專利名稱:軸與軸間相互相連接用萬向接頭的制作方法
本發(fā)明涉及一種用于軸與軸之間相互連接用的萬向接頭，該軸具有一個金屬輸入盤和一個金屬輸出盤，上述金屬盤至少通過一個金屬膜片或一個膜片環(huán)疊層進(jìn)行連接的。
這種類型的萬向接頭不需要潤滑或維修，并且在工業(yè)和船用的重載荷驅(qū)動和推進(jìn)系統(tǒng)中日益獲得廣泛地應(yīng)用。對于空間的考慮常常使人們把接頭部分的直徑尺寸進(jìn)行很大程度的壓縮。但是，它需要傳遞的扭矩就要求相應(yīng)地增加大量的螺紋緊固件用以把膜片環(huán)連接在輸入盤和輸出盤上。其結(jié)果使這種接頭的彈性性能即其軸向彈性和角向彈性都將在很大程度上受到限制，并且會由于過早地產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致這種接頭很可能發(fā)生失效。
人們已經(jīng)知道，在這種類型的萬向接頭中，通過四個，六個，八個，十個或更多的螺紋緊固件將膜片環(huán)交替地固定在輸入盤和輸出盤上，該螺紋緊固件安置在一個節(jié)圓上相互間是等距離的，輸入盤上的每個螺紋緊固件是通過從一個接一個的螺紋緊固件構(gòu)成膜片環(huán)的連接元件進(jìn)行傳遞把對應(yīng)比率的扭矩傳遞到輸出盤上鄰近的螺紋緊固件上。例如，一個具有四個螺紋緊固件的萬向接頭，有二個輸入螺紋緊固件和二個輸出螺紋緊固件，一個具有六個螺紋緊固件的萬向接頭，是有三個驅(qū)動和三個輸出螺紋緊固件以此類推。該接頭的軸向剛性隨著螺紋緊固件的數(shù)量的增加而急驟地增加，而在膜片環(huán)上的在緊固部位上的局部應(yīng)力集中也在相當(dāng)大的程度上限制著這種接頭的性能。
利用螺紋緊固件把膜片環(huán)和金屬盤固定在一起的常規(guī)方法是使用帶環(huán)形彎邊的圓墊片，其目的是為了當(dāng)接頭發(fā)生角向位移而將膜片環(huán)彎曲時，避免發(fā)生過應(yīng)力狀態(tài)。
本發(fā)明的一個目的是創(chuàng)制出一種前面所述這種類型的萬向接頭，表明該萬向接頭能夠比已知的具有相等的總體尺寸的萬向接頭傳遞大得多的扭矩，而且還能保持其軸向和角向彈性性能。本發(fā)明的另一個目的是創(chuàng)制一種萬向接頭使其在膜片環(huán)的緊固部位避免發(fā)生過應(yīng)力。
所以，按照本發(fā)明，從一種前面所描述的類型的萬向接頭開始，即該萬向接頭用于連接帶有金屬輸入盤和金屬輸出盤的兩個軸，金屬輸入盤和輸出盤通過至少一個金屬膜片環(huán)或疊層膜片環(huán)相連接，該膜片環(huán)通過均勻分布在其上的一個圓周上成雙的螺紋緊固件的第一組緊固件緊固在輸入盤上，并通過均勻成對分布在圓周上和在圓周方向上與第1組緊固件相疊的第二組螺紋緊固件把該膜片與輸出盤緊固在一起，其特征在于，輸入盤和輸出盤的相互連接至少通過兩個平行連接的膜中環(huán)進(jìn)行的，該膜中環(huán)都設(shè)置在二個圓周位置上相互間偏置半個節(jié)矩，或小至同一個組內(nèi)兩個相鄰緊固件之間的節(jié)距，兩個膜片環(huán)上的緊固件都設(shè)置在同一個節(jié)圓上，或在兩個相鄰的同心節(jié)圓上，而且兩個膜片環(huán)都在其圓周上的兩個相鄰的緊固件之間形成一個一定深度的“縮頸”，這樣使圓周邊向著另一個膜片環(huán)的緊固件的內(nèi)側(cè)徑向延伸。
所創(chuàng)制的膜片環(huán)在圓周的方向上作為若干個元件能夠用以代替一個整體的膜片環(huán)。
本發(fā)明所提供的主要優(yōu)點(diǎn)是，采用兩個平行的連接起來的膜片環(huán)，基本上能夠傳遞兩倍于單一的膜片環(huán)所傳遞的扭矩，而且不損失任何彈性。這一效果的達(dá)到，是因?yàn)楦鱾€膜片環(huán)都是“縮頸”(necked)的，為了達(dá)到使用2n個螺紋緊固件的兩片膜片環(huán)的疊合，以便使該種萬向接頭能夠傳遞使用2n個螺紋緊固件所能傳遞的扭矩，而其所具有的彈性僅僅是n個螺紋緊固件的一個膜片環(huán)的彈性大小。
為了避免在夾緊區(qū)部位的過應(yīng)力，將金屬支承安置在膜片環(huán)的兩側(cè)的夾緊區(qū)部位是有好處的。最好該支承板是可撓曲回彈的。
該支承板在夾緊區(qū)部位，將膜片環(huán)進(jìn)行支持，并防止出現(xiàn)過如在墊片的彎邊處可能發(fā)生的小的彎曲半徑。
本發(fā)明的各個實(shí)施例，將在下面結(jié)合附圖的顯示進(jìn)行更為詳細(xì)地描述，其中圖1至圖3都是三個已知的膜片環(huán)的平面圖，用以顯示螺紋緊固件的通道，夾緊盤和對彈性起決定作用的各種連接的對應(yīng)的跨距;
圖4是本發(fā)明的具有兩個膜片環(huán)疊在一起的平面視圖，每個膜片環(huán)由四個用作螺紋緊固件的通道構(gòu)成;
圖5是一個凸面膜片環(huán)側(cè)視圖;
圖6是一個本發(fā)明的具有八個螺紋緊固件的萬向接頭的平面圖;
圖7是按照本發(fā)明的一個膜片環(huán)上夾緊區(qū)部位的許多個局部視圖，包括局剖視圖;
圖8和圖9是顯示一個常規(guī)的膜片環(huán)的夾緊區(qū)部位的局部視圖。
參看圖1，膜片1顯示一個典型的四螺栓的結(jié)構(gòu)，它具有兩個驅(qū)動螺栓2和3，和兩個從動螺栓4和5。夾緊墊片6使螺栓2至螺栓5的鏈環(huán)中可有一個自由的撓曲長度L1。
圖2顯示一個帶有三個驅(qū)動螺栓7，8和9和三個從動螺栓10，11和12的六螺栓膜片，它具有一個自由撓曲長度L2。
圖3顯示一個帶有四個驅(qū)動螺栓13，14，15和16的和四個從動螺檢17，18，19和20的八螺栓膜片，它具有一個自由撓曲長度L3。
圖4顯示按照本發(fā)明的四螺栓膜片的一個八螺栓雙聯(lián)結(jié)構(gòu)。顯示出四個驅(qū)動螺栓21，22，23和24與從動螺栓25，26，27和28相鄰成對。在圖1中所指出的自由撓曲長度是L1，其中L1≌2.5×L3。從以下的分析中已經(jīng)表明在驅(qū)動螺栓和從動螺栓之間的相對軸向位移導(dǎo)致在鏈環(huán)中所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力和軸向反作用力如下在圖3中所示的八螺栓聯(lián)軸器中，其軸向反作用力約比圖4中的八螺栓聯(lián)軸器的軸向反作用力約大15倍。同樣地，與其相對應(yīng)的拉伸應(yīng)力將比圖4中的約大6倍。
圖5顯示兩個緊靠著的膜片鏈環(huán)29并帶有其配合夾緊墊片30，31和32。圖中顯示出膜片已撓曲如33所示位置，其跨距L已伸長如圖中所示。
F＝Ea( (y)/(L) )3S＝ (E)/2 ( (y)/(L) )2此處F＝由兩相鄰的鏈節(jié)造成的軸向推力S＝在鏈環(huán)中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力y＝膜片的軸向變形量L＝1個鏈節(jié)的自由長度a＝1個鏈節(jié)的橫載面積E＝膜片材料的彈性模量由上述表達(dá)式中表明，聯(lián)軸器的軸向剛性與鏈節(jié)自由長度的立方成反比，而所產(chǎn)生的應(yīng)力與自由長度的平方成反比。這就解釋了權(quán)利要求
中的關(guān)于圖4中所示的結(jié)構(gòu)優(yōu)于圖3所示的結(jié)構(gòu)。同樣的考慮可以應(yīng)用于高數(shù)量級即10，12個螺栓等型的聯(lián)軸器。
以舉例的方式，由圖6中顯示出結(jié)合圖4中所示的原理的一個標(biāo)準(zhǔn)的八螺栓結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器。兩個相同的剛性環(huán)34和35支撐著一個雙聯(lián)膜片結(jié)構(gòu)。螺栓36，37，38和39將兩片膜片疊層的驅(qū)動角部夾緊在驅(qū)動聯(lián)軸器半環(huán)34上，而螺栓40，41，42和43將兩片膜片疊層的從動角部夾緊在從動聯(lián)軸器半環(huán)35上。可以很方便地利用許多個較小的螺紋孔44把驅(qū)動環(huán)固定在驅(qū)動軸轂上，并利用相對應(yīng)的從動環(huán)35上的螺紋孔45經(jīng)過聯(lián)軸器墊片，然后經(jīng)過一個與圖6所示結(jié)構(gòu)相的第二撓性聯(lián)軸器最后固定在從動軸上。
圖8和圖9表示當(dāng)前采用的螺接方法把撓性膜片固定到剛性軸轂上的一些缺點(diǎn)，而圖7則顯示本發(fā)明所提供的解決辦法。
圖8顯示出一個膜片疊層46螺接在剛性法蘭47上，其變形情況如圖5所示，它被夾緊在A處具有銳邊的兩個墊片48和49之間。在各鏈節(jié)中的拉伸力T由于以下原因增大了(a)通過聯(lián)軸器傳遞的扭矩，(b)由圖5中所示的變形。在A處的應(yīng)力值是以下三個附加應(yīng)力的和(a)由拉伸力T產(chǎn)生的應(yīng)力。
(b)由拉伸力T在A處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。
(c)由于墊片49和膜片在A處相接觸的性質(zhì)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
圖9顯示用以減低上述的彎曲應(yīng)力(b)和應(yīng)力(c)流行的采用的方法。夾緊墊片50和51上在曲彎半徑
的B處，有切成圓弧的邊，形成一個從直徑D1延伸至D2的圓弧形表面C。這種方法具有以下缺點(diǎn)(a)任何試圖增加半徑
值以便降低膜片中的彎曲應(yīng)力的任何嘗試，都將同時導(dǎo)致減小D1值，從而損害了膜片的良好的夾緊情況。
(b)在變形的狀態(tài)下，膜片則趨于繞著與拉伸力T成直角的一個X-X軸進(jìn)行彎曲。在墊片50和膜片之間D處的支承接觸是在與X-X軸成直角的Y-Y面上，使彎曲膜片的‘a(chǎn)’和‘b’部分完全脫離支承，從而根據(jù)拉伸力T，在D處產(chǎn)生一個復(fù)雜的應(yīng)力特性曲線。
圖7顯示一個按照本發(fā)明的懸壁支承，它不產(chǎn)生上面所述的各種弊端。圖中所示的膜片疊層52被夾緊在圓墊片53和54與兩個附加支承55和56之間，該附加支承帶有與膜片的角部相似的輪廓。在一個矩形截面的彎板中，其應(yīng)力與曲率的關(guān)系如下S＝ (Eτ)/(2ρ)此外S＝彎曲應(yīng)力τ＝板的厚度ρ＝彎曲的曲率
E＝材料的彈性模量這類板的設(shè)計的主要特征如下(a)板的各部分的比例，即板的厚度
和它的懸伸長度L可以進(jìn)行選擇以增大曲率半徑
，由此通過迫使它按照板的曲率來降低膜片的曲率和應(yīng)力。
(b)板和它靠近的膜片繞著X-X軸彎曲，以便避免在圖9所示的D處的應(yīng)力集中。
(c)板的合理的長度L可以用來對曲率
值進(jìn)行優(yōu)化，而且這對于圖4所示的具體的鏈節(jié)長度L1尤其可能。
(d)板55和56僅僅受到膜片所施加的彎曲力，而這種彎曲力對于影響膜片鏈節(jié)的應(yīng)力集中的拉伸力是無關(guān)的。
(e)這些板不促成扭矩也不受由聯(lián)軸器傳遞的扭矩的影響。它們可以采用與通常用于制造膜片的不同的材料制成，因此它們可以承受超過一般所述對膜片所能承受的彎曲應(yīng)力。
(f)所述的這些板最好是作為彈性元件來要求，即當(dāng)處于自由狀態(tài)時通常是平面的。也可以以預(yù)成形的方式制造成如圖中所示板55的形狀。
權(quán)利要求
1.一種萬向接頭用于帶有金屬輸入盤和金屬輸出盤的軸與軸之間的相互連接，這種連接通過至少一個金屬膜片或一個金屬膜片疊層實(shí)現(xiàn)的，該膜片環(huán)是通過一個均勻分布在其上的圓周上成雙的第一組緊固件與輸入盤緊固在一起，并通過均勻成對分布該圓周上和在圓周方向上與第1組的緊固件相疊的第二組緊固件把膜片與輸出盤緊固在一起，其特征在于其中輸入盤和輸出盤的相互連接至少通過兩個平行連接的膜片環(huán)進(jìn)行的，該膜片環(huán)都設(shè)置在二個圓周位置上相互間偏置半個節(jié)距，或者小至同一個組內(nèi)兩個相鄰緊固件之間的節(jié)距，兩個膜片環(huán)上的緊固件都設(shè)置在同一個節(jié)圓上，或者在兩個相靠近的同心節(jié)圓上，而且兩個膜片環(huán)都在其圓周上的兩個相鄰的緊固件之間形成一個一定深度的“縮頸”，這樣以便使圓周邊向著另一個膜片環(huán)的緊固件的內(nèi)側(cè)徑向延伸。
2.如權(quán)利要求
1所述的接頭，其特征在于每個膜片環(huán)包括許多個在圓周方向的元件。
3.如權(quán)利要求
2所述的接頭，其特征在于每個膜片環(huán)包括有與其相配合的螺紋緊固件的數(shù)目相應(yīng)的許多個相同的元件。
4.如權(quán)利要求
1至3所述任何一項(xiàng)要求的接頭，其特征在于金屬支承板都是設(shè)置在膜片環(huán)的夾緊區(qū)部位，即在膜片環(huán)的兩側(cè)面的螺紋緊固件處。
5.如權(quán)利要求
4所述的接頭，其特征在于各個支承板都是具有回彈撓曲性的。
專利摘要
在連接兩個金屬部分的聯(lián)軸器的帶撓性膜片的萬向接頭中，該萬向接頭可以利用四個或更多的螺紋緊固件將該兩個金屬部分緊固在一起，以便具有軸向和角向彈性，這些螺紋緊固件相互等距離地設(shè)置在一個圓周上或相靠近的兩個同心的圓周上。采用至少兩個平行的連接的膜片環(huán)所能傳遞的扭矩基本上等于單一的膜片環(huán)萬向接頭的兩倍，而下?lián)p害其彈性性質(zhì)。主要是通過在膜片環(huán)上每個螺栓緊固件的通道鄰近部位形成“縮頸”達(dá)到的。為了在夾緊區(qū)部位避免過應(yīng)力，將金屬支承板設(shè)置在膜片環(huán)的兩側(cè)的夾緊區(qū)部位，而且該支承板最好是可撓曲回彈的。
文檔編號F16D3/79GK87105237SQ87105237
公開日1988年2月10日 申請日期1987年7月25日
發(fā)明者約翰·康斯坦丁·格雷 申請人:哈克福恩股份公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan