航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第2期 No.2 1999



双曲柄联轴器的设计原理与性能分析

王　云
　　[摘要]　介绍了一种新型联轴器——双曲柄联轴器，并对其设计原理及主要性能特点进行了简要分析。
　　关键词：双曲柄联轴器　设计原理　性能分析
Design and Analysis of Double_Crank_Shaft_Coupling
　　[ABSTRACT]　In this paper, a new type of shaft coupling:double_crank_shaft_coupling is introduced. Its design principle and function characteristics are simply analyzed.
　　Keywords: Double_crank_shaft_coupling　Design principle　Function analysis
　　联轴器用于轴与轴的联接，是传递运动和转矩的一种重要的轴系零部件。从传递运动的角度看，它是一种能实现从动件整周回转的传动机构，如广为人知的十字滑块联轴器、万向节联轴器、施密特联轴器等都可以看作是这种类型的联轴器。本课题根据双曲柄机构的结构原理及运动特性开发设计了一种新型联轴器——双曲柄联轴器。这种联轴器在制造安装、相对位移补偿以及平衡等方面具有独特的优点。
1　结构原理
　　图1所示是一个双曲柄联轴器的运动简图(a)及结构示意图(b)。从运动简图可以看出这是一个双曲柄机构，轮1，3分别与两轴相联，同为双曲柄机构的两个曲柄；轮2为连杆，两轴的径向位移可视作双曲柄机构的机架长。与单万向节联轴器相似，当主动轴匀速转动时，从动轴将作周期性的变速转动，其速度波动取决于两轴的径向位移及各运动尺寸。当两轴严格对中时，恒有ω1=ω3。

图1　双曲柄联轴器运动简图及结构示意图
Fig.1　Motion and structural diagram
of double_crank_shaft_coupling
2　尺寸综合及运动分析
　　在双曲柄联轴器的尺寸综合中，考虑到联轴器可能的正反转，取两曲柄等长，即LAB=LCD=L，记两轴间距为LAD=d，连杆长为LBC=b(见图2)。由图2的分析可得：传动比i=ω1/ω3＝P13D/P13A，i随速度瞬心P13的位置变化而变化，因此要获得较为稳定的传动比，应使P13尽可能远离A，D。由双曲柄机械的结构条件可知，如b≠d，则曲柄不能与连杆共线，所以P13只能位于AD线段的外侧。当两曲柄分别与机架共线时，P13将位于B1及C2两点，显然，如能避免P13进入B1C2线段，即B1，C2分别为P13的右极限点和左极限点，则可获得最为稳定的传动比。要达到该目的，由图2可知，应使∠DB1C1＝90°和∠AC2B2＝90°，即当b2＝L2-(L-d)2时，该双曲柄机构有最稳定的传动比：1-d/L≤ω1/ω3≤1+d/(L-d)，传动比最大偏差率为Δimax=ω1/ω3-1=d/(L-d)。如d=0.5 mm，L=50 mm时，Δimax=1.01%，可满足一般的传动要求。其传动比i随时间t的变化曲线见图3。如两轴相对偏差较大(d/L≥0.02)，或要求从动轴有较稳定的转速时，可类似双万向联轴器，用两个相同的双曲柄联轴器组合使用，见图4，此时恒有ω1＝ω3。

图2　双曲柄联轴器的运动分析图
Fig.2　Motion analysis diagram
of double_crank_shaft_coupling

图3　双曲柄联轴器传动比i(t)变化曲线
Fig.3　Varying curve of transmission ratio i(t) 
of the double_crank_shaft_coupling
　　曲线1　d/L=0.02:imax=1.020 4;imin=0.988 8。
　　曲线2　d/L=0.01:imax=1.010 1;imin=0.990 0。
　　曲线3　d/L=0.002:imax=1.002 0;imin=0.998 0。

图4　组合双曲柄联轴器结构简图
Fig.4　Stuctural diagram 
of complex double_crank_shaft_coupling
3　性能分析
3.1　最小传动角
　　最小传动角是衡量机构传力性能的重要参数。在双曲柄机构中，最小传动角出现在曲柄与机架共线的位置。考虑正反转情况和尺寸关系：b2=L2-(L-d)2；b>d,并求得最小传动角为γmin=cos-1(b/L)，如图2所示。当d=0.5 mm，L=50 mm时，有b=7.05 mm，γmin＝81.89°，显然联轴器具有较大的最小传动角，传力性能较佳(可以证明当b2=L2-(L-d)2时，此机构有最大的最小传动角)。
3.2　位移补偿性能
　　在双曲柄机构中，当机架长度在一定尺寸范围内变化时，除了传动比波动稍有改变外，对运动的传递并无大碍。因此双曲柄联轴器能较好地适应两轴在安装或运转过程中的径向偏移，尤其在联合采用两个联轴器工作时，可以适应两轴间较大的径向偏移。另外，如在一摆转副处装上调心球轴承(调心球轴承宜装在转动副C处，此处空间结构较为有利，见图1)，还将具有一定的角位移补偿能力，所以双曲柄联轴器可具有较强的综合位移补偿能力，对轴的刚性及对中性要求较低，安装方便。
3.3　平衡与振动性能
　　双曲柄联轴器在结构上可看作是两个相连的实心圆盘，很显然，该两实心圆盘的重心将始终落在两轴轴心A，D处(见图1)，因此在运转过程中，整个联轴器的重心落在AD连线的某点上，即位于机架上，可见偏心轮盘联轴器的平衡减振性能较好，相对来说，可用于较高转速的场合。另外，由双曲柄机构的结构特点可知，代表两轴间距的机架长度发生变化时，除了传动比稍有改变外，对运动的传递并无大碍，所以可采用隔离响应的方法进行隔振，即可通过在主动轴上采用弹性支承的办法，使主动轴在运动过程中产生的横向振动与从动轴隔离开来，但对扭转振动则无法有效隔离。当然，由于在单个双曲柄联轴器中有不可避免的速度波动，也会由此产生一定的附加动载荷，但其速度波动一般较为有限，其从动轴角加速度ε(t)变化曲线见图5。如在中间偏心轮2上装尼龙减振套，则其吸振缓冲性能将会更好。

图5　双曲柄联轴器从动轴角加速度ε(t)变化曲线
Fig.5　Varying curve of angle accelerationε(t) 
of the driven shaft of double_crank_shaft_coupling
　　曲线1　d/L=0.02:εmax=2.429 3×10－4；
　　　　　εmin=-1.981 9×10－4。
　　曲线2　d/L=0.01:εmax=1.177 9×10－4；
　　　　　εmin=-1．021 2×10－4。
　　曲线3　d/L=0.002:εmax=2．263 9×10－5；
　　　　　εmin=-2．124 8×10－5。
3.4　传动效率
　　在双曲柄联轴器中，两个摆转副处的实际摆角较小，一般小于30°，摩擦损耗较小，其传动效率可近似参照一对滑动轴承的效率计算。如在摆转副处装上滚动轴承，则按一对滚动轴承的效率计算，一般η=0.97～0.99，精确值可由试验测定。
4　结束语
　　本文介绍的双曲柄联轴器是一种新型的机械型的挠性联轴器，该联轴器设计原理新颖，结构简单，安装维护方便，使用性能有其独特的优点，可用于高速重载以及有隔振要求的场合，是一种具有较好应用前景的新型联轴器。

作者单位：王　云（南昌航空工业学院）
(责编　根　山)
