一種十字滑塊聯(lián)軸器的設計改進

李紅梅，錢建國，張 曄

(南京長江電子信息產業(yè)集團有限公司，江蘇 南京 210038)

1 十字滑塊聯(lián)軸器

聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩軸，傳遞運動和轉矩的裝置。由于受制造及安裝誤差、承載后的變形和溫度變化等影響，聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸實際上并不能嚴格同軸，會存在某些程度的偏移與角度誤差[1]。某艦載雷達方位同步系統(tǒng)中所用十字滑塊聯(lián)軸器初始設計如圖1所示。十字滑塊聯(lián)軸器是一種可移式的剛性聯(lián)軸器，通過2個帶凸榫的半聯(lián)軸器與1個帶凹槽的中間圓盤的相對滑動來補償兩軸間的徑向偏移。

圖1 十字滑塊聯(lián)軸器

十字滑塊聯(lián)軸器具有結構簡單、尺寸小、所需安裝空間小、裝拆方便等特點，適用于雷達數據傳動鏈中同步輪系軸與微電動機軸的聯(lián)接，可準確傳遞雷達方位傳動數據。但是設計時如果選擇的材料、確定的公差、半聯(lián)軸器與軸的夾緊方式不正確，在工作過程中會出現(xiàn)半聯(lián)軸器與中間圓盤間無法靈活滑動，導致聯(lián)軸器不能補償兩軸間的徑向偏移，并對軸產生一個附加的徑向力，使軸發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。當這個徑向力足夠大時，長期作用于轉動軸將導致軸出現(xiàn)疲勞損壞[2]。

本文對十字滑塊聯(lián)軸器的運動過程和受力過程進行了分析計算，對某艦載雷達同步輪系所用聯(lián)軸器的設計改進作了介紹。

2 運動仿真和受力分析計算

十字滑塊聯(lián)軸器工作時，同步輪系軸驅動與之夾緊固定的半聯(lián)軸器1，通過半聯(lián)軸器1、中間圓盤和半聯(lián)軸器2的相對運動，最終驅動與半聯(lián)軸器2夾緊固定的微電動機軸的旋轉。圖1所示的坐標系中，不考慮Z向坐標，假設半聯(lián)軸器1和半聯(lián)軸器2之間存在0.05 mm的徑向偏移，中間圓盤轉動中心坐標(0, 0)，半聯(lián)軸器1的轉動中心坐標(0, 0.03)，半聯(lián)軸器2的轉動中心坐標(0.04, 0)，聯(lián)軸器工作過程中，中間圓盤的運動為繞Z軸的旋轉運動和在垂直于Z軸的平面的平移運動的合成，平面內的平移運動即為中間圓盤與半聯(lián)軸器的相對滑動。應用NX UG軟件運動仿真模塊，得到同步輪系軸旋轉1周時半聯(lián)軸器與中間圓盤相對位移時間關系如圖2所示。

圖2 半聯(lián)軸器與中間圓盤相對位移時間關系圖

當半聯(lián)軸器的凸榫彎曲、接觸面潤滑不良等導致凸榫無法在凹槽內自由滑動時，中間圓盤無法按圖2數據做平移運動，同步輪系軸和微電動機軸都會受到附加的變化的徑向力作用。在變應力下工作，軸的受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 微電動機軸受力示意圖

下述以微電動機軸固定部位為例，進行疲勞強度的計算。

(1)

式中，P是軸所受的徑向力，單位為N；E是鋼的彈性模量，取206 GPa；I是形心軸慣性矩，單位為m4；y是與中間圓盤相對滑動的最大值，單位為m；l是微電動機軸的懸臂長度，單位為m。

(2)

式中，σ是軸上的正應力，單位為N/m2；M是軸所受的彎矩，單位為N·m；W是軸的抗彎截面模量，單位為m3。

微電動機軸的材料選40Cr，并進行調質處理。根據式1、式2和圖3，可得出微電動機軸根部截面上的最大正應力σmax和最小正應力σmin[3]，結合軸所用材料的對稱循環(huán)疲勞極限σ-1、脈動循環(huán)疲勞極限σ0、彎曲疲勞極限的綜合影響系數Kσ等，可得到零件的極限應力線AGC(見圖4)。微電動機軸的所受力為對稱循環(huán)的力，工作應力點(0, 618)在極限應力折線之上，不滿足疲勞強度要求，反推可得，滿足疲勞強度所允許的兩軸間的徑向偏移很小(≤0.025 mm)；因此，要使十字滑塊聯(lián)軸器正常工作，應保證中間圓盤和半聯(lián)軸器間的靈活滑動。

圖4 零件的極限應力線圖

3 設計改進

3.1 初始設計

某艦載雷達所處的環(huán)境為海洋氣候環(huán)境，具有高溫、高濕和高鹽霧的特點，這種氣候使金屬材料易發(fā)生腐蝕、非金屬材料易發(fā)生老化；因此，聯(lián)軸器的材料選擇不銹鋼，可避免出現(xiàn)非金屬的老化[4]，同時不銹鋼的優(yōu)良防腐蝕性能可提高設備的環(huán)境適應性。

為了保證半聯(lián)軸器與中間圓盤間的相對靈活滑動，對接觸面的表面粗糙度、尺寸公差和幾何公差都提出了相應的要求。半聯(lián)軸器通過擰緊十字槽盤頭螺釘來實現(xiàn)與軸的夾緊，從而保證轉動的同步。裝配時，要求十字槽盤頭螺釘帶螺紋膠緊固，半聯(lián)軸器與中間圓盤的接觸面涂潤滑脂，確保半聯(lián)軸器與軸的同步轉動和半聯(lián)軸器與中間圓盤的相對滑動。

3.2 存在問題

十字滑塊聯(lián)軸器使用過程中存在的問題如下。

1)十字滑塊聯(lián)軸器設計時，若凸榫寬度尺寸不變，增大長度方向尺寸，雖然可減小同步最大誤差角和最大回程誤差，但凸榫的長寬比的增加會降低凸榫的剛度，使其易于發(fā)生變形。一方面體現(xiàn)在零件加工過程中容易變形，凸榫長度方向直線度不能保證；另一方面體現(xiàn)在十字盤頭螺釘擰緊時，凸榫長度方向兩端會產生明顯的彎曲，裝配時需要修配凹槽或凸榫的寬度才能滿足裝配要求，這種做法會降低傳動的精度。

2)奧氏體不銹鋼材料的防腐性能雖然好，但耐磨性一般。

3)十字盤頭螺釘擰緊力矩小，動載荷下容易松動。

隨著聯(lián)軸器工作時間的增長，上述3點對聯(lián)軸器滑動靈活性的減弱可能會越明顯。

3.3 設計改進

針對上述問題，對十字滑塊聯(lián)軸器進行如下設計改進。

1)從零件的形狀角度考慮，增加其剛度。對半聯(lián)軸器的形狀改進如圖5所示。凸榫部分寬度由3 mm增加至6 mm，減小了長寬比；凸榫形成一個整體，不被中間圓孔打斷；凸榫與底座的連接面積由10.26 mm2增加至32.72 mm2(此值為線切割割槽后的最終值)。這些措施都大大地增加了凸榫的剛度，減小了變形。

圖5 半聯(lián)軸器三維圖

2)從選擇的材料角度考慮，滑動摩擦副選擇具有減摩性、耐磨性的材料?；瑒幽Σ粮钡闹虚g圓盤材料由不銹鋼改為減摩性高的錫青銅，半聯(lián)軸器選擇調質處理的合金鋼40Cr。半聯(lián)軸器表面做QPQ處理，維氏硬度≥650 HV。QPQ處理的高硬度顯著增加了耐磨性，同時也提高了零件的防腐性能。滑動摩擦接觸面的表面粗糙度要求由

3)從保證螺紋預緊力角度考慮，螺釘選用擰緊力矩大的品種。將十字頭盤頭螺釘改為內六角圓柱頭螺釘，以增大擰緊力的作用半徑，從而增大擰緊力矩，有利于動載荷下的防松。

3.4 試驗驗證

中間圓盤和半聯(lián)軸器的材料、形狀按上述改進并完成加工后，不帶螺釘做凸榫和凹槽間的相互滑動，與改進前的結構比較，能明顯感到摩擦力的減小，滑動非常輕松、靈活。但安裝內六角圓柱頭螺釘后，隨著螺釘的擰緊滑動靈活性在逐漸減弱。

將中間圓盤凹槽與半聯(lián)軸器的凸榫配合在一起，擰緊半聯(lián)軸器上的螺釘。通過測量圖5b中縫隙的大小來量化內六角圓柱頭螺釘擰的松緊程度，同時對應地觀察滑動靈活性的變化情況。結果發(fā)現(xiàn)，縫隙越小，螺釘擰得越緊，滑動越不靈活。對應測試情況進行理論計算分析發(fā)現(xiàn)，計算結果與測試過程吻合。半聯(lián)軸器上的螺釘擰緊時，圖5b中的夾緊片繞轉動中心轉動，與其關聯(lián)的凸榫的A、B兩端轉動同樣的角度，由于凸榫A、B兩端距離轉動中心遠，因轉動引起的切向位移相對較大，即凸榫發(fā)生一定的彎曲，導致滑動靈活性減弱。為了將底座兩端的旋轉變形與凸榫部分隔離，采取線切割方式在凸榫A、B兩端向中心方向分別割一個寬度為0.13 mm、深度為8 mm的槽。再做上述滑動試驗，結果發(fā)現(xiàn)，滑動靈活性基本恢復到了擰緊螺釘前的水平。

4 結語

滑動靈活性是十字滑塊聯(lián)軸器正常工作所必須保證的。本文針對一種十字滑塊聯(lián)軸器的工作環(huán)境和使用情況，在初始設計的基礎上，對其關鍵零件的形狀、材料和螺釘品種等方面進行了設計改進，使其在不降低傳動精度的前提下，滑動靈活性得到了提高，取得了良好的實際使用效果。