一種剛度可調(diào)柔性聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)

杜宇波，李亞東

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

[摘要]提出了一種具有連接剛度可調(diào)功能的新型柔性聯(lián)軸器，介紹了它的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。該聯(lián)軸器可顯著降低聯(lián)接時(shí)的安裝精度要求，建立了可調(diào)式柔性聯(lián)軸器數(shù)學(xué)模型，分析了可調(diào)式柔性聯(lián)軸器的動(dòng)態(tài)特性，給出了可調(diào)式柔性聯(lián)軸器算例的動(dòng)態(tài)仿真曲線。結(jié)果顯示，該聯(lián)軸器具有較好的響應(yīng)特性，為聯(lián)軸器的改進(jìn)和發(fā)展提供了新的思路。

[關(guān)鍵詞]剛度可調(diào)；柔性；聯(lián)軸器；設(shè)計(jì)

[文章編號(hào)]1673-2944(2015)04-0005-04

[中圖分類號(hào)]TH133.4

收稿日期：2014-11-14

作者簡(jiǎn)介：杜宇波(1963—)，男，陜西省興平市人，陜西理工學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)以及機(jī)械設(shè)備檢測(cè)與故障診斷；李亞東(1989—)，男，河北石家莊市人，陜西理工學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械故障診斷。

隨著科技的進(jìn)步和日益增長(zhǎng)的工業(yè)需求，各種工作機(jī)日趨大型、重載和高速，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障占轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障的60%以上[1]。聯(lián)軸器是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與動(dòng)力機(jī)械連接的重要基礎(chǔ)部件，其工作原理、結(jié)構(gòu)形式和制造精度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、使用壽命以及經(jīng)濟(jì)性都將產(chǎn)生極其重要的影響。研究表明，聯(lián)軸器的不對(duì)中會(huì)伴有較大的徑向、軸向扭轉(zhuǎn)和軸傾角等偏移量[2]，將直接影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)特性、振動(dòng)模態(tài)和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的聯(lián)軸器可以分為剛性和撓性，剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞扭矩大，響應(yīng)快，但無補(bǔ)償相對(duì)位移的能力，兩軸對(duì)中性要求高；撓性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，對(duì)兩軸心誤差有一定的補(bǔ)償能力[3]，但運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)性能差?，F(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)的高精度和高轉(zhuǎn)速要求聯(lián)軸器既能補(bǔ)償制造安裝誤差，又能穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)，所以，從工程應(yīng)用考慮，研制一種連接剛度能根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性需求可調(diào)，對(duì)兩軸對(duì)中誤差具有較好補(bǔ)償能力的柔性聯(lián)軸器就顯得十分必要。

1剛度可調(diào)柔性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)和工作原理

1-左聯(lián)軸器　2-柔索　3-彈簧　4-右聯(lián)軸器　5-外罩 圖1　可調(diào)式柔性聯(lián)軸器

圖1所示為新型可調(diào)式柔性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)圖，該聯(lián)軸器主要由左聯(lián)軸器、柔索、彈簧、右聯(lián)軸器、外罩五大部分組成。工作時(shí)，扭矩由左半聯(lián)軸器輸入，經(jīng)柔索和彈簧傳遞給右半聯(lián)軸器輸出；柔索和彈簧主要起傳遞扭矩、調(diào)整系統(tǒng)剛度的作用，補(bǔ)償軸線失中造成的偏差，要求柔索具有較大的抗拉強(qiáng)度，彈簧具有較大的剛度和疲勞強(qiáng)度；最外面是一個(gè)外罩，通過反向螺紋與聯(lián)軸器連接，防止運(yùn)行過程中突發(fā)意外，阻止外界的雜物進(jìn)入其中，對(duì)整個(gè)聯(lián)軸器起到了很好的保護(hù)作用。

2剛度可調(diào)柔性聯(lián)軸器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1可調(diào)性

柔性聯(lián)軸器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)中，不但起傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，而且有減小扭轉(zhuǎn)沖擊的作用，其剛度直接影響著旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)減振的效果[4]。該聯(lián)軸器可以通過調(diào)整柔索的張緊度來改變其聯(lián)接剛度，更好地滿足傳遞扭矩的響應(yīng)特性。當(dāng)柔索張緊度足夠大時(shí)可以近似看作是剛性聯(lián)軸器，其傳遞扭矩的能力較撓性聯(lián)軸器要大得多；當(dāng)柔索張緊度適中時(shí)可以近似看作是撓性聯(lián)軸器，其不對(duì)中誤差補(bǔ)償能力較剛性聯(lián)軸器要大得多；同時(shí)起著扭轉(zhuǎn)剛度調(diào)節(jié)器作用的彈簧也可以在加載后進(jìn)行角度調(diào)整，以改變系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度，調(diào)整其動(dòng)態(tài)特性。

2.2柔性對(duì)中

動(dòng)力機(jī)械與工作機(jī)械的軸系存在不對(duì)中誤差是必然的，通過提高制造和安裝精度來補(bǔ)償往往很不經(jīng)濟(jì)。該聯(lián)軸器可以實(shí)現(xiàn)柔性對(duì)中，當(dāng)軸系出現(xiàn)失中時(shí)，柔索和扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)上就能實(shí)現(xiàn)對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)償，使其達(dá)到對(duì)中時(shí)的效果，從而使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)中考慮到傳統(tǒng)的剛性聯(lián)軸器采用的是將左右兩半聯(lián)軸器剛性連接，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損和振動(dòng)等問題；撓性聯(lián)軸器的誤差補(bǔ)償會(huì)存在因附加周期性動(dòng)載荷而產(chǎn)生疲勞問題。采用柔索和扭轉(zhuǎn)彈簧后，既可以減少磨損，又可以消除振動(dòng)，疲勞問題也就隨之解決。柔索連接采用半球型結(jié)構(gòu)，對(duì)角度偏差能起到補(bǔ)償作用；由于彈簧彈性作用，對(duì)軸向偏移和平行度偏差有很好的補(bǔ)償能力。這兩種結(jié)構(gòu)同時(shí)作用就可以對(duì)三種偏差以及它們的綜合偏差進(jìn)行補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)柔性對(duì)中，很好地解決了軸線失中造成的影響。

2.3安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便

由于聯(lián)軸器外面有一個(gè)保護(hù)罩，可以避免突發(fā)事故的出現(xiàn)所帶來的危險(xiǎn)，也使得該聯(lián)軸器可以適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境。如果聯(lián)軸器中某一部分損壞，可以隨時(shí)更換，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

2.4制造簡(jiǎn)單、成本低、方便拆裝

該聯(lián)軸器選用的零件都是基礎(chǔ)件，制造簡(jiǎn)單，成本低，而且采用螺栓聯(lián)接，拆裝方便。

3剛度可調(diào)柔性聯(lián)軸器數(shù)學(xué)模型建立及響應(yīng)分析

3.1數(shù)學(xué)模型建立

圖2　旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)物理模型

實(shí)際旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般由工作部分、連接部分和驅(qū)動(dòng)部分3部分組成，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

設(shè)系統(tǒng)工作機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1，產(chǎn)生的平衡扭矩為M1，平衡轉(zhuǎn)角為θ1；系統(tǒng)動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J2，產(chǎn)生的輸出扭矩為M2，輸出轉(zhuǎn)角為θ2；柔性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度為Kθ，阻尼系數(shù)為Bθ；系統(tǒng)的摩擦阻尼忽略不計(jì)。則旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力方程為

(1)

整理可得數(shù)學(xué)模型為

(2)

3.2響應(yīng)分析

3.2.1穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析

穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)部分都以恒定的角速度ω旋轉(zhuǎn)，其阻尼系數(shù)相差很小，可以近似看作B1=B2，由于聯(lián)軸器的柔性作用，動(dòng)力機(jī)械部分和工作機(jī)械部分存在一個(gè)轉(zhuǎn)角差φ，所以有

(3)

將式(3)代入方程(2)可得

(4)

由式(4)可以看出在驅(qū)動(dòng)與被驅(qū)動(dòng)部件之間，若轉(zhuǎn)速相同，柔性驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)隨力矩和阻力矩的增大而增大，隨柔性驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)剛度的增大而減小[5]。

3.2.2瞬態(tài)響應(yīng)分析

以右半聯(lián)軸器為研究對(duì)象，假設(shè)左半聯(lián)軸器受到一個(gè)脈沖力矩的作用，其幅值為Mp，則工作機(jī)械部分的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(6)

寫成標(biāo)準(zhǔn)形式

(7)

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)為

(8)

系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量為

(9)

3.2.3聯(lián)軸器剛度對(duì)輸出影響仿真

圖3　剛度對(duì)輸出響應(yīng)的影響

若聯(lián)軸器的輸入端輸入幅值為Mp=1 N·m的脈沖力矩，系統(tǒng)歸算到聯(lián)軸器輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=0.09 kg·m2，阻尼比B2=0.25，剛度Kθ1=1 N·m/deg，Kθ2=5 N·m/deg。用MATLAB仿真得到剛度對(duì)輸出影響的響應(yīng)曲線如圖3所示。

由上面輸出響應(yīng)曲線可知，聯(lián)軸器剛度使系統(tǒng)對(duì)沖擊力矩具有較強(qiáng)的“濾波隔噪”作用，從而使機(jī)械系統(tǒng)能更穩(wěn)定、更精確、更高效地傳遞有效扭矩，扼制噪聲。這種剛度可調(diào)特性對(duì)精密傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性可控尤為重要。

4結(jié)論

綜上所述，這種新型剛度可調(diào)式柔性聯(lián)軸器具備了以下特點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)性能好；

(2)擁有較強(qiáng)的補(bǔ)償相對(duì)位移和調(diào)整不對(duì)中的能力；

(3)通過調(diào)整扭轉(zhuǎn)剛度，可以使得系統(tǒng)對(duì)沖擊力矩產(chǎn)生明顯的“濾波隔噪”作用，從而能更穩(wěn)定高效地傳遞有效扭矩，扼制噪聲，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性可控。

新型剛度可調(diào)式柔性聯(lián)軸器能滿足較高的使用要求，適用于高速大扭矩、精密傳動(dòng)系統(tǒng)。但還存在一些不足，例如其左右兩半聯(lián)軸器軸線有偏距存在時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析還需要更進(jìn)一步的研究。對(duì)該新型剛度可調(diào)式柔性聯(lián)軸器逐步改進(jìn)完善和推廣，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，必定會(huì)創(chuàng)造更大的價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

Design of a stiffness-adjustable flexible coupling

DU Yu-bo,LI Ya-dong

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology,

Hanzhong 723000, China)

Abstract:This paper presents a new flexible coupling with stiffness-adjustable connection, introduces its working principle and structural characteristics, and conducts an analysis of its structure. The results show that, the coupling can significantly reduce the required installation accuracy when the connection is established. The mathematical model of adjustable flexible coupling is established to analyze the dynamic features of adjustable flexible coupling, with dynamic simulation curves being given. The calculation results show the coupling has good response characteristics and presents a new idea for the improvement and development of coupling.

Key words:adjustable stiffness;flexible;coupling;design