摘要：從輸入至輸出的兩法蘭聯(lián)接是十字軸式萬向聯(lián)軸器重要組成部分，直接關(guān)系到整個傳輸鏈的可靠性和傳輸鏈中各部件的性能及壽命，而用戶往往容易忽略或誤解這個問題的真實性和重要性。以下將對幾種典型的法蘭聯(lián)接型式和相關(guān)因素加以綜合分析。

一. 法蘭聯(lián)接型式性能比較

     現(xiàn)今各廠商一般采用三種法蘭聯(lián)接型式：端面鍵配普通螺栓組聯(lián)接型式、端面齒配普通螺栓組聯(lián)接型式以及鉸制孔配鉸制孔用螺栓組聯(lián)接型式。

 

1.端面鍵配普通螺栓組聯(lián)接型式的綜合分析

 

    以往受落后的制造水平限制，端面鍵配普通螺栓組（見圖一）的法蘭聯(lián)接型式制造更容易，但缺點較多：

圖 一

     （1）鍵與鍵槽間隙過大的問題：鍵與鍵槽的間隙本應(yīng)更小更緊為好，但現(xiàn)場安裝會更困難，鍵槽與定位止口又容易發(fā)生干擾使安裝更加不易，故不得已放大鍵與鍵槽的間隙，導(dǎo)致鍵與鍵槽產(chǎn)生夾角，實際接觸面積更小，且大負(fù)荷正反轉(zhuǎn)運行很容易使鍵與鍵槽受擠壓后的間隙進一步增大。

    （2）普通螺栓組規(guī)格過大預(yù)緊力矩不足的問題：法蘭聯(lián)接運行負(fù)荷約25%依靠普通螺栓組預(yù)緊后兩法蘭間的摩擦力作傳遞。然而現(xiàn)場空間狹小、普通螺栓組規(guī)格較大、適用扳手受干擾不能使用等，據(jù)多方了解螺栓組現(xiàn)場安裝時預(yù)緊力矩普遍不足50%。這將對普通螺栓組防松很不利，同時更會增加鍵與鍵槽之間的擠壓應(yīng)力。

    （3）法蘭叉頭強度及剛度過弱的問題：端面鍵槽的深度約是法蘭厚度的50%，這明顯降低了法蘭強度及剛度。另外因螺栓組規(guī)格較大迫使法蘭叉頭頸部直徑過?。ㄒ妶D一φ225），靠與軸套叉頭（見圖二φ240）相比，叉頭軸承孔部位強度及剛度相差較大，超大負(fù)荷運行時法蘭叉頭會首先斷裂。另外長期運行中裝在法蘭叉頭和軸套叉頭上的十字軸及軸承在完全相同工況下，法蘭叉頭上的十字軸及軸承因為法蘭叉頭剛度弱變形量大等原因運行壽命會短30%以上。

圖 二

2.端面齒配普通螺栓組聯(lián)接型式的綜合分析

    

    上世紀(jì)國外廠商首先使用端面齒配普通螺栓組的法蘭聯(lián)接型式（見圖三）。

圖 三

    雖然第一眼看上去屬高大上的舶來品，但缺點同樣不少。除制造難度和成本都很高外，因端面齒形壓力角達20°導(dǎo)致大負(fù)荷運行時普通螺栓組增加很大額外拉力，容易引起螺栓組失效，其它弊端同端面鍵聯(lián)接型式相似?，F(xiàn)今各廠商選用此聯(lián)接型式已越來越少，實屬用不好也用不起的聯(lián)接型式。

 

3.鉸制孔配鉸制孔用螺栓組聯(lián)接型式的綜合分析

 

    鉸制孔配鉸制孔用螺栓組聯(lián)接型式（見圖四）運用鉸制孔用螺栓銷桿的抗剪強度傳遞負(fù)荷。

圖 四

    以往因受限于落后的傳統(tǒng)加工條件，法蘭的鉸制孔均采用配鉆配鉸的加工方式，使得互換性差，市場推廣困難。但隨著數(shù)控機床的普及，使得互換性的問題得到徹底解決，目前不同廠家不同批次生產(chǎn)的產(chǎn)品互換性均能滿足要求。經(jīng)樂清三豐傳動優(yōu)化設(shè)計，選用數(shù)量更多且規(guī)格較小的橄欖形鉸制孔用螺栓組（見圖五），擴大螺栓孔分布圓直徑，使其受力更好的同時，法蘭叉頭頸部直徑又能得到增大（見圖四φ240），法蘭端面因無鍵槽實現(xiàn)徹底無損，不像其他聯(lián)接型式受損嚴(yán)重，因此法蘭叉頭強度及剛度得到了明顯的提升，綜合使用效果良好，尤其對有高速動平衡要求的產(chǎn)品使用效果更佳，整體性能及軸承運行壽命均比其它聯(lián)接型式提高20%以上。同時該聯(lián)接型式安裝更容易，可用適用扳手較輕松靈活地將螺栓組預(yù)緊到位。

圖 五（專利號：ZL 2019 2 1730808.X）

二. 兩種法蘭聯(lián)接型式可傳遞轉(zhuǎn)矩對比驗算

1.端面鍵配普通螺栓組聯(lián)接型式（見圖一）

 

（1）端面鍵按許用擠壓強度計算轉(zhuǎn)矩：（按相關(guān)最弱材料計算）
        按擠壓極限計算取σp=σs· n（式中n=2/1.5≈1.3），代入45#鋼σs =355 Mpa，σp=461.5 Mpa
        T=σp·D·l·h·（1-l/D）2/2，代入D=315 mm，l=315/3=105 mm，h=30 mm
        T =101.76 kN·m（因抗剪切強度遠大于抗擠壓強度，所以按抗擠壓強度計算。）

（2）普通螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生摩擦力計算轉(zhuǎn)矩：
        單個普通螺栓所產(chǎn)生夾緊力的計算：F= T·u/(K·d)（式中u取0.15，K取0.18）
        代入10.9級M22螺栓預(yù)緊力矩660 N·m，F(xiàn)= 25000 N
        普通螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生最大摩擦力計算轉(zhuǎn)矩：
        T=F·Z·r，代入Z=10，r=280/2=140 mm
        T= 35 kN·m

 

2.鉸制孔配鉸制孔用螺栓組聯(lián)接型式（見圖四）

 

（1）鉸制孔用螺栓組銷桿按許用剪切強度計算轉(zhuǎn)矩：
        螺栓許用剪切應(yīng)力計算：按剪切極限計算取τ=σs / n（式中取n=3.8），
        代入10.9級螺栓σs=900 Mpa，τ= 236.84 Mpa
        T=τ·π·m· d2·Z·r/4，代入m=1，d=17 mm，Z=24，r=285/2=142.5 mm
        T=183.85 kN·m

（2）鉸制孔用螺栓組銷桿按許用擠壓強度計算轉(zhuǎn)矩：（按相關(guān)最弱材料計算）
        按擠壓極限計算取σp=σs·n（式中n=2/1.5≈1.3），代入45#鋼σs =355 Mpa，
        σp=461.5 Mpa
        T=σp·Z·r·δ·d，代入Z=24，r=285/2=142.5 mm，δ=15 mm，d=17 mm
        T=402.47 kN·m（因抗擠壓強度遠大于抗剪切強度，所以按抗剪切強度計算。）

（3）鉸制孔用螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生摩擦力計算轉(zhuǎn)矩：
        單個鉸制孔用螺栓所產(chǎn)生夾緊力的計算：F= T·u/(K·d)（式中u取0.15，K取0.18）
        代入10.9級M16螺栓預(yù)緊力矩175 N·m，F(xiàn)=9115 N
        鉸制孔用螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生最大摩擦力計算轉(zhuǎn)矩：
        T=F·Z·r，代入Z=24，r=285/2=142.5 mm
        T= 31.17 kN·m

3.小結(jié)

 

    SWF315十字軸式萬向聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩156 kN·m。（詳見樂清三豐傳動2020版產(chǎn)品樣本，下載網(wǎng)址：onlinebus.com.cn）
    端面鍵配普通螺栓組聯(lián)接型式：端面鍵可傳遞轉(zhuǎn)矩101.67 kN·m，普通螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生摩擦力可傳遞轉(zhuǎn)矩35 kN·m，兩者相加僅136.67 kN·m，僅能滿足許用轉(zhuǎn)矩的88%。
    鉸制孔配鉸制孔用螺栓組聯(lián)接型式：鉸制孔用螺栓組銷桿可傳遞轉(zhuǎn)矩183.85 kN·m，鉸制孔用螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生摩擦力可傳遞轉(zhuǎn)矩31.17 kN·m，兩者相加達215.02 kN·m，完全能夠滿足使用要求。
    以上驗算證實鉸制孔配鉸制孔用螺栓組聯(lián)接型式可傳遞轉(zhuǎn)矩能力明顯優(yōu)于端面鍵配普
通螺栓組聯(lián)接型式。（物理試驗數(shù)值與驗算相似）

三. 鉸制孔法蘭尺寸與螺栓預(yù)緊力矩表

 

注：1、螺栓組機械性能應(yīng)符合GB/T3098 規(guī)定。

       2、選用橄欖形鉸制孔用螺栓（專利號：ZL 2019 2 1730808.X）,使用效果更佳。
       3、鉸制孔用螺栓M24以下規(guī)格選用10.9級，M24及以上規(guī)格選用12.9級，銷桿部位公差h6。
       4、螺栓組預(yù)緊力矩根據(jù)相關(guān)機械設(shè)計手冊整理編輯，供您參考。

四. 法蘭聯(lián)接螺栓組防松性能綜合分析

1.螺栓組靜態(tài)防松對比檢測

 

   10.9級螺栓組，配10級普通螺母分別選用彈簧墊圈、平墊圈、落帝牢防松墊圈及不帶墊圈的方式按規(guī)范力矩預(yù)緊后，松開時以上方式全部尚有85%-90%的預(yù)緊力矩。（細(xì)牙螺紋約大5%）
    10.9級螺栓組，配10級防松螺母（螺母頭部裝有尼龍圈對螺紋產(chǎn)生擠壓，不能重復(fù)裝拆使用，尼龍圈易老化壽命有限），不帶墊圈。同樣按規(guī)范力矩預(yù)緊后，松開時達到120%-125%的預(yù)緊力矩。
    10.9級螺栓組，配10級普通螺母涂厭氧膠，不帶墊圈。同樣按規(guī)范力矩預(yù)緊24小時后，松開時高達165%-170%的預(yù)緊力矩（細(xì)牙螺紋小40%）。試驗選用上?？颠_5071厭氧膠，30分鐘初步定位，24小時后可達到最大膠接強度。

 

2.螺栓組動態(tài)防松對比檢測

 

    兩法蘭聯(lián)接后，在長時間大負(fù)荷、頻繁正反轉(zhuǎn)運行中，法蘭間始終無相對位移時，采用以上靜態(tài)檢測過的各種方式，均不易松動失效。

    如果兩法蘭間運行中有反復(fù)相對位移（位移量越大、反復(fù)移動越頻繁，螺栓組越容易松動失效），帶墊圈及不帶墊圈螺栓組會最早松動失效，防松螺母耐用時間稍長，涂厭氧膠的螺栓組動態(tài)試驗中未發(fā)現(xiàn)松動失效。

 

3.小結(jié)

 

    螺栓組防松檢測更加清晰的說明了各種防松方式下的螺栓組在靜態(tài)與動態(tài)中的防松效果。針對十字軸式萬向聯(lián)軸器的工作特性，單靠螺母接觸端面的防松效果很有限，提高螺紋段的阻力防松效果會更好。
    而十字軸式萬向聯(lián)軸器與軸接手法蘭的螺栓組聯(lián)接后在各種工況下，要達到螺栓組防松可靠，除了螺栓組選用適當(dāng)防松工藝和必須預(yù)緊到位外，最關(guān)鍵還是兩法蘭聯(lián)接后工作時不能有反復(fù)相對位移現(xiàn)象。

 

五. 總結(jié)

 

    綜合以上各篇幅內(nèi)容的對比分析，十字軸式萬向聯(lián)軸器除了自身的各項性能優(yōu)異外，法蘭的聯(lián)接綜合質(zhì)量同樣非常重要。怎樣達到法蘭聯(lián)接可靠性高，產(chǎn)品運行壽命更長，制造、使用更便捷，選用鉸制孔配鉸制孔用螺栓組聯(lián)接型式優(yōu)勢較明顯，當(dāng)今國外廠商在同類產(chǎn)品上已大量使用。經(jīng)過樂清三豐傳動技術(shù)優(yōu)化后產(chǎn)品綜合性能更加理想，將對十字軸式萬向聯(lián)軸器的運行可靠性和提升壽命具有重要意義。