摘要：本文阐述附件传动装置球笼联轴器工作原理及设计过程，并将理论研究与当前产品进行对比，分析关键件的结构特点、加工精度难点，寻找最合理的加工方法及测量方法。对关键件进行结构分析和研究，提出球笼联轴器结构改进设计方案，解决球笼联轴器装配时组件配合间隙难以保证，交付前磨合试验升温快、噪音大等问题。
关键词：附件传动装置；联轴器；内外星形轮
1 引言
航空用球笼联轴器用于发动机传动装置与飞机附件传动装置之间的接口连接。由于发动机装配在飞机上时，发动机附件传动装置输出接口与飞机附件传动装置的输入接口中心不重合，为了满足连接要求，发动机附件传动装置与飞机附件传动装置的连接采用偏心装配的球笼联轴器。该联轴器不仅能传递功率和，同时还是有轴向距离调整及关节轴承自动调心功能，加工精度要求高，结构复杂。具有传动平稳、承载能力强、振动小、噪声低的优点。
航空用球笼联轴器不同于民用球笼万向联轴器，它的工作转速高达9000r/min，是普通汽车用球笼万向联轴器转速的5倍，同时能承受较高载荷。我厂目前批产及科研型号中没有接触过球笼联轴器这种传动结构，国内尚无其它航空企业研制该产品。该结构研制难度大，结构先进，进行研究球笼联轴器结构设计方法，不但弥补了厂内关于球笼联轴器结构设计的空白，而且它的研制成功对国内球笼联轴器结构的研制水平有很大的助推作用。
2 球笼联轴器基本参数
2.1 内、外星轮钢球滚道的几何形状
球笼联轴器是通过钢球与联轴器内星轮、外星轮上的钢球滚道的接触传递运动和转矩的。钢球在滚道上作纯滚动、接触良好、有一定的游隙，滚道的端面设计成椭圆形（或双曲线）。钢球在与滚道沟槽接触时，由于滚道沟槽的截面曲线是椭圆形，在沟糟边缘不会与钢球相碰，尤其是在高速传动及有激烈冲击载荷时，也不会发生棱边接触，接触情况依然良好。
对于椭圆形滚道，钢球与滚道的切点K为接触点，K点的公法线为法向力Q的作用线，Q与oz轴的夹角α称为接触角。角的大小对球笼联轴器的传力性能、效率和承载能力影响很大。
为得到大的承载能力，建议取椭圆的长半轴a=0.5d+△（d为钢球半径），b=（△+0.5dcosα）/，离心率e=0.2～0.3。根据椭圆的性质可求出其长半轴a。
2.2 承载能力校核
利用接触应力计算的基本公式，初始点接触是指两滚动体在未受载时呈点接触状态，当受法向载荷Q作用后，接触处由于局部变形而呈一椭圆面接触。根据弹性力学得到最大接触应力
对于钢球滚动体以m1、m2≈0.3，E1、E2=2.08×105Mpa，代入下式，得到钢质滚动体接触强度的一般公式σH≤ [σH]，即
σH=3Q/（2πa1b1）
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式中m1、m2、E1、E2-滚动体1、2材料的泊松比和弹性模量；
μ、υ-与接触点各曲率有关的系数；
最大接触应力
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滚道纵（沿轴线）、横（垂直于轴线）截面的相似度
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，“-”用于钢球与内星轮接触点；
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代入cosτ=（XL-XQ）/（2 +XL+XQ），查得相关椭圆系数，
综合曲率Kd=2（2 +XL+XQ）/d，mm-1；
代入最大接触应力公式：
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上式中T、Q-计算转矩，N·mm，单个钢球承受的压力，N；
XL、XQ-滚道纵（沿轴线）、横（垂直于轴线）截面的相似度；
ψ-滚动体与滚道的贴合系数，一般ψ=1.03～1.05；
R、d-传力钢球中心圆半径、钢球直径，mm；
m-传力钢球的数量；对球笼联轴器m=n；
α、γ、ε-压力角、斜面角和斜交角（°），对于球笼式γ=0°、ε=7.5°～9°、常取ε=8°。
3 球笼联轴器改进设计方案
（1）内星轮、保持架、外星轮配对交付，并调整内、外星轮与保持架的间隙。将飞附联接端外星形轮与保持架间隙由0.06～0.09调整至0.1～0.16；保持架与内星轮间隙为由0.04～0.06调整至0.04～0.078。加大球笼联轴器内、外星轮与保持架的配合间隙，工作时足够的间隙，避免因温度升高而膨胀，抱死。同时提高保持架定心精度，提高工作可靠性。
（2）球笼联轴器保持架设计结构改进
对球笼联轴器保持架设计结构进行改进设计，主要对固定钢球的固定点，为减少钢球与保持架的冲击次数，大的固定钢球窗口两端的圆柱面不与钢球接触，合理增大钢球在工作过程中的运动空间。按照俄制件增加钢球与保持架窗口定位面间隙0.04～0.05。
（3）关键件关键尺寸加工和检验方法改进
○1滚道截面展开，即为内、外星轮钢球滚道沟槽的断面形状，滚道沟槽断面曲线不是正圆形，而是椭圆形的一部分。钢球与内、外星轮的滚道沟槽只在两点接触。在测量滚道沟槽形状时，通过钢球印痕等方法重点测量接触点和钢球中心的连线与中间截面的夹角成为45°处，忽略其它不工作点；
○2控制椭圆曲面在钢球接触点±3°范围内曲面轮廓在0.03以内，其余轮廓在0.05以内。
○3测量钢球在内外滚道间实际装配间隙，将2个标准钢球置于外星轮滚道紧密贴合测量L外实际值，再将钢球置于内星轮滚道紧密贴合测量L内实际值，间隙为L内-L外-2d，该间隙值应不大于0.08。
（4）解决关键件关键尺寸测量问题
传统的测量式一般是直接在被测零件型面上选取足够多的点，直接或通过软件拟合出零件要素实际值。不难发现，传统的测量方式较适用于被测零件要素简单、规则的情形。对于三维复杂零件要素的测量，我们一般使用数模比较的方式，使用测头采取足够多的数据点，通过对比实际点与理论模型相应点位的偏差，计算得出零件要素实际值。
将设计图样转换成三维数模，统一设计、制造加工和计量基准，避免测量误差。
4 试验验证
对球笼联轴器进行空载磨合试验，在不加载的条件下对被试件进行的空运转试验，试验目的是检验产品的密封性、噪音、振动、温升是否正常。
试验时联轴器各配合面涂二硫化钼，试验转速为3000±50r/min，试验时联轴器输入和输出端平行偏移一定尺寸并保持运转一定时间。每隔3分钟检测两端球笼外表面温度，试验件的外圆表面升温不得高于环境温度25℃。试验中不得有强烈震动及明显的金属间的摩擦声，如有异常应立即停止试验。记录升温情况、震动及噪声情况、工作表面接触痕迹等内容。
经试验验证，改进后的球笼联轴器磨合试验各项指标正常，顺利通过交付前的磨合试验。
5 结论
本文阐述球笼联轴器工作原理及设计过程，明确了参数选择及计算，并将理论研究与实际产品进行对比。并通过分析关键件的结构特点、加工精度难点，寻找最合理的测量方法。对关键件进行结构分析和研究，提出球笼联轴器结构改进设计方案，既满足零部件工作需要，又满足实际加工生产要求，使其顺利通过交付前的磨合试验，提高产品合格率，满足交付进度要求。本文对其它球笼联轴器设计具有一定借鉴意义和推广价值。
参考文献：
[1]林基恕，现代燃气涡轮发动机润滑系统.北京：航空工业出版社，2005.6
[2]《航空发动机设计手册》总编委会编.航空发动机设计手册—第12册 传动与润滑系统.北京：航空工业出版社，2005
论文作者:马长顺,周玉莲,滕菲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：联轴器论文; 钢球论文; 间隙论文; 外星论文; 结构论文; 沟槽论文; 测量论文; 《基层建设》2019年第32期论文;