CN201373035Y

CN201373035Y - 微陷圆弧齿面滚珠联轴器

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Publication number: CN201373035Y
Application number: CN200820211109U
Authority: CN
Inventors: 邓浪高
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2018-12-26

Abstract

微陷圆弧齿面滚珠联轴器，由外齿经滚珠与内齿啮合组成有对应夹角β₁、对应夹角β₂和对应夹角α的传力副，对应夹角β₁和对应夹角β₂齿面的两端各有一段半径为R+Δ圆弧，对应夹角α的外齿和内齿滚道齿面均为微陷圆弧齿面，该微陷圆弧齿面半径为R圆弧，此R圆弧是在半径为R+Δ的圆弧上“微陷”形成，微陷量为H。它采用使对应夹角α的滚道齿面设为微陷圆弧齿面的技术方案，它既克服了“普通”结构滚珠联轴器在负荷增大时滚道齿面易形成较明显压痕且会导致关节灵活性受限的缺陷，又克服了“反微”结构滚珠联轴器的齿尖部受力时容易受损且空心齿、空心滚珠的制造难度增大的缺陷。它适合重载荷、冲击力大以及要求有较大折角的双向传递运动的场合。

Description

微陷圆弧齿面滚珠联轴器

技术领域

本实现新型涉及一种滚珠联轴器，尤其涉及一种微陷圆弧齿面滚珠联轴器。

背景技术

现有的滚珠万向联轴器在用于大负载，有冲击的传动中，均存在使用寿命较短的缺陷，为了克服该缺陷，人们都在其传动啮合齿面进行了探索与研究。

(A)专利号为ZL 03227574.9的实用新型专利“抗冲击反微差曲率半径滚珠联轴器”(以下简称“反微”结构，参见图10)，其结构的主要特点是：①采用空心滚珠；②外齿和内齿均采用空心齿(在齿的根部做成空腔)；③滚道齿面圆弧半径小于空心滚珠外径。

(B)在上述实用新型专利ZL 03227574.9之前，有专利号为ZL99233444.6的“一种滚珠联轴器”的实用新型专利，该“一种滚珠联轴器”为普通圆弧齿面滚珠联轴器(以下简称“普通”结构，参见图8、图9)，其结构的主要特点是：①采用普通半径为R的普通滚珠；②外齿和内齿均采用圆弧半径为R+Δ普通圆弧齿面；③滚道齿面圆弧半径大于滚珠半径。

上述专利号为“ZL99233444.6”的“普通”结构分析：如图4所示，其“普通”圆弧齿面滚道与滚珠在受力(超过额定值)时会在齿面上形成椭圆形接触面(接触面积S₀)和面积为S_b的压痕，因为滚珠表面硬度比滚道表面硬度大(洛氏硬度约3度)，所以在超负荷时滚道会产生塑性变形，甚至会在滚道端部和齿尖部产生滚道压溃区。

另外，因滚珠硬度大于齿面硬度，在负荷增大时滚道齿面易形成较明显的压痕，而使联轴器关节的灵活性受到限制。在有折角的情况下，联轴器每转动一周，其滚珠会沿滚道轴线来回窜动一次，由于滚道面上的压痕较深而滚珠无法相应窜动(即滚珠卡在滚道面压痕内)，使滚珠与滚道面产生非常大的压应力(此压应力绝大部分是由附加的变形形成的，而正常的传递转矩形成的压应力只占一小部分)，继而滚道面压痕就会越来越深，接下来就是滚道失效、挡齿断裂和关节失效。

上述专利号为“ZL03227574.9”的“反微”结构分析：如图10，“反微”结构的外齿和内齿的齿体均为空心齿，其滚珠也为空心滚珠。而“反微”结构的另一重要特点是滚道面圆弧半径小于空心滚珠外径。“反微”结构的受力特点是：①空心滚珠和空心齿理解为弹性体(空心结构的目的是取得滚珠和齿的较大弹性)，较大的弹性变形使接触面积增大，因而接触应力较小；②圆弧两端点与滚珠先接触而开始受力，然后滚珠和齿产生弹性变形，而由两点受力变为齿面圆弧与滚珠接触吻合。“反微”结构的缺点是：①制造难度大，一般工艺措施是做不出来的(尤其是空心滚珠的制造)；②从图10中可以看出，齿顶尖部先受力，导致齿顶的齿尖部首先被压溃，要想齿顶的齿尖部在先受到超负荷时不被压溃，需严格控制好空心滚珠和空心齿的弹性变形力(即齿顶尖部象一弹簧)，显然这是非常难的，即便设计时能算得准确，也不能保证加工时能实现，所以，要达到制造出标准的空心滚珠和标准的空心弹性齿就较难。

综上所述，要想在额定负荷下滚道不失效，就必须保证在额定负荷下滚道面压应力不超过其许用应力、避免形成塑性变形的压痕。

发明内容

针对上述情况，本实现新型的目的在于提供一种微陷圆弧齿面滚珠联轴器，它既能显著提高滚珠联轴器的承载能力和抗冲击能力，还能保证滚珠联轴器传动关节的灵活性能，且结构简单，易于制造，成本低，适宜普及推广。

本实现新型的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，它由外齿经滚珠与内齿啮合组成有对应夹角β₁、对应夹角β₂和对应夹角α的传力副，该传力副的侧间隙为2H+2Δ，对应夹角β₁和对应夹角β₂所分别对应的齿面圆弧半径是R+Δ圆弧，对应夹角α所对应的齿面圆弧半径是R圆弧，该R圆弧为外齿和内齿滚道齿面的微陷圆弧齿面，它们与滚珠吻合，此R圆弧是在半径为R+Δ圆弧上“微陷”而成，微陷量为H。

根据本实现新型的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其R+Δ圆弧为外齿和内齿滚道齿面的齿侧顶部圆弧与齿侧根部圆弧，R圆弧为外齿和内齿滚道齿面的齿侧中部圆弧。

其外齿和内齿滚道齿面的齿侧中部圆弧为微陷区，此微陷区的端部各光滑连接一非微陷区。

其微陷区为有效承载区。

其非微陷区为非有效承载区。

其对应夹角α为90°～110°。

其对应夹角β₁为5°～10°。

其对应夹角β₂为10°～15°。

其滚珠半径为R。

本实现新型采用由外齿经滚珠与内齿啮合组成有对应夹角β₁、对应夹角β₂和对应夹角α的传力副，对应夹角β₁和对应夹角β₂齿面的两端各有一段半径为R+Δ圆弧，对应夹角α的外齿和内齿滚道齿面均为微陷圆弧齿面，该微陷圆弧齿面半径为R圆弧，此R圆弧是在半径为R+Δ的圆弧上“微陷”形成，微陷量为H的技术方案，它既克服了现有“普通”结构滚珠联轴器在负荷增大时滚道齿面易形成较明显压痕而且会导致关节灵活性受限的缺陷，又克服了“反微”结构滚珠联轴器的齿尖部受力时容易受损且空心齿、空心滚珠的制造难度增大的缺陷。

本实现新型相比现有技术所产生的有益效果：

(I)微陷圆弧齿面滚珠联轴器在负荷增大时滚道齿面不易形成较明显压痕，关节灵活性好，显著提高了联轴器的承载能力、抗冲击能力、运行稳定性好，运行效率高，延长了使用寿命。

(II)结构简单、紧凑，制作工艺难度小，生产成本低，便于普及、推广，市场前景十分广阔，商业潜力较大。

本实现新型适合重载荷、冲击力大以及要求有较大折角的双向传递运动的场合，如应用于冶金行业的板带轧机上的轧棍接轴。

下面结合附图和实施例对本实现新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本实现新型微陷圆弧齿面滚珠联轴器中外齿、滚珠、内齿的单齿啮合结构示意图。

图2为本实现新型内齿单齿齿面的轴向示意图。

图3为本实现新型微陷圆弧齿面滚珠联轴器在工作时的一对受力齿受力侧的啮合示意图。

图4为“普通”结构中滚道齿面传力试验的压痕示意图。

图5为“微陷”结构中滚道齿面传力试验的压痕示意图。

图6为“微陷”结构中滚珠受力分布的示意图。

图7为“普通”结构中滚珠受力分布的示意图。

图8为“普通”结构中外齿、滚珠、内齿的单齿啮合结构示意图。

图9为“普通”结构中外齿、滚珠、内齿在受力时，单齿受力侧的啮合及压溃区位置的示意图。

图10为“抗冲击反微差曲率半径滚珠联轴器”单齿啮合结构示意图。

图11为本实现新型微陷圆弧齿面滚珠联轴器的结构示意图。

图中：1、外齿，2、滚珠，3、内齿，4、微陷区，5、非微陷区，6、接触面(S₀)，7、塑性变形压痕(S_a)，8、塑性变形压痕(Sb)，9、压溃区。

具体实施方式

参见附图1～11，微陷圆弧齿面滚珠联轴器由外齿1经滚珠2与内齿3啮合组成有5°～10°的对应夹角β₁、10°～15°的对应夹角β₂和90°～110°的对应夹角α的传力副，该传力副的侧间隙为2H+2Δ，滚珠2半径为R，对应夹角β₁和对应夹角β₂所分别对应的滚道齿面圆弧的两端各有一段半径为R+Δ圆弧，对应夹角α的外齿1和内齿3滚道齿面均为微陷圆弧齿面，该微陷圆弧齿面半径为R圆弧，它们与滚珠2吻合，此R圆弧是在半径为R+Δ圆弧上“微陷”而成，微陷量为H。

参见附图，外齿1和内齿3滚道齿面的齿侧中部圆弧为“微陷区”，如图2中带阴影线(竖点划线)、宽度为L_W的区域就是微陷圆弧齿面的“微陷区”，“微陷区”相当于用一个半径为R、轴向长度为L_W的圆柱体在一个半径为R+Δ、轴向长度为L的圆弧齿面挤压而形成的，其压下量即为微陷量H，称微陷区4，微陷区4是微陷圆弧齿面滚珠联轴器的有效承载区，微陷区4的端部各光滑连接一宽度为B_W的区域就是圆弧齿面的“非微陷区”，称非微陷区5，非微陷区5是微陷圆弧齿面滚珠联轴器的非有效承载区。由此，微陷圆弧齿面滚珠联轴器的外齿1和内齿3滚道齿面的微陷圆弧齿面与滚珠2相配合的侧间隙为2H+2Δ，它与传力副的侧间隙2H+2Δ吻合，该侧间隙是保证其滚珠联轴器灵活运转的必要条件。

由附图3、4、5所示，当微陷圆弧齿面与滚珠2在圆周上紧密贴合时形成的微陷圆弧滚道齿面(接触吻合见图3)受力时，此时的滚珠联轴器结构受力逐渐增大(超过额定值)时，滚珠2和滚道产生塑性变形，形成较大的椭圆形接触面(如图5中的(S₀))，椭圆形接触面的面积为接触面(S₀)6，并形成面积为(S_a)的塑性变形压痕(S_a)7；而普通圆弧齿面滚珠联轴器的圆柱圆弧滚道齿面与滚珠2在圆周上紧密贴合时也会形成椭圆形接触面(如图4中的(S₀))，该椭圆形接触面的面积为接触面(S₀)6，并形成面积为(S_b)的塑性变形压痕(Sb)8。

由附图4、5所示，结合实验数据表明：接触面(S₀)6的面积比塑性变形压痕(Sb)8的面积稍大，而塑性变形压痕(S_a)7的面积比塑性变形压痕(Sb)8的面积小，塑性变形压痕(S_a)7的面积约为0.3～0.4塑性变形压痕(Sb)8的面积，这说明在超负荷时，“微陷”结构的滚道齿面损伤要比“普通”结构小得多。因为滚珠2表面硬度比滚道表面硬度大(洛氏硬度约3～5度)，所以在超负荷时，滚道会产生塑性变形，甚至会在滚道齿面的齿侧端部产生滚道压溃。而“微陷”结构的微陷圆弧滚道齿面的长度(Lw)小于“普通”结构的普通圆柱圆弧滚道齿面的长度(L)，使得滚珠2不能接近滚道端部及滚道齿顶，从而保证滚道端部和齿尖部不会被压溃而形成压溃区9。

比较图6(“微陷”结构)和图7(“普通”结构)，“微陷”结构中的滚珠2受力分布变化平缓且受力分布域较广，而“普通”结构中的滚珠2受力分布变化较急且受力分布域较窄。显然“普通”结构中的滚道齿面在转矩尚未达到额定值时就会出现凹陷(滚珠2压痕)，而且随着工作转矩的增大凹陷压痕会加深。凹陷压痕加深后滚珠2就被限制了沿滚道轴线的自由度(而本结构的万向联轴器在有折角的传动时，其滚珠2必须随着转动进行沿滚道轴线方向进行周期性的位置调整以满足本结构的空间不受干涉的要求)，即滚珠2被卡在凹陷压痕内，滚珠2与滚道产生内应力，造成滚珠2与滚道的接触应力急剧增大。在这种情况下，联轴器关节会很快失效(主要是滚道被压溃、挡齿被挤压折断和滚珠2被压碎)。

本实现新型微陷圆弧齿面滚珠联轴器采用以下工艺制造：

①采用标准滚珠2并达到：其材料为GCr15，表面淬火硬度为HRC60～65，半径为R；

②先将联轴器的内齿3、外齿1的齿面加工为普通圆弧齿面，该圆弧齿面对应夹角为(α+β₁+β₂)110°～135°，其半径为R+Δ；再在普通圆弧齿面上加上一段半径为R的“微陷”圆弧，微陷圆弧陷入深度为H，微陷圆弧对应夹角α为80°～110°，该段半径为R的微陷圆弧要求与滚珠2圆弧十分贴合(如图1)。

③“微陷”结构中半径为R的微陷圆弧齿面轴向长度(L_W)小于半径为R+Δ的圆柱圆弧齿面轴向长度(L)(如图2)。

本实现新型微陷圆弧齿面滚珠联轴器的受力特征：

微陷圆弧齿面滚珠联轴器传递扭矩时，因滚珠2与齿面十分吻合，故能形成较大的椭圆形接触面即弹性变形接触面(S₀)6，使得表面压应力较小，从而提高了承载能力。

Claims

1、微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其特征在于它由外齿(1)经滚珠(2)与内齿(3)啮合组成有对应夹角β₁、对应夹角β₂和对应夹角α的传力副，该传力副的侧间隙为2H+2Δ，对应夹角β₁和对应夹角β₂所分别对应的齿面圆弧半径是R+Δ圆弧，对应夹角α所对应的齿面圆弧半径是R圆弧，该R圆弧为外齿(1)和内齿(3)滚道齿面的微陷圆弧齿面，它们与滚珠(2)吻合，此R圆弧是在半径为R+Δ圆弧上微陷而成，微陷量为H。

2、根据权利要求1所述的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其特征在于R+Δ圆弧为外齿(1)和内齿(3)滚道齿面的齿侧顶部圆弧与齿侧根部圆弧，R圆弧为外齿(1)和内齿(3)滚道齿面的齿侧中部圆弧。

3、根据权利要求1所述的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其特征在于外齿(1)和内齿(3)滚道齿面的齿侧中部圆弧为微陷区(4)，此微陷区(4)的端部各光滑连接一非微陷区(5)。

4、根据权利要求1所述的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其特征在于对应夹角α为90°～110°。

5、根据权利要求1所述的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其特征在于对应夹角β₁为5°～10°。

6、根据权利要求1所述的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其特征在于对应夹角β₂为10°～15°。

7、根据权利要求1所述的微陷圆弧齿面滚珠联轴器，其特征在于滚珠(2)半径为R。