金属弹性联轴器

　
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弹性联轴器的性能主要取决于所采用的弹性元件。弹性元件分金属弹性元件和非金属弹性元件。非金属弹性元件主要是橡胶弹性元件，它具有弹性模量范围大、内摩擦大、重量轻、阻尼性能好、无机械摩擦等优点，但橡胶强度低、易蠕变、易老化、耐油耐热性差、振动剧烈时要注意温升，另外负荷性能不稳定(由于制造时硬度偏差较大)。金属弹性元件强度高，传递载荷能力大，使用寿命长，受温度影响小，但成本较高．常用材料为高强度的弹性钢，如60Si2Mn和50CrVA等。其结构形式主要有：簧片、卷簧、蛇形弹簧、膜片(盘)、圆柱弹簧等。本文从专利文献的角度，对金属弹性轴联轴器的技术发展作简要回顾。同时，文章对所介绍国外专利的有效期、在华申请情况等也作了介绍。
弹性联轴器是用来调整传动装置轴系扭转振动特性，补偿因振动、冲击引起的主、从动机轴线位移，并不间断地传递转矩和运动的一种设备。它广泛用于柴油机动力装置以及具有较大干扰力矩的传动装置轴系中，以实现减振降噪的目的，并起到保护主、从动机和提高整个传动装置运行可靠性的作用。


（一）风箱形（bellows-type）金属弹性联轴器

1985年日本Mochizuki; Masanori等人发明了一种金属风箱型弹性联轴器，申请美国专利US4645473（申请日1985.06.25授权公告日1987.2.24）。该联轴器两侧具有螺纹圆柱部件，部件的外表面具有锥形的螺纹，结构见图2。该专利已经到期。

1999年德国Chr.Mayr GmbH & Co.KG也发明了用于两轴相互传输扭矩的金属风箱型弹性联轴器，申请美国专利US6413164（申请日1999.03.19授权公告日2002.07.02），结构见图3。

（二）格栅形（Grid-type）金属弹性联轴器

格栅形弹簧联轴器以20世纪60年代开始美国FALK公司开发的专利产品为代表。其较早申请的专利US3079773（申请日1961.4.20授权公告日1963.3.5）弹性联轴器，使用连续的蛇形金属格栅作为弹性扭矩传输部件，结构见图1。

该公司后续申请的专利对相关技术进行了改进，如US4413980（申请日1981.02.24授权公告日1983.11.08）用于连接从动轴和驱动轴的弹性联轴器，包含一对毂联接到各自的旋转轴上，每个毂具有轴向伸出的齿，两毂之间为格栅形扭矩传送元件，包含许多直的金属横档，其端部聚集到一弹性体部件中。

随着时间推移，这2件专利都已成为过保护期的专利。其它类似的相关专利还有US4925431（申请日1988.03.10授权公告日1990.05.15），其申请了加拿大专利CA1317773、世界专利WO1989009346、澳大利亚专利AU198932891、欧洲专利EP363463、日本专利JP2503946，未进入中国，且即将到期。

（三）簧片式（spring-type）金属弹性联轴器

簧片式弹性联轴器又称盖斯林格联轴器，该型联轴器弹性元件由淬火硬化弹簧钢制造的簧片组组成。该联轴器的特点是阻尼性能好、扭转弹性优良，但安装复杂、使用要求高(如需滑油冷却)、补偿位移能力较小、转动惯量大、造价高、维修性差等。

1980年奥地利GEISLINGER & CO SCHWINGUNGSTECHNIK GMBH申请的德国专利DE3033302（申请日1980.09.04公开日1981.04.23）作为扭转减震器的弹性联轴器，包含由楔形物夹紧的页状弹簧束。在弹簧束(1)和中间片(2)之间轴向驱动箝位楔(4)。薄垫片(7)与楔连同，以俘获偏差，结构见图6。该专利还申请了奥地利专利AT197906540，未进入中国，现这些专利保护期已届满。

1998年该公司申请的德国专利DE19839470（申请日1998.08.29公开日1999.03.25）通过内部件(1)和外部件(2)之间的弹簧部件(3)传送扭矩，节流点(7)使液体填充的腔体(6)相互连接，用泵向腔体供液，通风管(10)自腔体引出后回到逆流腔，其截面小于节流点，结构见图7。该专利还申请了奥地利专利并被授权AT405866，申请了日本专利并被授权JP3772323，未进入中国。

该公司就簧片式金属弹性联轴器申请了多项专利，除了上述两件之外，还包括DE3023300、US4262499、GB2001731、US4104891。该类产品获得了商业上的成功，商品名为Classic Geislinger Coupling，是一类扭转弹性的高阻尼联轴器，使用沿半径方向排列的钢弹簧束作为弹性元件，分51H、51U、81N、81H、81U、125N、125H、125U、185N等系列，和B、BC、BE、C、F等标准类型。扭矩最高可达1800kN以上。

（四）膜片式（membrane-type）金属弹性联轴器

德国CENTA公司在传动系统开发方面处于国际比较领先的地位。1994年CENTA-ANTRIEBE KIRSCHEY发明了圆环形并排金属膜作为弹性元件的弹性联轴器，申请美国专利US5545090（申请日1994.02.15授权公告日1996.08.13），结构见图4。该专利还申请了欧洲专利EP0611895、日本专利JP6323339、德国专利DE4304611，但未进入中国。后来该发明产品获得了商业上的成功，商品名为CENTAX-M系列，用于轮船推进，采用双钢膜作为弹性元件，扭矩范围12.5-160kN以上。

其实，膜片式金属弹性联轴器的发明构思最早在20世纪70年代就已经出现。1974年MCNAMEE A申请的美国专利US3959988（申请日1974.11.08授权公告日1976.06.01）高强度联轴器包含许多凹环金属膜片，半径截面方向的厚度恒等，结构见图5。该专利还申请了英国专利GB 1443217，未进入中国，现保护期已届满。

（五）绕线式金属弹性联轴器

1989胡年丰申请的中国实用新型专利ZL89217780.2（申请日1989.10.06公开日1991.04.10）一种高弹性联轴器，用于动力机械主从轴系的弹性联接。周向均列的弹性元件１联接于联轴器的主从毂体４、５，由多股钢丝绞合线经金属夹板固联成的弹性元件的螺旋环状弹性体构成了联轴器主从毂体间环形自由变形空间，联轴器主从毂体在轴向、径向和轴倾角等方向通过环形自由变形空间构成弹性位移补偿特征。适用于船用主、辅机，内燃机，柴油机，电动机和液压马达等驱动的各类（特别是设有单层或双层弹性隔振基础）动力装置的轴系联接，结构见图8。该项专利申请于1991.12.04被授权，1993.08.25公告专利权终止(未缴年费专利权终止)。

1998年奥地利GEISLINGER & CO SCHWINGUNGSTECHNIK GMBH申请的欧洲专利EP943827（申请日1998.12.14公开日1999.9.22）用于扭矩传递驱动连接的联轴器部件，包括筒形本体(2)、端面凸缘(3,4)和反向螺旋线绕线组(21,22)。绕线组包括缠绕长度上的线(5,6),绕线组之间相互留有距离。相邻线之间的绕线相互连接于交叉点(7)，形成空腔(8)，结构见图9。该专利指定国包括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。进入奥地利并被授权AT406078，未进入中国。

（六）“弹簧钩套＋销子螺杆”式金属弹性联轴器

1970年奥地利GEISLINGER & CO SCHWINGUNGSTECHNIK GMBH发明的交通工具传输轴联轴器，具有扭矩弹簧和轴向位移柱塞，申请了德国专利DE2166436（申请日1970.09.30公开日1974.03.21），结构见图10。该专利保护期已届满。

1988年该公司就相关产品的改进申请了欧洲专利EP374344（申请日1988.12.15公开日1990.06.27）：弹性联轴器(1)有两个部件(2,3)和联锁连接凸缘(4,5)。后者具有弹簧皮带(6,7)用于传输扭矩，由紧配螺钉(9)闩住。一个连接凸缘(5)包含多个独立扇区(11)，每个独立扇区(11)形成一个弹簧带连接节(12)。优选扇区位于外连接凸缘上。每个扇区有两个螺栓孔用于连接到轴法兰上。可以补偿轴向、径向和管状轴位移。结构见图11。该专利指定国包括AT DE FR，未进入中国。

1997年再次改进的弹簧钩套＋销子螺杆式金属弹性联轴器，已申请德国专利DE19839451（申请日1998.08.29公开日1999.3.25），优先权AT 19971610 A 19970923。用于传送扭矩的弹性联轴器，两个销子螺杆(9,10)中至少一个(10)置于过大孔(12)中，与2个联轴器部件的凸缘(4,5)相连接。剩余环状间隙(13)由可硬化的填充材料(14)，优选合成树脂填充。连接凸缘带有沿半径的通道，与孔相通，结构见图12。该专利还申请了奥地利专利并被授权AT404977，未进入中国

三爪联轴器，水泵联轴器膜片联轴器结构
　　 膜片联轴器至少由一个膜片和两个轴套组成。膜片被用销钉紧固在轴套上一般不会松动或引起膜片和轴套之间的反冲。有一些生产商提供两个膜片的，也有提供三个膜片的，中间有一个或两个刚性元件，两边再连在轴套上。单膜片联轴器和双膜片联轴器的不同之处是处理各种偏差能力的不同，鉴于其需要膜片能复杂的弯曲，所以单膜片联轴器不太适应偏心。而双膜片联轴器可以同时曲向不同的方向，以此来补偿偏心。
膜片联轴器的特点
　　 膜片联轴器这种特性有点像波纹管联轴器，实际上联轴器传递扭矩的方式都差不多。膜片本身很薄，所以当相对位移荷载产生时它很容易弯曲，因此可以承受高达1.5度的偏差，同时在伺服系统中产生较低的轴承负荷。膜片联轴器常用于伺服系统中，膜片具有很好的扭矩刚性，但稍逊于波纹管联轴器。另一方面，膜片联轴器非常精巧，如果在使用中误用或没有正确安装则很容易损坏。所以保证偏差在联轴器的正常运转的承受范围之内是非常必要的。选择适合的联轴器是用好联轴器的关键一步，在设计阶段就得考虑选用什么类型的联轴器了。 　　联轴器与齿式联轴器相比，没有相对滑动，不需要润滑、密封，无噪声，基本不用维修，制造方便，可部分代替齿式联轴器。膜片联轴器在国际上工业发达国家应用已很普通，在我国已制订机械行业标准，最近已修订为新的行业标准：JB/T 9147-1999（代替ZB/T J19022-90） 联轴器各转矩间的关系。
膜片联轴器的正确选择
　　 膜片联轴器的正确选择： 　　1、 膜片联轴器至少由一个膜片和两个轴套组成。膜片被用销钉紧固在轴套上一般不会松动或引起膜片和轴套之间的反冲。有一些生产 商提供两个膜片的，也有提供三个膜片的，中间有一个或两个刚性元件，两边再连在轴套上。 　　2、 膜片联轴器这种特性有点像波纹管联轴器，实际上联轴器传递扭矩的方式都差不多。膜片本身很薄，所以当相对位移荷载产生时它 很容易弯曲，因此可以承受高达1.5度的偏差，同时在伺服系统中产生较低的轴承负荷。 　　3、 膜片联轴器常用于伺服系统中，膜片具有很好的扭矩刚性，但稍逊于波纹管联轴器。 　　4、 另一方面，膜片联轴器非常精巧，如果在使用中误用或没有正确安装则很容易损坏。所以保证偏差在联轴器的正常运转的承受范围之 内是非常必要的。 　　5、根据轴径调整型号： 　　初步选定的轴承联轴器联接尺寸，即轴孔直径d和轴孔长度L，应符合主、从动端轴径的要求，否则还要根据轴径d调整联轴器的规格。 　　主、从动端轴径不相同是普通现象，当转矩、转速相同，主、从动端轴径不相同时，应按大轴径选择联轴器型号。新设计的传动系统中， 应选择符合GBT3852中规定的七种轴孔型式，推荐采用J1型轴孔型式，以提高通用性和互换性，轴孔长度按i轴承联轴器产品标准的规定。
膜片联轴器的应用
　　 广泛用于各种机械装置的轴系传动，如水泵（尤其是大功率、化工泵）、风机、压缩机、液压机械、石油机械、印刷机械、纺织机械、化工机械、矿山机械、冶金机械、航空（直升飞机）、舰艇高速动力传动系统、汽轮机、活塞式动力机械传动系统、履带式车辆，以及发电机组高速、大功率机械传动系统，经动平衡后应用于高速传动轴系已比较普遍。