[发明专利]一种凹凸齿线联轴器的设计方法

说明书

本发明公开一种凹凸齿线联轴器的设计方法，包括：齿条刀具的法截面中心沿着三段抛物线做变位曲线运动，形成假想产形齿条，并推导出中凸外齿的齿面方程；内齿采用标准渐开线插齿刀或碟形砂轮加工，刀具在沿着轴向进给的同时，附加一个径向运动，通过控制径向进给量实现内齿的中凹加工，推导出中凹内齿的齿面方程。建立考虑轴交角安装误差的轮齿边缘接触分析模型和有限元分析模型，分别比较鼓形齿联轴器和凹凸齿线联轴器的最大轴交角、最大齿根弯曲应力和最大齿面接触应力。该设计方法保证凹凸齿线联轴器具有较小的齿面接触应力和齿根弯曲应力，提高轮齿强度；同时能够增大轴交角，改善凹凸齿线联轴器的误差敏感性。

技术领域

本发明属于齿轮传动技术领域，特别涉及一种凹凸齿线联轴器的设计方法。

背景技术

鼓形齿联轴器是机械动力装置中不可或缺的核心基础件，由齿形中鼓的外齿和相同齿数的内齿组成，具有结构紧凑、承载能力大、传递扭矩范围广、传动效率高和装拆方便等优点，能够补偿两轴间径向、轴向、角度及其综合位移，在船舶、冶金、航空、轨道交通等领域得到广泛的应用。我国从上世纪60年代中期才开始对鼓形齿联轴器进行系统研究，受诸多技术条件限制，研究成果虽然显著，但与世界先进水平相比还有较大差距，在许多高精尖装备中仍然需要依靠国外进口。目前，中国正由制造大国迈向制造强国，因此研究高精度、大扭矩、高可靠性的鼓形齿联轴器势在必行。

鼓形齿联轴器是在不断变化的角度联接下工作，齿面接触状态非常复杂，对于联轴器上的整圈齿，每个齿对的接触状态都不相同，每个齿对都在不同的相对摆动和翻转状态下啮合，共同承担并传递扭矩，因此适应这种啮合状态的齿形设计相当复杂，而分析多种不同啮合状态的方法则更为困难。鼓形齿联轴器在很大的扭矩下工作，由于外齿中鼓要求仅部分齿面承受载荷，不仅接触强度和弯曲强度需要考虑，由于每对齿的接触状态不同，齿面间存在相对滑动速度，其磨损更是需要关注的失效形式。现有鼓形齿联轴器存在啮合质量对安装误差较为敏感，以及在安装误差条件下齿面接触应力和齿根弯曲应力增大的问题。

高素荷在文献“用MSC.MARC实现大转矩三段弧鼓形齿联轴器应力分析研究.中国重型装备，2005，(1)：182-184”中，设计了三段弧鼓形齿联轴器，并进行了应力分布及接触状态分析，得出了这种鼓形齿联轴器可增大外齿轴套与内齿圈接触面积，有效减小其接触应力。袁伟谨在文献“三段弧鼓形齿式联轴器的研究和设计，矿山机械，2003(12)：79-81”中，分析了三段圆弧鼓形齿联轴器既能保证联轴器有较高的承载能力，又能保证有较大轴交角，通过外齿齿面设计为三段弧，中间弧段鼓度小，两端弧度鼓度大，减小了接触应力，并满足轴交角的要求。赵世银文献“鼓形齿联轴器鼓度曲线选型优化比较分析.机械传动，2017(10)：86-91”中，建立了圆弧曲线、椭圆曲线、双曲线和三段圆弧曲线，分别计算最小间隙、接触点位置、允许最大轴交角和重合度，结果表明：三段圆弧曲线可允许轴交角最大且对应接触点轴向位移量最小。轴交角大于1.3°时，中间位置曲率半径相同时，三段圆弧对应的齿面法向最小间隙曲线明显更平缓，啮合重合度更高。甚至有些学者设想将内齿设计为中凸齿形，理论上凸-凸啮合的鼓形齿联轴器能够增大轴交角的变化范围，但接触区面积减小，齿面接触应力必然大大提高，显然是不合理的。发明人将弧齿锥齿轮和圆弧齿线圆柱齿轮等凹凸齿线点接触的设计方法引入到鼓形齿联轴器中，通过凹凸齿线啮合提高齿面接触强度和齿根弯曲强度，进一步探索其在改善误差敏感性的作用机理。

发明内容

为了改善鼓形齿联轴器对安装误差的敏感性，提高齿面接触应力和齿根弯曲应力，本发明提出了一种凹凸齿线联轴器的设计方法，内外齿采用三段抛物变位曲线，以获得凹凸齿线接触，中部变位量较小，保证齿面具有较大的接触应力，两侧的变位量较大，以增大轴交角，改善误差敏感性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种凹凸齿线联轴器的设计方法，包括以下步骤：

步骤S100：给定外齿左侧、中部和右侧的变位长度和变位量，采用三段抛物线曲线进行径向变位设计；