一种新型的扇形块弹簧联轴器

赵英杰，葛卫国

ZHAO Ying-jie, GE Wei-guo

（重庆三峡学院 机械工程学院，重庆 404100）

0 引言

联轴器是机械产品轴系传动系统常用的连接和传动装置，其功能是连接两轴共同回转以传递扭矩和运动、补偿所连两轴相对位移和改善系统传递动力学特性，广泛应用于冶金、矿山、农机、轻纺和交通运输等各部门。近年来，我国联轴器产品的技术和水平发展迅速，已有数十种联轴器标准化、系列化，专业化生产亦初具规模。随着机械产品种类的日益增多，对联轴器使用性能的要求也在逐步提高。为了满足各种不同工况的需要，要求设计具有各种不同特性的联轴器，以获得预期的使用效果。例如，冲压、剪切和起重等设备，在工作中存在较大的冲击载荷，且频繁启动、停止以及正反转，所用联轴器应有较强的减振和缓冲作用。本文就是根据这一需要，研究扇形块弹簧联轴器的设计原理。

1 扇形块弹簧联轴器基本结构及其特性

1.1 基本结构及其工作原理

扇形块弹簧联轴器主要由以下部分组成：1.半联轴节Ⅰ，2.扇形块，3.圆柱销，4.半联轴器Ⅱ，5.螺旋弹簧等，如图1所示。扇形块与螺旋弹簧的数量均为偶数（一般为6～12个）、并在圆周上间隔相连构成传递转矩的构件，均匀分布在圆周上的扇形块通过圆柱销间隔地分别与半联轴节Ⅰ和半联轴节Ⅱ的凸缘相连，并通过螺栓锁紧，构成了联轴器的整体结构。

图1(a)所示结构，总体轴向尺寸较小，适合回转直径小、两轴间距较小的场合使用。图1(b)所示结构，总体轴向尺寸较大，但更换弹性元件时，方便快捷，不用移动两端的半联轴节就可顺利实现，适合回转直径和两轴端距较大的场合使用。图1(c)所示结构，扇形块弹簧联轴器是通过压于两扇形块之间的螺旋弹簧来传递运动和动力的。当联轴器按图1(a)所示方向传动转矩时，半数螺旋弹簧5①受压、另一半螺旋弹簧5②放松。当联轴器传递的转矩较小时，弹簧5②的预压缩量尚未完全消失，这时弹簧5②与弹簧5①一起传递转矩；当联轴器传递的转矩增大到一定数值时，弹簧5②处于自由状态，这时只有弹簧5①传递转矩。一般情况下，联轴器在工作时，只有一半弹簧受压传递转矩，所以弹性元件的利用率不高，承载能力较低，弹簧的外形尺寸也较大。

图1 扇形块弹簧联轴器结构图

1.2 扇形块弹簧联轴器特性

扇形块弹簧联轴器由于采用螺旋弹簧为弹性元件，是一种带有制动轮的扇形块弹簧联轴器，适合需要紧急制动的场合使用。其特性主要表现在以下四方面：

1）使联轴器在正反两个方向上均为弹性传动，且无扭曲间隙。

2）具有较高的位移补偿能力，其扭转弹性是靠螺旋弹簧的弹性和螺旋弹簧与扇形块侧面的锥度轴之间的间隙来实现的。

3）在实际工作中，螺旋弹簧还有阻止联轴器本身产生的加速度、平衡轴支承中出现的轴向、径向及偏心角等误差的作用，使联轴器运转更加平稳。此外，在高速重载的动力传动中，还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。

4）采用压缩弹簧作为弹性元件，弹性好、两轴相对位移引起的附加载荷小、许用的两轴相对位移量较大，并具备较好的缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。其最大许用偏心位移可达联轴器外径的12%，最大扭转角可达±5°、如有特殊要求可高达±10°，相当于两个普通弹性联轴器串联起来使用。较传统联轴器有很大的优势。

2 扇形块弹簧联轴器结构关键参数优化设计

扇形块弹簧联轴器结构中关键参数主要包括联轴器上的扇形块数、圆柱销的分布圆半径、螺旋弹簧的强度等，这些参数相互关联，存在着一定的关系，本文采用随机搜索法作为优化设计的基本算法，建立优化模型，在不增加联轴器外形尺寸和不降低其承载能力的前提下，以螺旋弹簧强度为主要约束, 以联轴器刚度最小为目标，进行离散变量的优化设计。

2.1 扇形块弹簧联轴器强度分析模型建立

当扇形块弹簧联轴器顺时针运转时，其受力如图2所示。相邻弹簧一个压缩, 一个放松。当放松弹簧的预压缩量未完全消失时, 相邻弹簧之间的作用力关系为：

其中：T为联轴器的计算扭矩，Nmm；

z为联轴器上的扇形块数；

D0为圆柱销的分布圆直径，mm；

F1、F2为弹簧 1、2上的作用力，N；

α为弹簧轴线与圆柱销分布圆切线方向的夹角。

又因弹簧的受力由其结构参数kp和其中：kp为弹簧刚度，为弹簧变形量。且取联轴器扭转角度为φ，所以扇形块弹簧联轴器刚度为：

图2 扇形块弹簧联轴器弹簧受力图

弹簧刚度kp的计算公式如下：

其中：

G为弹性材料的剪切弹性模量；

D为弹簧圈平均直径；

d为簧丝直径；

i 为弹簧圈数，一般取 i = 5 ～ 10。

在不增加联轴器外形尺寸和不降低其承载能力的前提下，以螺旋弹簧强度为主要约束，以联轴器刚度最小为目标，必然有以上几个变量的最优组合，因此，将以上设计参数均作为优化设计变量，并记为：

则优化设计的目标函数：

2.2 联轴器分析模型约束函数建立

2.2.1 螺旋弹簧的强度约束

当联轴器传递的扭矩T取极大值时，螺旋弹簧各圈并紧，弹簧丝内侧的剪切应力也达到最大值，强度条件为：

将式(5)子带入式(7)有：

2.2.2 优化设计变量的边界约束

其他变量的边界约束，按式(5)中所给变量的取值范围表达式, 分别确定出各优化变量的上、下界，然后按约束函数的统一格式写出如下：

应用于重型机械的联轴器上的扇形块数约束为：

应用于重型机械的联轴器上的圆柱销分布圆半径约束为：

应用于重型机械的联轴器上的弹簧丝直径约束为：

应用于重型机械的联轴器上的弹簧指数约束为：

应用于重型机械的联轴器上的弹簧圈数约束为：

2.3 优化设计的数据处理及结果

根据以上所建优化数学模型，在不增加联轴器外形尺寸和不降低其承载能力的前提下，以螺旋弹簧强度为主要约束，以联轴器刚度最小为目标，进行离散变量的优化设计，以此算法建立优化设计程序，对一系列的扇形块弹簧联轴器关键参数进行优化设计，取得较为合理的参数，提升联轴器的性能。

以安全系数为2，计算扭矩Tc为106N.mm为例，材料特性为[τ]为1100Mpa，G为8×106Mpa，由程序计算圆整可得：

应用于重型机械的联轴器利用以上优化模型计算，得出的结论能在满足强度要求的条件下，使得联轴器的刚度C最小，提升挠性联轴器的主要性能，即缓冲作用和减振性能，对实际工程具有较大的指导意义。

3 结束语

本文设计一种扇形块弹簧联轴器，采用压缩弹簧作为弹性元件，弹性好、两轴相对位移引起的附加载荷小、许用的两轴相对位移量较大，并具备较好的缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。其最大许用偏心位移可达联轴器外径的12%，最大扭转角可达±5°、如有特殊要求可高达±10°，相当于两个普通弹性联轴器串联起来使用。同时，由于其结构简单，制造成本低，广泛适用于机械设备传动装置的联接，尤其是适合在有冲击载荷、频繁启动和频繁正、反转的设备上使用。

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