘的距离。

在一个实施例中，所述中间管6的长度根据所述齿轮箱和所述发电机的距离确定。

在一个优选的实施例中，如图4所示，膜片组件5所受到的拉、压应力W满足：

其中，R为膜片组件5的分布半径，T为所述膜片组件5所受到的扭矩；

同时，所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器的轴向刚度Q满足：

其中，E为杨氏模量，I为截面惯性矩，R为膜片组件的分布半径，r为膜片的头部处半径。

在现有技术中，常用的金属膜片式联轴器的膜片组主要包含：膜片、螺栓、垫片、螺母等，该联轴器采用的是单边四膜片组，膜片组采用正方形的布局方案，膜片组中相邻的膜片组根据传递力矩的方向关系，一组沿着膜片组的安装孔连线方向受拉力，一组沿着膜片组的安装孔连线方向受压力，与受拉力膜片组对面的一组也是受拉力，与受压力膜片组对面的一组是受压力。不同膜片组在传递扭矩时，受的压力和拉力在数值上是相等的，受力方向是相反的。该力F的大小为：

其中，T为扭矩，单位为N.m；R为膜片组的分布半径，单位为mm；F的单位为N。

同时，起连接作用的螺栓一段受正向剪切力，一段受负向剪切力，受力状况很复杂。在同样的空间条件下，该膜片联轴器的轴向刚度k近似为：

其中：E为杨氏模量，单位为MPa；I为截面惯性矩，单位mm^4；R为膜片组的分布半径，单位为mm；r为膜片的头部处半径，单位(mm)，k单位(N/mm)。

联轴器轴向补偿amm时，轴向力为P:

P＝ka (3)

根据上面的关系式(1)，当传递的扭矩增加时，如果不增加膜片组的分布半径，那么膜片组的应力也将增加。根据上面的关系式(2)和(3)，在同样的空间条件下，联轴器在轴向补偿a mm时，联轴器的轴向力就是一个定值P。这个轴向力最终会传递到齿轮箱端和发电机端的轴承上，影响轴承的使用寿命。

而本实施例中，在膜片组同样的分布半径R的情况下，受同样的扭矩T的情况下，对膜片组由原来的4点布局方案，改为8点布局方案，这时膜片组的拉、压应力W的大小计算如下：

可见，本实施例中8点布局的方案的膜片组的拉、压应力为4点布局应力的0.227倍。8点布局的方案有8个点来承担传递扭矩，有效降低了膜片组拉、压应力。

在膜片组受同样的分布半径R下，该膜片联轴器的轴向刚度Q近似为：

联轴器轴向力为M，将上式带入M＝Qa；得到M＝0.089P。

在此时取r＝R/8，所以此时8点布局方案的轴向力仅为4点布局方案轴向力的0.089倍。通过对比计算可知，膜片组的轴向力与膜片组的有效长度的立方成反比，因此膜片组的有效长度越长联轴器的轴向力越低，因此本发明有效降低了联轴器的轴向力，从而降低了对齿轮箱端和发电机端的轴承的作用力。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，其特征在于，包括：

中间管(6)，所述中间管(6)的一端设置有第一连接盘(1)，另一端设置有第二连接盘(2)；

连接齿轮箱的第一连接板(3)，所述第一连接板(3)通过若干膜片组件(5)连接所述第一连接盘(1)；以及

连接发电机的第二连接板(4)，所述第二连接板(4)通过若干膜片组件(5)连接所述第二连接盘(2)；

所述第一连接板(3)上靠近边缘的位置设置有若干连接板孔，所述连接板孔上设置有连接所述膜片组件(5)的第一连接件(41)；所述第二连接板(4)与所述第一连接板(3)的结构相同；所述第一连接盘(1)上设置有若干连接盘孔，所述连接盘孔上设置有连接所述膜片组件(5)的第二连接件(21)；所述第二连接盘(2)与所述第一连接盘(1)的结构相同；

所述连接板孔包括设置在一端两侧的第一连接板孔(31)和第二连接板孔(32)，以及设置在另一端两侧的第三连接板孔(33)和第四连接板孔(34)；

所述连接盘孔包括设置在一端的两侧的第一连接盘孔(11)和第二连接盘孔(12)，以及设置在另一端的两侧的第三连接盘孔(13)和第四连接盘孔(14)；

所述第一连接板(3)的长度方向与所述第一连接盘(1)的长度方向相互垂直，所述第一连接板(3)的第一连接件(41)与所述第一连接盘(1)的第二连接件(21)处于同一圆周上；

所述第二连接板(4)的长度方向和所述第二连接盘(2)的长度方向相互垂直；所述第二连接板(4)的第一连接件(41)与所述第二连接盘(2)的第二连接件(21)处于同一圆周上；

膜片组件(5)所受到的拉、压应力W满足：

其中，R为膜片组件(5)的分布半径，T为所述膜片组件(5)所受到的扭矩；

同时，所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器的轴向刚度Q满足：

其中，E为杨氏模量，I为截面惯性矩，R为膜片组件(5)的分布半径，r为膜片的头部处半径。

2.根据权利要求1所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，其特征在于，所述第一连接板(3)为长条形的结构，其两侧为相互平行的侧边，两端为弧形的端边。

3.根据权利要求2所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，其特征在于，所述第一连接盘(1)为长条形结构，其两侧为相互平行的侧边，两端为弧形的端边。

4.根据权利要求3所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，其特征在于，所述第一连接板孔(31)通过一个所述膜片组件(5)连接所述第二连接盘孔(12)，所述第二连接板孔(32)通过一个所述膜片组件(5)连接所述第三连接盘孔(13)，所述第三连接板孔(33)通过一个所述膜片组件(5)连接所述第四连接盘孔(14)，所述第四连接板孔(34)通过一个所述膜片组件(5)连接所述第一连接盘孔(11)。

5.根据权利要求4所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，其特征在于，所述第一连接件(41)包括第一六角螺栓(42)，所述第一六角螺栓(42)穿过所述连接板孔并通过第一六角螺母(43)固定，所述膜片组件(5)套接在所述第一六角螺栓(42)上；所述第一六角螺栓(42)上设置有第一垫块(44)。

6.根据权利要求5所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，其特征在于，所述第二连接件(21)包括第二六角螺栓(22)，所述第二六角螺栓(22)穿过所述连接盘孔并通过第二六角螺母(23)固定，所述膜片组件(5)套接在所述第二六角螺栓(22)上；所述第二六角螺栓(22)上设置有第二垫块(24)。

7.根据权利要求6所述有限空间下超低轴向刚度膜片联轴器，其特征在于，所述中间管(6)的长度根据所述齿轮箱和所述发电机的距离确定。

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