王孝義 張志偉 張國(guó)濤 夏清華 楊曉紅 李天超 朱長(zhǎng)江

（1 安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032）

（2 安徽泰爾重工股份有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

鼓型齒聯(lián)軸器可承受較高轉(zhuǎn)矩，具有徑向、軸向和周向等軸線偏差補(bǔ)償能力，被廣泛應(yīng)用于冶金、船舶和軌道交通等機(jī)械裝備。在實(shí)際使用過程中，鼓型齒聯(lián)軸器常需要在高速重載工況下運(yùn)行，鼓型齒輪副作為鼓型齒聯(lián)軸器的核心部件，其在復(fù)雜工況下的嚙合力學(xué)特性對(duì)鼓型齒聯(lián)軸器的傳動(dòng)特性和傳動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性具有重要影響。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外圍繞鼓型齒輪副的嚙合性能開展了大量研究。Guan 等[1]建立了由3 種不同加工方法進(jìn)行修形的鼓型齒聯(lián)軸器高精度有限元網(wǎng)格模型，采用有限元方法計(jì)算并對(duì)比了這3種模型下的齒面接觸特性。周淳等[2]采用數(shù)控插補(bǔ)法加工鼓型齒齒面，降低了齒面粗糙度，提高了齒輪精度，使得鼓型齒聯(lián)軸器的承載能力和使用壽命得到了較大提高。劉鵠然等[3-4]使用銑刀加工鼓型齒，進(jìn)行齒面接觸分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。為進(jìn)一步明晰鼓型齒輪副的接觸特性，研究人員從不同工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，對(duì)鼓型齒輪副接觸特性的影響因素展開了探討。方喜峰等[5]構(gòu)造了不同位移圓半徑的鼓型齒，分析了鼓型齒面的接觸應(yīng)力和動(dòng)態(tài)特性。關(guān)亞彬等[6]采用有限元分析和響應(yīng)面設(shè)計(jì)的方法，建立了最優(yōu)位移圓半徑和結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)之間的關(guān)系式。李鋒等[7]基于鼓型齒聯(lián)軸器有限元模型，分析了不同轉(zhuǎn)速下鼓型齒聯(lián)軸器的接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力。Keum[8]通過有限元方法研究了位移圓半徑、齒數(shù)、模數(shù)的變化對(duì)鼓型齒聯(lián)軸器齒面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。Raynald等[9]通過有限元法研究發(fā)現(xiàn)，鼓形齒的齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力受鼓形齒齒形參數(shù)的影響。朱文文等[10]分析了壓力角、刀具位移圓半徑和齒頂高系數(shù)對(duì)兩軸線平行工況下的鼓形齒聯(lián)軸器承載能力的影響。夏清華等[11]對(duì)GCL13 型鼓形齒聯(lián)軸器在軸線對(duì)中和偏轉(zhuǎn)兩種工況下的力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算和分析。

隨著現(xiàn)代冶金機(jī)械和船舶交通裝備的不斷發(fā)展，研發(fā)具有更高承載能力的鼓型齒聯(lián)軸器成為重要的發(fā)展方向。傳統(tǒng)鼓型齒輪副在工作過程中，鼓型齒輪的齒根斷裂或齒面磨損膠合等不良接觸狀態(tài)頻頻發(fā)生，極大限制了鼓型齒聯(lián)軸器在復(fù)雜工況下的應(yīng)用。為改善鼓型齒輪副的嚙合力學(xué)特性，本文中在傳統(tǒng)鼓型齒輪副結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型含過渡齒套的鼓型齒輪副結(jié)構(gòu)。建立兩種齒輪副結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析了鼓型齒輪副關(guān)鍵部位的嚙合力學(xué)特性和不同傾角的影響。研究結(jié)果對(duì)于豐富鼓型齒聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)方法具有重要意義。

1 鼓型齒輪副的嚙合力學(xué)模型

1.1 鼓型齒輪副結(jié)構(gòu)及其嚙合狀態(tài)

如圖1（a）所示，傳統(tǒng)鼓型齒聯(lián)軸器的鼓型齒輪副由一對(duì)內(nèi)嚙合的齒輪組成，分別是外齒軸套與內(nèi)齒軸套，兩齒輪齒數(shù)相等；其外齒軸套是齒頂面為球面、齒向?yàn)楣男托扌蔚凝X輪，內(nèi)齒軸套是標(biāo)準(zhǔn)的直齒圓柱齒輪。在傳統(tǒng)鼓型齒輪副基礎(chǔ)上，本文中提出一種新型含過渡齒套的鼓型齒輪副，簡(jiǎn)稱新型結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。新型鼓型齒輪副包括內(nèi)齒軸套、過渡齒套和外齒軸套。該新型結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外齒軸套并非直接接觸，而是通過過渡齒套來傳遞轉(zhuǎn)矩。過渡齒套的外齒為外花鍵，與內(nèi)齒軸套上的內(nèi)花鍵聯(lián)接。過渡齒套的內(nèi)齒與外齒軸套上的鼓型齒相嚙合。

圖1 兩種鼓型齒輪副結(jié)構(gòu)Fig.1 Two kinds of crown gear pair structures

相較于普通圓柱齒輪副的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，鼓型齒聯(lián)軸器的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)[12]。鼓型齒輪副在無傾角、有傾角時(shí)的齒面嚙合狀態(tài)分別如圖2（a）、圖2（b）所示。為方便分析，沿順時(shí)針方向，把鼓型齒輪副的運(yùn)動(dòng)位置依次規(guī)定為轉(zhuǎn)角0°、90°、180°、270°；同時(shí)將0°轉(zhuǎn)角位置上的鼓型齒規(guī)定為1 號(hào)輪齒，沿著順時(shí)針的方向依次標(biāo)記輪齒，每隔3個(gè)輪齒標(biāo)記一次，直至標(biāo)記到輪齒40。由于轉(zhuǎn)角相差為180°的輪齒處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是一樣的，因此，只分析0°～180°轉(zhuǎn)角區(qū)間內(nèi)輪齒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即可。無傾角的情況下，由于各個(gè)輪齒嚙合位置不變，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也是不變的。在有傾角θ的情況下，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將經(jīng)歷純擺動(dòng)區(qū)、擺動(dòng)和翻轉(zhuǎn)復(fù)合區(qū)、純翻轉(zhuǎn)區(qū)、翻轉(zhuǎn)和擺動(dòng)復(fù)合區(qū)、純擺動(dòng)區(qū)[13]。

圖2 鼓型齒輪副結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.2 Movement law of the crown gear pair structure

1.2 鼓型齒輪副嚙合有限元模型

實(shí)踐表明，鼓型齒輪副的失效部位主要發(fā)生在嚙合齒面上。為使計(jì)算結(jié)果更加可靠并考慮到計(jì)算規(guī)模對(duì)計(jì)算機(jī)的要求，在保證外齒軸套和內(nèi)齒軸套受力分析準(zhǔn)確性的前提下，可以使外齒軸套與內(nèi)齒軸套采用相同寬度，且減薄兩者的厚度。

分別建立外齒軸套、過渡齒套以及內(nèi)齒軸套全部輪齒的三維實(shí)體模型，然后按照設(shè)定的不同軸間傾角進(jìn)行組合裝配。本文中分析的新型鼓型齒輪副的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 新型鼓型齒輪副參數(shù)Tab.1 Parameters of the new crown gear pair

將裝配后的三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于在嚙合過程中參與嚙合的主要是輪齒，所以應(yīng)加密輪齒網(wǎng)格，保證接觸區(qū)域的網(wǎng)格密度滿足計(jì)算精度的要求，齒輪基體網(wǎng)格可以稍微稀疏一些。共劃分了963 840 個(gè)單元，1 112 760 個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用同樣的劃分方法，傳統(tǒng)的鼓型齒輪副共劃分了584 800 個(gè)單元，701 760 個(gè)節(jié)點(diǎn)。鼓型齒輪副的材料為42CrMo，彈性模量為2.06×1011Pa、泊松比為0.3。

將劃分好的有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Ansys Workbench 的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊，進(jìn)行有限元分析。分析傳統(tǒng)鼓型齒輪副時(shí)，對(duì)外齒軸套和內(nèi)齒軸套各施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，保證兩者僅有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；外齒軸套作為主動(dòng)輪施加轉(zhuǎn)速500 r/min，內(nèi)齒軸套作為從動(dòng)輪施加轉(zhuǎn)矩1 147 kN·m。分析新型鼓型齒輪副時(shí)，對(duì)外齒軸套和內(nèi)齒軸套施加與前述相同的邊界條件，對(duì)過渡軸套施加轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。上述旋轉(zhuǎn)副使用MPC184 單元，接觸區(qū)使用CONTA174 和TARGE170單元。由于二次單元會(huì)導(dǎo)致等效節(jié)點(diǎn)接觸力在角節(jié)點(diǎn)和邊中節(jié)點(diǎn)之間震蕩[14]，所以，齒輪副主體使用Solid185單元。新型鼓型齒聯(lián)軸器兩組接觸面之間為有潤(rùn)滑的滑動(dòng)摩擦，設(shè)置其摩擦因數(shù)為0.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)中狀態(tài)下兩種鼓型齒輪副的嚙合特性

圖3所示為無傾角情況下兩種齒輪副結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力。如圖3（a）所示，外齒軸套齒面上的等效應(yīng)力大致呈半橢圓形分布，在齒根部位發(fā)生應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力為327.07 MPa；如圖3（b）所示，內(nèi)齒軸套齒面上的等效應(yīng)力大致呈圓形分布，且最大應(yīng)力發(fā)生在外齒軸套與內(nèi)齒軸套的接觸部位，最大等效應(yīng)力為415.12 MPa。內(nèi)齒軸套齒面的齒頂部位顏色較深，說明在該位置承受了較大的等效應(yīng)力。由圖3（a）、圖3（b）中可知，傳統(tǒng)鼓型齒輪副外齒軸套和內(nèi)齒軸套的各齒面等效應(yīng)力數(shù)值大小大致相等且應(yīng)力分布一致，較為均勻，符合實(shí)際受力狀況，內(nèi)齒軸套的等效應(yīng)力比外齒軸套大。

圖3 無傾角情況下兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力對(duì)比分析Fig.3 Stress comparison analysis of the two structures without inclination

如圖3（c）所示，外齒軸套齒面上的等效應(yīng)力大致呈圓形分布，最大應(yīng)力集中在中間鼓肚部位，其峰值為275.53 MPa。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的外齒軸套齒面受力分布對(duì)比，新型結(jié)構(gòu)外齒軸套的等效應(yīng)力有所下降，應(yīng)力集中區(qū)域從原來的齒根部位轉(zhuǎn)移到中間鼓肚位置，齒輪副的接觸區(qū)域發(fā)生了改變。如圖3（d）所示，過渡齒套內(nèi)齒面上的最大等效應(yīng)力為281.76 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在外齒軸套與過渡齒套的接觸區(qū)域。如圖3（e）所示，過渡齒套外齒面上的等效應(yīng)力大致呈半橢圓形分布，在齒根部位發(fā)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為83.27 MPa。由于過渡齒套的外齒數(shù)較多，故受到的應(yīng)力比過渡齒套的內(nèi)齒應(yīng)力小。如圖3（f）所示，內(nèi)齒軸套齒面上的等效應(yīng)力大致呈半橢圓形分布，且最大應(yīng)力發(fā)生在與過渡齒套外齒接觸的部位，最大等效應(yīng)力為64.26 MPa。應(yīng)力分布圖中齒根部位的顏色較深，說明該位置同時(shí)也受到較大的等效應(yīng)力。由圖3（c）～圖3（f）中可知，新型鼓型齒聯(lián)軸器的外齒軸套、過渡齒套、內(nèi)齒軸套各齒面上應(yīng)力數(shù)值大小大致相等且應(yīng)力分布一致，較為均勻，且等效應(yīng)力只作用在嚙合區(qū)較小的范圍內(nèi)，過渡齒套內(nèi)齒上的等效應(yīng)力比外齒軸套大。

圖4 所示為無傾角情況下兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)變對(duì)比分析。如圖4（a）所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的外齒軸套齒面上的等效應(yīng)變大致呈半橢圓形分布，最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 746。如圖4（b）所示，內(nèi)齒軸套齒面上等效應(yīng)變大致呈圓形分布，最大等效應(yīng)變?yōu)?.002 14，等效應(yīng)變只分布在嚙合區(qū)較小的范圍內(nèi)，且等效應(yīng)變?cè)诔嘄X嚙合面外其余部分的分布較少且較小。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的外齒軸套應(yīng)變要小于內(nèi)齒軸套應(yīng)變，說明內(nèi)齒軸套受力時(shí)的變形要大。如圖4（c）所示，新型結(jié)構(gòu)中的外齒軸套應(yīng)變大致呈圓形分布，應(yīng)變集中在中間鼓肚部位，最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 873。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的外齒軸套對(duì)比，新型結(jié)構(gòu)中的外齒軸套等效應(yīng)變有所上升，應(yīng)變發(fā)生區(qū)域從原來的齒根部位沿著齒高方向過渡到中間鼓肚位置，接觸變形區(qū)域發(fā)生了改變。如圖4（d）所示，過渡齒套內(nèi)齒面的最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 682，出現(xiàn)在外齒軸套與過渡齒套內(nèi)齒接觸區(qū)域，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中內(nèi)齒軸套相比，應(yīng)變明顯降低，說明新型結(jié)構(gòu)中過渡齒套內(nèi)齒面的應(yīng)變得到改善，應(yīng)變集中區(qū)域也有一定改變。

圖4 無傾角情況下兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)變對(duì)比Fig.4 Strain comparison of the two structures without inclination

圖5所示為無傾角情況下兩種結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果。相比傳統(tǒng)鼓型齒輪副，新型鼓型齒輪副中的外齒軸套和過渡齒套內(nèi)齒上的應(yīng)力均有顯著降低。傳統(tǒng)鼓型齒輪副系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生在與外齒軸套相嚙合的內(nèi)齒軸套上，最大等效應(yīng)力為415.12 MPa、最大等效應(yīng)變?yōu)?.002 14；新型鼓型齒輪副系統(tǒng)中的最大等效應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生在與外齒軸套相嚙合的過渡齒套上。與傳統(tǒng)齒輪副系統(tǒng)相比，新型結(jié)構(gòu)中的最大等效應(yīng)力降低了32.12%、最大等效應(yīng)變降低了21.4%。

圖5 無傾角情況下兩種結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of finite element analysis results of the two structures without inclination

2.2 考慮軸間傾角時(shí)鼓型齒輪副嚙合性能

圖6 所示為在軸間傾角為0.3°下兩種齒輪副結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力。如圖6（a）所示，傳統(tǒng)鼓型齒輪副中的外齒軸套齒面上的應(yīng)力集中在齒根處，最大等效應(yīng)力為372.96 MPa，其中在中間鼓肚處也出現(xiàn)了黃色區(qū)域，說明在該處也發(fā)生了輕微應(yīng)力集中；如圖6（b）所示，傳統(tǒng)鼓型齒輪副中的內(nèi)齒軸套上最大應(yīng)力出現(xiàn)在外齒軸套與內(nèi)齒軸套接觸的位置，最大等效應(yīng)力為457.77 MPa。由于受到軸間傾角影響，傳統(tǒng)鼓型齒輪副的嚙合狀態(tài)是不斷發(fā)生改變的，每個(gè)鼓型齒上的應(yīng)力分布是不相同的，其應(yīng)力分布由對(duì)中情況下的齒寬中部位置向兩邊端部移動(dòng)，大致呈周期性分布。

圖6 傾角0.3°下兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力對(duì)比分析Fig.6 Stress comparison analysis of the two structures with an inclination angle of 0.3°

新型結(jié)構(gòu)的外齒軸套和過渡齒套的內(nèi)齒面應(yīng)力分布分別如圖6（c）和圖6（d）所示。由圖6（c）中可知，外齒軸套應(yīng)力在齒頂和齒根處都出現(xiàn)較大應(yīng)力，其峰值為367.39 MPa。從單齒接觸區(qū)域可以看出，隨著軸間傾角的出現(xiàn)，鼓型齒面嚙合區(qū)域的接觸形狀是不規(guī)則和變化的，每個(gè)輪齒上等效應(yīng)力的分布和數(shù)值范圍都是不相同的。從全齒來看，接觸區(qū)域?yàn)橐慌c偏移角相關(guān)的空間曲線，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在純翻轉(zhuǎn)處附近，且純翻轉(zhuǎn)處應(yīng)力分布區(qū)域最大，距離純翻轉(zhuǎn)處越遠(yuǎn)，應(yīng)力分布區(qū)域越小、越少，且在純翻轉(zhuǎn)處兩邊對(duì)稱分布。與傳統(tǒng)鼓型齒輪副中的外齒軸套齒面受力分布對(duì)比，新型結(jié)構(gòu)外齒軸套的等效應(yīng)力有所降低，接觸區(qū)域發(fā)生了改變。由圖6（d）中可知，過渡齒套內(nèi)齒面的最大等效應(yīng)力為312.92 MPa，出現(xiàn)在外齒軸套與過渡齒套內(nèi)齒接觸區(qū)域，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)齒軸套受力情況相比，應(yīng)力明顯降低，說明新型結(jié)構(gòu)過渡齒套內(nèi)齒的應(yīng)力得到了一定的改善。

圖7 所示為傾角在0.3°下兩種齒輪副結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)變。如圖7（a）所示，在外齒軸套齒面上的等效應(yīng)變大致呈半橢圓形分布，主要集中在齒根部位，最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 968。如圖7（b）所示，內(nèi)齒軸套齒面上的等效應(yīng)變大致呈圓形分布，最大等效應(yīng)變?yōu)?.002 361，等效應(yīng)變分布在外齒軸套與內(nèi)齒軸套接觸區(qū)域。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)齒軸套應(yīng)變要大于外齒軸套應(yīng)變，說明內(nèi)齒軸套受力時(shí)的變形要大。如圖7（c）所示，新型結(jié)構(gòu)中的外齒軸套應(yīng)變大致呈橢圓形分布，應(yīng)變集中在齒頂和齒根部位，最大等效應(yīng)變?yōu)?.002 4。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的外齒軸套對(duì)比，新型結(jié)構(gòu)中的外齒軸套的等效應(yīng)變有所上升，接觸變形區(qū)域發(fā)生了改變。如圖7（d）所示，過渡齒套內(nèi)齒面的最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 988，出現(xiàn)在外齒軸套與過渡齒套內(nèi)齒接觸區(qū)域，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)齒軸套相比，應(yīng)變明顯降低，說明新型結(jié)構(gòu)下過渡齒套內(nèi)齒面的應(yīng)變得到改善，應(yīng)變集中區(qū)域也有一定改變。

圖7 傾角0.3°下兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)變對(duì)比分析Fig.7 Strain comparison analysis of the two structures with an inclination angle of 0.3°

圖8所示為不同軸間傾角下兩種結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力的變化。如圖8（a）所示，隨軸間傾角增大，傳統(tǒng)鼓型齒輪副內(nèi)齒軸套和外齒軸套上的最大等效應(yīng)力增大，且內(nèi)齒軸套的應(yīng)力要大于外齒軸套的應(yīng)力。如圖8（b）所示，隨著軸間傾角增大，新型鼓型齒輪副中的外齒軸套應(yīng)力先增后降，過渡齒套內(nèi)齒面應(yīng)力先緩慢增大后較大幅度增大。通過增設(shè)過渡齒套，應(yīng)力會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，外齒軸套的部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到過渡齒套上。但在軸間傾角為0.3°時(shí)，外齒軸套應(yīng)力要大于過渡齒套內(nèi)齒面的應(yīng)力，說明此時(shí)應(yīng)力并未發(fā)生轉(zhuǎn)移?？偟膩砜?，新型結(jié)構(gòu)降低了鼓型齒輪副的最大等效應(yīng)力，有助于提高承載能力。但其中過渡齒套承受應(yīng)力較大，可能最先失效。

圖8 軸間傾角對(duì)應(yīng)力的影響Fig.8 Influence of the inclination angle between the shafts on the stress

圖9所示為不同軸間傾角下兩種結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)變的變化。如圖9（a）所示，隨著軸間傾角的增大，傳統(tǒng)鼓型齒輪副中內(nèi)齒軸套和外齒軸套的最大等效應(yīng)變都隨之增大，最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在純翻轉(zhuǎn)處附近，距離純翻轉(zhuǎn)處越遠(yuǎn)，應(yīng)變分布區(qū)域越小、越少。如圖9（b）所示，隨軸間傾角增大，新型鼓型齒輪副中的外齒軸套應(yīng)變先增后降，過渡齒套內(nèi)齒面應(yīng)變先緩慢增大后大幅度增大，外齒軸套齒面應(yīng)變略高于過渡齒套內(nèi)齒面應(yīng)變，最大應(yīng)變出現(xiàn)在鼓型齒面的接觸部位。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外齒軸套的應(yīng)變幾乎沒有變化，而過渡齒套內(nèi)齒面的應(yīng)變顯著降低。綜上分析可見，隨軸間傾角增大，傳統(tǒng)鼓型齒輪副中的最大等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)龃?；隨軸間傾角增大，新型鼓型齒輪副結(jié)構(gòu)中的外齒軸套等效應(yīng)力和應(yīng)變將部分轉(zhuǎn)移到過渡齒套上。因此，新型結(jié)構(gòu)中的外齒軸套在較大傾角下仍能保持較低等效應(yīng)力，對(duì)成本高昂的外齒軸套起到有效保護(hù)作用。

圖9 軸間傾角對(duì)應(yīng)變的影響Fig.9 Influence of the inclination angle between the shafts on the strain

2.3 新型鼓型齒聯(lián)軸器制造與運(yùn)行

面向某軋鋼廠設(shè)計(jì)、制造了含過渡齒套的鼓型齒聯(lián)軸器，并裝機(jī)運(yùn)行。如圖10（a）、圖10（b）所示，經(jīng)分動(dòng)箱將電機(jī)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)分別傳遞至上下布置的兩個(gè)鼓型齒聯(lián)軸器，聯(lián)軸器傳動(dòng)軸帶動(dòng)鼓型齒輪副運(yùn)轉(zhuǎn)，軋機(jī)側(cè)齒輪副的內(nèi)齒軸套分別與上、下軋輥固聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)軋機(jī)的軋制作業(yè)。軋機(jī)組上的新型鼓型齒聯(lián)軸器運(yùn)行半年，總體狀態(tài)良好。

圖10 新型鼓型齒聯(lián)軸器的裝機(jī)運(yùn)行圖Fig.10 Installation and operation diagrams of the new crown gear coupling

定期檢修拆解時(shí)發(fā)現(xiàn)，鼓型齒輪副齒面工作狀態(tài)良好，無明顯點(diǎn)蝕、磨損、膠合等齒面失效現(xiàn)象。圖11所示為拆解后的新型鼓型齒輪副，圖11（a）中的外齒軸套與圖11（b）中的過渡齒套內(nèi)齒嚙合，圖11（b）中的過渡齒套外齒與圖11（c）中的內(nèi)齒軸套內(nèi)齒嚙合。鼓型齒輪副各組件齒面上的接觸狀況有所不同，過渡齒套內(nèi)齒和外齒齒面上出現(xiàn)輕微磨痕，而外齒軸套和內(nèi)齒軸套齒面狀態(tài)相對(duì)較好。前述有限元分析結(jié)果同樣表明，與傳統(tǒng)鼓型齒輪副系統(tǒng)承受應(yīng)力相比，在新型鼓型齒輪副系統(tǒng)中，外齒軸套的等效應(yīng)力降低，過渡齒套內(nèi)齒等效應(yīng)力高于外齒軸套應(yīng)力，過渡齒套承受著較高應(yīng)力。因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況與有限元分析結(jié)果相符。新型鼓型齒聯(lián)軸器中，過渡齒套對(duì)外齒軸套和內(nèi)齒軸套起到一定保護(hù)作用。

圖11 拆解后的新型鼓形齒輪副Fig.11 New crown gear pair after disassembly

3 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)鼓型齒輪副的外齒軸套多在齒根部位發(fā)生應(yīng)力集中，內(nèi)齒軸套最大應(yīng)力和應(yīng)變多發(fā)生在外齒軸套與內(nèi)齒軸套的接觸部位，內(nèi)齒軸套的等效應(yīng)力和應(yīng)變比外齒軸套大。

（2）與傳統(tǒng)鼓型齒輪副相比，新型鼓型齒輪副的外齒軸套的等效應(yīng)力顯著降低，應(yīng)力集中區(qū)域從原來的齒根部位轉(zhuǎn)移到中間鼓肚位置，過渡齒套內(nèi)齒等效應(yīng)力高于外齒軸套應(yīng)力。

（3）隨軸間傾角增大，新型鼓型齒輪副的外齒軸套應(yīng)力和應(yīng)變先增大后降低，過渡齒套內(nèi)齒面應(yīng)力和應(yīng)變先緩慢增大后較大幅度增大，新型鼓型齒輪副的應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生轉(zhuǎn)移，外齒軸套的應(yīng)力應(yīng)變部分轉(zhuǎn)移到過渡齒套上，整個(gè)鼓型齒輪副系統(tǒng)中的最大等效應(yīng)力顯著降低，有助于提高鼓型齒聯(lián)軸器的承載能力。