金屬彈性聯(lián)軸器

　
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彈性聯(lián)軸器的性能主要取決于所采用的彈性元件。彈性元件分金屬彈性元件和非金屬彈性元件。非金屬彈性元件主要是橡膠彈性元件，它具有彈性模量范圍大、內(nèi)摩擦大、重量輕、阻尼性能好、無機(jī)械摩擦等優(yōu)點，但橡膠強度低、易蠕變、易老化、耐油耐熱性差、振動劇烈時要注意溫升，另外負(fù)荷性能不穩(wěn)定(由于制造時硬度偏差較大)。金屬彈性元件強度高，傳遞載荷能力大，使用壽命長，受溫度影響小，但成本較高．常用材料為高強度的彈性鋼，如60Si2Mn和50CrVA等。其結(jié)構(gòu)形式主要有：簧片、卷簧、蛇形彈簧、膜片(盤)、圓柱彈簧等。本文從專利文獻(xiàn)的角度，對金屬彈性軸聯(lián)軸器的技術(shù)發(fā)展作簡要回顧。同時，文章對所介紹國外專利的有效期、在華申請情況等也作了介紹。
彈性聯(lián)軸器是用來調(diào)整傳動裝置軸系扭轉(zhuǎn)振動特性，補償因振動、沖擊引起的主、從動機(jī)軸線位移，并不間斷地傳遞轉(zhuǎn)矩和運動的一種設(shè)備。它廣泛用于柴油機(jī)動力裝置以及具有較大干擾力矩的傳動裝置軸系中，以實現(xiàn)減振降噪的目的，并起到保護(hù)主、從動機(jī)和提高整個傳動裝置運行可靠性的作用。


（一）風(fēng)箱形（bellows-type）金屬彈性聯(lián)軸器

1985年日本Mochizuki; Masanori等人發(fā)明了一種金屬風(fēng)箱型彈性聯(lián)軸器，申請美國專利US4645473（申請日1985.06.25授權(quán)公告日1987.2.24）。該聯(lián)軸器兩側(cè)具有螺紋圓柱部件，部件的外表面具有錐形的螺紋，結(jié)構(gòu)見圖2。該專利已經(jīng)到期。

1999年德國Chr.Mayr GmbH & Co.KG也發(fā)明了用于兩軸相互傳輸扭矩的金屬風(fēng)箱型彈性聯(lián)軸器，申請美國專利US6413164（申請日1999.03.19授權(quán)公告日2002.07.02），結(jié)構(gòu)見圖3。

（二）格柵形（Grid-type）金屬彈性聯(lián)軸器

格柵形彈簧聯(lián)軸器以20世紀(jì)60年代開始美國FALK公司開發(fā)的專利產(chǎn)品為代表。其較早申請的專利US3079773（申請日1961.4.20授權(quán)公告日1963.3.5）彈性聯(lián)軸器，使用連續(xù)的蛇形金屬格柵作為彈性扭矩傳輸部件，結(jié)構(gòu)見圖1。

該公司后續(xù)申請的專利對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，如US4413980（申請日1981.02.24授權(quán)公告日1983.11.08）用于連接從動軸和驅(qū)動軸的彈性聯(lián)軸器，包含一對轂聯(lián)接到各自的旋轉(zhuǎn)軸上，每個轂具有軸向伸出的齒，兩轂之間為格柵形扭矩傳送元件，包含許多直的金屬橫檔，其端部聚集到一彈性體部件中。

隨著時間推移，這2件專利都已成為過保護(hù)期的專利。其它類似的相關(guān)專利還有US4925431（申請日1988.03.10授權(quán)公告日1990.05.15），其申請了加拿大專利CA1317773、世界專利WO1989009346、澳大利亞專利AU198932891、歐洲專利EP363463、日本專利JP2503946，未進(jìn)入中國，且即將到期。

（三）簧片式（spring-type）金屬彈性聯(lián)軸器

簧片式彈性聯(lián)軸器又稱蓋斯林格聯(lián)軸器，該型聯(lián)軸器彈性元件由淬火硬化彈簧鋼制造的簧片組組成。該聯(lián)軸器的特點是阻尼性能好、扭轉(zhuǎn)彈性優(yōu)良，但安裝復(fù)雜、使用要求高(如需滑油冷卻)、補償位移能力較小、轉(zhuǎn)動慣量大、造價高、維修性差等。

1980年奧地利GEISLINGER & CO SCHWINGUNGSTECHNIK GMBH申請的德國專利DE3033302（申請日1980.09.04公開日1981.04.23）作為扭轉(zhuǎn)減震器的彈性聯(lián)軸器，包含由楔形物夾緊的頁狀彈簧束。在彈簧束(1)和中間片(2)之間軸向驅(qū)動箝位楔(4)。薄墊片(7)與楔連同，以俘獲偏差，結(jié)構(gòu)見圖6。該專利還申請了奧地利專利AT197906540，未進(jìn)入中國，現(xiàn)這些專利保護(hù)期已屆滿。

1998年該公司申請的德國專利DE19839470（申請日1998.08.29公開日1999.03.25）通過內(nèi)部件(1)和外部件(2)之間的彈簧部件(3)傳送扭矩，節(jié)流點(7)使液體填充的腔體(6)相互連接，用泵向腔體供液，通風(fēng)管(10)自腔體引出后回到逆流腔，其截面小于節(jié)流點，結(jié)構(gòu)見圖7。該專利還申請了奧地利專利并被授權(quán)AT405866，申請了日本專利并被授權(quán)JP3772323，未進(jìn)入中國。

該公司就簧片式金屬彈性聯(lián)軸器申請了多項專利，除了上述兩件之外，還包括DE3023300、US4262499、GB2001731、US4104891。該類產(chǎn)品獲得了商業(yè)上的成功，商品名為Classic Geislinger Coupling，是一類扭轉(zhuǎn)彈性的高阻尼聯(lián)軸器，使用沿半徑方向排列的鋼彈簧束作為彈性元件，分51H、51U、81N、81H、81U、125N、125H、125U、185N等系列，和B、BC、BE、C、F等標(biāo)準(zhǔn)類型。扭矩最高可達(dá)1800kN以上。

（四）膜片式（membrane-type）金屬彈性聯(lián)軸器

德國CENTA公司在傳動系統(tǒng)開發(fā)方面處于國際比較領(lǐng)先的地位。1994年CENTA-ANTRIEBE KIRSCHEY發(fā)明了圓環(huán)形并排金屬膜作為彈性元件的彈性聯(lián)軸器，申請美國專利US5545090（申請日1994.02.15授權(quán)公告日1996.08.13），結(jié)構(gòu)見圖4。該專利還申請了歐洲專利EP0611895、日本專利JP6323339、德國專利DE4304611，但未進(jìn)入中國。后來該發(fā)明產(chǎn)品獲得了商業(yè)上的成功，商品名為CENTAX-M系列，用于輪船推進(jìn)，采用雙鋼膜作為彈性元件，扭矩范圍12.5-160kN以上。

其實，膜片式金屬彈性聯(lián)軸器的發(fā)明構(gòu)思最早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)。1974年MCNAMEE A申請的美國專利US3959988（申請日1974.11.08授權(quán)公告日1976.06.01）高強度聯(lián)軸器包含許多凹環(huán)金屬膜片，半徑截面方向的厚度恒等，結(jié)構(gòu)見圖5。該專利還申請了英國專利GB 1443217，未進(jìn)入中國，現(xiàn)保護(hù)期已屆滿。

（五）繞線式金屬彈性聯(lián)軸器

1989胡年豐申請的中國實用新型專利ZL89217780.2（申請日1989.10.06公開日1991.04.10）一種高彈性聯(lián)軸器，用于動力機(jī)械主從軸系的彈性聯(lián)接。周向均列的彈性元件１聯(lián)接于聯(lián)軸器的主從轂體４、５，由多股鋼絲絞合線經(jīng)金屬夾板固聯(lián)成的彈性元件的螺旋環(huán)狀彈性體構(gòu)成了聯(lián)軸器主從轂體間環(huán)形自由變形空間，聯(lián)軸器主從轂體在軸向、徑向和軸傾角等方向通過環(huán)形自由變形空間構(gòu)成彈性位移補償特征。適用于船用主、輔機(jī)，內(nèi)燃機(jī)，柴油機(jī)，電動機(jī)和液壓馬達(dá)等驅(qū)動的各類（特別是設(shè)有單層或雙層彈性隔振基礎(chǔ)）動力裝置的軸系聯(lián)接，結(jié)構(gòu)見圖8。該項專利申請于1991.12.04被授權(quán)，1993.08.25公告專利權(quán)終止(未繳年費專利權(quán)終止)。

1998年奧地利GEISLINGER & CO SCHWINGUNGSTECHNIK GMBH申請的歐洲專利EP943827（申請日1998.12.14公開日1999.9.22）用于扭矩傳遞驅(qū)動連接的聯(lián)軸器部件，包括筒形本體(2)、端面凸緣(3,4)和反向螺旋線繞線組(21,22)。繞線組包括纏繞長度上的線(5,6),繞線組之間相互留有距離。相鄰線之間的繞線相互連接于交叉點(7)，形成空腔(8)，結(jié)構(gòu)見圖9。該專利指定國包括AL AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LT LU LV MC MK NL PT RO SE SI。進(jìn)入奧地利并被授權(quán)AT406078，未進(jìn)入中國。

（六）“彈簧鉤套＋銷子螺桿”式金屬彈性聯(lián)軸器

1970年奧地利GEISLINGER & CO SCHWINGUNGSTECHNIK GMBH發(fā)明的交通工具傳輸軸聯(lián)軸器，具有扭矩彈簧和軸向位移柱塞，申請了德國專利DE2166436（申請日1970.09.30公開日1974.03.21），結(jié)構(gòu)見圖10。該專利保護(hù)期已屆滿。

1988年該公司就相關(guān)產(chǎn)品的改進(jìn)申請了歐洲專利EP374344（申請日1988.12.15公開日1990.06.27）：彈性聯(lián)軸器(1)有兩個部件(2,3)和聯(lián)鎖連接凸緣(4,5)。后者具有彈簧皮帶(6,7)用于傳輸扭矩，由緊配螺釘(9)閂住。一個連接凸緣(5)包含多個獨立扇區(qū)(11)，每個獨立扇區(qū)(11)形成一個彈簧帶連接節(jié)(12)。優(yōu)選扇區(qū)位于外連接凸緣上。每個扇區(qū)有兩個螺栓孔用于連接到軸法蘭上。可以補償軸向、徑向和管狀軸位移。結(jié)構(gòu)見圖11。該專利指定國包括AT DE FR，未進(jìn)入中國。

1997年再次改進(jìn)的彈簧鉤套＋銷子螺桿式金屬彈性聯(lián)軸器，已申請德國專利DE19839451（申請日1998.08.29公開日1999.3.25），優(yōu)先權(quán)AT 19971610 A 19970923。用于傳送扭矩的彈性聯(lián)軸器，兩個銷子螺桿(9,10)中至少一個(10)置于過大孔(12)中，與2個聯(lián)軸器部件的凸緣(4,5)相連接。剩余環(huán)狀間隙(13)由可硬化的填充材料(14)，優(yōu)選合成樹脂填充。連接凸緣帶有沿半徑的通道，與孔相通，結(jié)構(gòu)見圖12。該專利還申請了奧地利專利并被授權(quán)AT404977，未進(jìn)入中國

三爪聯(lián)軸器，水泵聯(lián)軸器膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)
　　 膜片聯(lián)軸器至少由一個膜片和兩個軸套組成。膜片被用銷釘緊固在軸套上一般不會松動或引起膜片和軸套之間的反沖。有一些生產(chǎn)商提供兩個膜片的，也有提供三個膜片的，中間有一個或兩個剛性元件，兩邊再連在軸套上。單膜片聯(lián)軸器和雙膜片聯(lián)軸器的不同之處是處理各種偏差能力的不同，鑒于其需要膜片能復(fù)雜的彎曲，所以單膜片聯(lián)軸器不太適應(yīng)偏心。而雙膜片聯(lián)軸器可以同時曲向不同的方向，以此來補償偏心。
膜片聯(lián)軸器的特點
　　 膜片聯(lián)軸器這種特性有點像波紋管聯(lián)軸器，實際上聯(lián)軸器傳遞扭矩的方式都差不多。膜片本身很薄，所以當(dāng)相對位移荷載產(chǎn)生時它很容易彎曲，因此可以承受高達(dá)1.5度的偏差，同時在伺服系統(tǒng)中產(chǎn)生較低的軸承負(fù)荷。膜片聯(lián)軸器常用于伺服系統(tǒng)中，膜片具有很好的扭矩剛性，但稍遜于波紋管聯(lián)軸器。另一方面，膜片聯(lián)軸器非常精巧，如果在使用中誤用或沒有正確安裝則很容易損壞。所以保證偏差在聯(lián)軸器的正常運轉(zhuǎn)的承受范圍之內(nèi)是非常必要的。選擇適合的聯(lián)軸器是用好聯(lián)軸器的關(guān)鍵一步，在設(shè)計階段就得考慮選用什么類型的聯(lián)軸器了。 　　聯(lián)軸器與齒式聯(lián)軸器相比，沒有相對滑動，不需要潤滑、密封，無噪聲，基本不用維修，制造方便，可部分代替齒式聯(lián)軸器。膜片聯(lián)軸器在國際上工業(yè)發(fā)達(dá)國家應(yīng)用已很普通，在我國已制訂機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，最近已修訂為新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 9147-1999（代替ZB/T J19022-90） 聯(lián)軸器各轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系。
膜片聯(lián)軸器的正確選擇
　　 膜片聯(lián)軸器的正確選擇： 　　1、 膜片聯(lián)軸器至少由一個膜片和兩個軸套組成。膜片被用銷釘緊固在軸套上一般不會松動或引起膜片和軸套之間的反沖。有一些生產(chǎn) 商提供兩個膜片的，也有提供三個膜片的，中間有一個或兩個剛性元件，兩邊再連在軸套上。 　　2、 膜片聯(lián)軸器這種特性有點像波紋管聯(lián)軸器，實際上聯(lián)軸器傳遞扭矩的方式都差不多。膜片本身很薄，所以當(dāng)相對位移荷載產(chǎn)生時它 很容易彎曲，因此可以承受高達(dá)1.5度的偏差，同時在伺服系統(tǒng)中產(chǎn)生較低的軸承負(fù)荷。 　　3、 膜片聯(lián)軸器常用于伺服系統(tǒng)中，膜片具有很好的扭矩剛性，但稍遜于波紋管聯(lián)軸器。 　　4、 另一方面，膜片聯(lián)軸器非常精巧，如果在使用中誤用或沒有正確安裝則很容易損壞。所以保證偏差在聯(lián)軸器的正常運轉(zhuǎn)的承受范圍之 內(nèi)是非常必要的。 　　5、根據(jù)軸徑調(diào)整型號： 　　初步選定的軸承聯(lián)軸器聯(lián)接尺寸，即軸孔直徑d和軸孔長度L，應(yīng)符合主、從動端軸徑的要求，否則還要根據(jù)軸徑d調(diào)整聯(lián)軸器的規(guī)格。 　　主、從動端軸徑不相同是普通現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速相同，主、從動端軸徑不相同時，應(yīng)按大軸徑選擇聯(lián)軸器型號。新設(shè)計的傳動系統(tǒng)中， 應(yīng)選擇符合GBT3852中規(guī)定的七種軸孔型式，推薦采用J1型軸孔型式，以提高通用性和互換性，軸孔長度按i軸承聯(lián)軸器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
膜片聯(lián)軸器的應(yīng)用
　　 廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動，如水泵（尤其是大功率、化工泵）、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、液壓機(jī)械、石油機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、化工機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、航空（直升飛機(jī)）、艦艇高速動力傳動系統(tǒng)、汽輪機(jī)、活塞式動力機(jī)械傳動系統(tǒng)、履帶式車輛，以及發(fā)電機(jī)組高速、大功率機(jī)械傳動系統(tǒng)，經(jīng)動平衡后應(yīng)用于高速傳動軸系已比較普遍。