一种十字滑块联轴器的设计改进

李红梅，钱建国，张 晔

(南京长江电子信息产业集团有限公司，江苏 南京 210038)

1 十字滑块联轴器

联轴器是用来联接两轴，传递运动和转矩的装置。由于受制造及安装误差、承载后的变形和温度变化等影响，联轴器所联接的两轴实际上并不能严格同轴，会存在某些程度的偏移与角度误差[1]。某舰载雷达方位同步系统中所用十字滑块联轴器初始设计如图1所示。十字滑块联轴器是一种可移式的刚性联轴器，通过2个带凸榫的半联轴器与1个带凹槽的中间圆盘的相对滑动来补偿两轴间的径向偏移。

图1 十字滑块联轴器

十字滑块联轴器具有结构简单、尺寸小、所需安装空间小、装拆方便等特点，适用于雷达数据传动链中同步轮系轴与微电动机轴的联接，可准确传递雷达方位传动数据。但是设计时如果选择的材料、确定的公差、半联轴器与轴的夹紧方式不正确，在工作过程中会出现半联轴器与中间圆盘间无法灵活滑动，导致联轴器不能补偿两轴间的径向偏移，并对轴产生一个附加的径向力，使轴发生弯曲的现象。当这个径向力足够大时，长期作用于转动轴将导致轴出现疲劳损坏[2]。

本文对十字滑块联轴器的运动过程和受力过程进行了分析计算，对某舰载雷达同步轮系所用联轴器的设计改进作了介绍。

2 运动仿真和受力分析计算

十字滑块联轴器工作时，同步轮系轴驱动与之夹紧固定的半联轴器1，通过半联轴器1、中间圆盘和半联轴器2的相对运动，最终驱动与半联轴器2夹紧固定的微电动机轴的旋转。图1所示的坐标系中，不考虑Z向坐标，假设半联轴器1和半联轴器2之间存在0.05 mm的径向偏移，中间圆盘转动中心坐标(0, 0)，半联轴器1的转动中心坐标(0, 0.03)，半联轴器2的转动中心坐标(0.04, 0)，联轴器工作过程中，中间圆盘的运动为绕Z轴的旋转运动和在垂直于Z轴的平面的平移运动的合成，平面内的平移运动即为中间圆盘与半联轴器的相对滑动。应用NX UG软件运动仿真模块，得到同步轮系轴旋转1周时半联轴器与中间圆盘相对位移时间关系如图2所示。

图2 半联轴器与中间圆盘相对位移时间关系图

当半联轴器的凸榫弯曲、接触面润滑不良等导致凸榫无法在凹槽内自由滑动时，中间圆盘无法按图2数据做平移运动，同步轮系轴和微电动机轴都会受到附加的变化的径向力作用。在变应力下工作，轴的受力状态如图3所示。

图3 微电动机轴受力示意图

下述以微电动机轴固定部位为例，进行疲劳强度的计算。

(1)

式中，P是轴所受的径向力，单位为N；E是钢的弹性模量，取206 GPa；I是形心轴惯性矩，单位为m4；y是与中间圆盘相对滑动的最大值，单位为m；l是微电动机轴的悬臂长度，单位为m。

(2)

式中，σ是轴上的正应力，单位为N/m2；M是轴所受的弯矩，单位为N·m；W是轴的抗弯截面模量，单位为m3。

微电动机轴的材料选40Cr，并进行调质处理。根据式1、式2和图3，可得出微电动机轴根部截面上的最大正应力σmax和最小正应力σmin[3]，结合轴所用材料的对称循环疲劳极限σ-1、脉动循环疲劳极限σ0、弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ等，可得到零件的极限应力线AGC(见图4)。微电动机轴的所受力为对称循环的力，工作应力点(0, 618)在极限应力折线之上，不满足疲劳强度要求，反推可得，满足疲劳强度所允许的两轴间的径向偏移很小(≤0.025 mm)；因此，要使十字滑块联轴器正常工作，应保证中间圆盘和半联轴器间的灵活滑动。

图4 零件的极限应力线图

3 设计改进

3.1 初始设计

某舰载雷达所处的环境为海洋气候环境，具有高温、高湿和高盐雾的特点，这种气候使金属材料易发生腐蚀、非金属材料易发生老化；因此，联轴器的材料选择不锈钢，可避免出现非金属的老化[4]，同时不锈钢的优良防腐蚀性能可提高设备的环境适应性。

为了保证半联轴器与中间圆盘间的相对灵活滑动，对接触面的表面粗糙度、尺寸公差和几何公差都提出了相应的要求。半联轴器通过拧紧十字槽盘头螺钉来实现与轴的夹紧，从而保证转动的同步。装配时，要求十字槽盘头螺钉带螺纹胶紧固，半联轴器与中间圆盘的接触面涂润滑脂，确保半联轴器与轴的同步转动和半联轴器与中间圆盘的相对滑动。

3.2 存在问题

十字滑块联轴器使用过程中存在的问题如下。

1)十字滑块联轴器设计时，若凸榫宽度尺寸不变，增大长度方向尺寸，虽然可减小同步最大误差角和最大回程误差，但凸榫的长宽比的增加会降低凸榫的刚度，使其易于发生变形。一方面体现在零件加工过程中容易变形，凸榫长度方向直线度不能保证；另一方面体现在十字盘头螺钉拧紧时，凸榫长度方向两端会产生明显的弯曲，装配时需要修配凹槽或凸榫的宽度才能满足装配要求，这种做法会降低传动的精度。

2)奥氏体不锈钢材料的防腐性能虽然好，但耐磨性一般。

3)十字盘头螺钉拧紧力矩小，动载荷下容易松动。

随着联轴器工作时间的增长，上述3点对联轴器滑动灵活性的减弱可能会越明显。

3.3 设计改进

针对上述问题，对十字滑块联轴器进行如下设计改进。

1)从零件的形状角度考虑，增加其刚度。对半联轴器的形状改进如图5所示。凸榫部分宽度由3 mm增加至6 mm，减小了长宽比；凸榫形成一个整体，不被中间圆孔打断；凸榫与底座的连接面积由10.26 mm2增加至32.72 mm2(此值为线切割割槽后的最终值)。这些措施都大大地增加了凸榫的刚度，减小了变形。

图5 半联轴器三维图

2)从选择的材料角度考虑，滑动摩擦副选择具有减摩性、耐磨性的材料。滑动摩擦副的中间圆盘材料由不锈钢改为减摩性高的锡青铜，半联轴器选择调质处理的合金钢40Cr。半联轴器表面做QPQ处理，维氏硬度≥650 HV。QPQ处理的高硬度显著增加了耐磨性，同时也提高了零件的防腐性能。滑动摩擦接触面的表面粗糙度要求由

3)从保证螺纹预紧力角度考虑，螺钉选用拧紧力矩大的品种。将十字头盘头螺钉改为内六角圆柱头螺钉，以增大拧紧力的作用半径，从而增大拧紧力矩，有利于动载荷下的防松。

3.4 试验验证

中间圆盘和半联轴器的材料、形状按上述改进并完成加工后，不带螺钉做凸榫和凹槽间的相互滑动，与改进前的结构比较，能明显感到摩擦力的减小，滑动非常轻松、灵活。但安装内六角圆柱头螺钉后，随着螺钉的拧紧滑动灵活性在逐渐减弱。

将中间圆盘凹槽与半联轴器的凸榫配合在一起，拧紧半联轴器上的螺钉。通过测量图5b中缝隙的大小来量化内六角圆柱头螺钉拧的松紧程度，同时对应地观察滑动灵活性的变化情况。结果发现，缝隙越小，螺钉拧得越紧，滑动越不灵活。对应测试情况进行理论计算分析发现，计算结果与测试过程吻合。半联轴器上的螺钉拧紧时，图5b中的夹紧片绕转动中心转动，与其关联的凸榫的A、B两端转动同样的角度，由于凸榫A、B两端距离转动中心远，因转动引起的切向位移相对较大，即凸榫发生一定的弯曲，导致滑动灵活性减弱。为了将底座两端的旋转变形与凸榫部分隔离，采取线切割方式在凸榫A、B两端向中心方向分别割一个宽度为0.13 mm、深度为8 mm的槽。再做上述滑动试验，结果发现，滑动灵活性基本恢复到了拧紧螺钉前的水平。

4 结语

滑动灵活性是十字滑块联轴器正常工作所必须保证的。本文针对一种十字滑块联轴器的工作环境和使用情况，在初始设计的基础上，对其关键零件的形状、材料和螺钉品种等方面进行了设计改进，使其在不降低传动精度的前提下，滑动灵活性得到了提高，取得了良好的实际使用效果。