一种带冗余传递路线及辅助支撑机构的膜盘联轴器

技术领域

本申请属于航空发动机联轴器设计领域，特别涉及一种带冗余传递路线及辅助支撑机构的膜盘联轴器。

背景技术

膜盘联轴器具有结构简单、补偿能力强、无需润滑等诸多优点，而且振动小、噪音低、操作维护较为方便，适用于大功率,因此被广泛应用于航空领域等对联轴器有高可靠性要求的场所。

膜盘联轴器失效多为膜盘破碎，导致该问题的原因通常有材料加工问题、金属疲劳及过载几种。对于膜盘材料加工、疲劳等问题导致的联轴器失效问题，其连接的两端旋转设备仍可正常运转，此时需要冗余的传递路线保证动力正常传输，待设备正常停机后对破损膜盘进行更换。对于过载问题，可分为小过载及大过载两种情况考虑，小过载多由于负载瞬时增加或波动导致，发生频次较少，此时希望联轴器能够承受过载正常工作，这需要在设计时提供一定的安全裕度，但并不希望为此大幅增加膜盘的尺寸及质量；大过载常由于旋转设备故障卡死所致，此时设备已无法正常工作，需要切断其动力传输。当膜盘失效后，为避免原靠膜盘联轴器连接、支撑的轴系失去稳定的旋转轴线高速甩动撞击周边装置导致更大的损失，需使传动轴在原旋转轴线上空转。

目前已分别存在能够提供冗余传递路线及能够提供辅助支撑的膜盘联轴器应对上述不同原因的联轴器失效，但缺乏一种能够同时应对多种失效模式的膜盘联轴器。

现阶段，根据已公开的国内专利CN108240399，该专利提供了使用关节轴承作为支撑结构以约束膜盘的偏转中心及抵抗部分轴向力、带配合间隙的花键作为冗余传递路线传递部分或全部扭矩。该专利关节轴承与花键的布置特征是关节轴承布置在膜盘组件中心，花键与关节轴承轴向串联布置，花键布置位置不在膜盘组件中心。该方案的缺点有3点：1)由于花键与关节轴承在轴向上分开布置，易分析出，膜盘在此结构下绕关节轴承球心偏转，为避免内、外花键在偏转过程中干涉，需要在花键之间预留间隙，而花键与关节轴承分开布置产生的间距对需要预留的间隙值起到了放大作用，花键与关节轴承的间距越大，所需要的间隙越大，花键配合间隙过大将大幅降低扭矩的传递能力，同时，此类花键并不常用，非标花键将增加设计难度及制造成本。2)当出现如前文所述的因设备故障卡死造成的大过载导致膜盘损坏后，其结构不具备保证关节轴承及其固定支架不被损坏的特征，即无法保证传动轴或联轴器维持原旋转轴线旋转。3)关节轴承其滑动配合属性难以承受高速旋转，轴承在高速摩擦升温过程中可能产生烧结，不具备空转能力。

根据已公开的国外专利US 10480585B2提供了一种带冗余传递路线的膜盘联轴器，该联轴器使用布置在膜盘组件内部中心的修形的内外花键作为冗余传递路线。该方案的缺点是，当大过载使膜盘及花键都断裂后，无法保证传动轴或联轴器维持原旋转轴线旋转，失去固定旋转轴线的旋转轴可能会撞击周边装置导致更大的损失。

而国外专利US 10995800B2提供了一种在膜盘组件内部使用调心轴承及相关支撑结构作为辅助支撑的方案，该机构能够保证当膜盘组件因破碎丧失功能后，旋转轴仍能保持原轴线空转，从而保证周边装置安全。该方案的缺点是，无法提供冗余的传递路线。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种带冗余传递路线及辅助支撑机构的膜盘联轴器，包括：膜盘组件，第一连接法兰，第二连接法兰，衬套，拉紧轴；调心轴承；

其中，膜盘组件的两端分别连接第一连接法兰与第二连接法兰；第二连接法兰在膜盘组件的内侧轴向延伸形成支撑套筒；衬套一端与第一连接法兰连接，另一端套接在所述支撑套筒内侧，衬套与支撑套筒的套接面通过周向分布的花键相互配合；

拉紧轴一端连接第二连接法兰，另一端与衬套形成安装调心轴承的环间隙；调心轴承与所述花键的轴向位置相同。

优选的是，所述花键包括衬套外表面的外花键以及支撑套筒内表面的内花键，所述内花键采用直齿，所述外花键的齿顶为椭球面，外花键的齿面进行鼓形修形。

优选的是，所述外花键与所述内花键在配合后留有预设长度的顶隙和侧隙。

优选的是，所述鼓形修形的曲率中心与调心轴承的中心重合。

优选的是，所述内花键的一端具有扭断环槽。

优选的是，调心轴承的外圈通过衬套具有的限位凸台与安装在衬套上的第一紧固件卡住；调心轴承的内圈通过拉紧轴具有的限位凸台与安装在拉紧轴上的第二紧固件卡住。

优选的是，第一紧固件包括螺母或者卡簧；第二紧固件包括压紧螺母以及锁片。

优选的是，衬套通过第一螺栓组与第一连接法兰连接；拉紧轴通过第二螺栓组与第二连接法兰连接。

上述技术特征具有的技术效果为：1、在实际工作中，第一连接法兰与第二连接法兰分别连接有轴，本申请在第一连接法兰上设置衬套，衬套的作用主要是固定调心轴承外环，以及兼做冗余传力路线，当膜盘组件在意外损坏后，第一法兰带动衬套及轴承绕与第二法兰连接的拉紧轴空转。联轴器及其相连的设备的旋转轴线仍可保持。第一连接法兰盘与第二连接法兰盘依旧能够凭借衬套保持同轴，避免连接的轴被甩飞；2、衬套外壁面通过外花键与设置在第二连接法兰上的内花键连接，形成第二个传扭路线，使联轴器具有较高的可靠性3、在膜盘组件的中心暨在花键轴向同位置处设置有调心轴承，当膜盘因设备故障等问题导致的大过载断裂后，法兰2的内花键与安装边之间的扭断环槽因过载也将断裂。此时衬套5、调心轴承、拉紧轴7形成的传力路线可维持轴系原回转轴线，并依靠轴承补偿联轴器两端的转速差，另一方面调心轴承能够约束膜盘组件的偏转中心，同时起到增加联轴器轴向刚度的作用；3、将内花键与外花键与调心轴承以同圆心分布，并且内花键与外花键与调心轴承与调心轴承位于同一轴向位置，能够减少联轴器形变对花键的间隙需求；4、扭断环槽能够在联轴器损坏时，花键在预设位置断裂，使第一连接法兰与第二连接法兰失去花键的约束，实现第一连接法兰相对于第二连接法兰同轴旋转；5、外花键与内花键之间设置有预留的间隙，当第一连接法兰与第二连接法兰的传扭在额定扭矩之内，外花键与内花键由于间隙设置不传扭，当第一连接法兰与第二连接法兰的传扭超出额定扭矩，膜盘组件产生变形，外花键与内花键接触并实现传扭，使膜盘组件的不会因为承受过载的扭矩而损坏。

附图说明

图1是本申请一优选实施方式联轴器剖视图。

图2a是本申请一优选实施方式花键细节图。

图2b是本申请一优选实施方式花键配合细节图。

图3a是本申请一优选实施方式花键配合径向视图。

图3b是本申请一优选实施方式花键配合轴向视图。

图4是本申请一优选实施方式联轴器工作补偿时剖视图。

其中，1-第一连接法兰，2-第二连接法兰，3-膜盘组件，4-第一螺栓组，5-衬套，6-第二螺栓组，7-拉紧轴，8-轴承，9-压紧螺母，10-锁片，11-卡簧。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

如图1-图4所示，本发明提供一种带冗余传递路线及辅助支撑机构的膜盘联轴器，其中，第一连接法兰1与第二连接法兰2分别与联轴器两端的设备或传动轴进行连接。3为膜盘组件，是联轴器的主要传动路径，依靠其自身变形适应两段轴线的角位移。在第二连接法兰2靠近膜盘组件3中心的内侧，布置有直齿的内花键，在内花键与第二连接法兰2安装边之间，设计有一处结构强度相对薄弱的扭断环槽。在第一连接法兰1的中心位置，安装有集外花键和调心轴承座于一体的衬套5，衬套5通过其与第一连接法兰1的配合止口支撑，通过螺栓组4与第一连接法兰1连接。衬套5靠近膜盘组件中心一侧的外柱面上设计有修形的外花键，外花键与第二连接法兰2的内花键配合，形成冗余传递路线。衬套5靠近膜盘组件中心侧的内柱面则与调心轴承8的外环相配，其靠近轴承的端面设计有固定调心轴承8轴向位置的凸台，使调心轴承8的外环不会向第二连接法兰2的方向滑动，轴承外环另外一侧则可设计有卡簧槽或螺纹，安装卡簧11或螺母，使调心轴承8的外环不会向第一连接法兰1的方向滑动。

在第二连接法兰2的中心位置，安装有拉紧轴7，拉紧轴7通过其与第二连接法兰2配合的止口支撑，通过螺栓组6与第二连接法兰2连接。拉紧轴7靠近膜盘组件中心一侧的外柱面与调心轴承8的内环相配。拉紧轴7靠近轴承的端面上设计有螺纹，通过压紧螺母9及锁片10将调心轴承8的内环压靠至拉紧轴7的凸台上，使调心轴承8的内环不会向第一连接法兰1或第二连接法兰2的方向移动。调心轴承8如前述安装并固定在衬套5和拉紧轴7之间，其旋转球心则设计膜盘组件3的中心位置。通过结构易知，调心轴承8可辅助膜盘组件3承受一定的轴向力，从而起到保护膜盘组件3的作用。

衬套5与第二连接法兰2之间的配合的花键则可充分借鉴鼓形齿式联轴器的相关的成熟的设计方法，一般的，内花键采用直齿，外花键的齿顶设计为椭球面，齿面进行鼓形修形，并在内外齿配合后留有适当的顶隙和侧隙，已保证内外齿在补偿角位移时不发生干涉，同时，通过在设计时选择合适的侧隙，可以达到花键在膜盘过载时辅助传递部分扭矩的目的。需要注意的是，为尽可能减少修形量，降低修形对花键强度产生的不利影响，花键在修形时所设定的旋转中心应与膜盘中心及调心轴承中心重合。

当第一连接法兰1与第二连接法兰2之间存在角偏差，且未超过额定扭矩时，膜盘组件3以调心轴承8的中心点为球心，通过自身变形适应该偏差，并将传递扭矩；调心轴承8的分别与第一连接法兰1、第二连接法兰2连接的外环及内环随法兰相对偏转，适应角偏差。与第一连接法兰1连接的衬套5的鼓形椭圆齿顶外花键与第二连接法兰2的直齿内花键随法兰相对偏转，由于二者之间存在齿隙，在运动过程中互不接触，整个系统在角偏差状态无干涉。

当第一连接法兰1与第二连接法兰2之间传递的扭矩轻微过载时，膜盘扭转变形消除内外花键侧隙，内外花键接触，扭矩主要从膜盘传输，部分扭矩从花键传输。

当膜盘因自身材料、加工及疲劳问题产生失效时，扭矩全部从花键传输。

当膜盘组件因设备故障等问题导致的大过载断裂后，第二连接法兰2的内花键与安装边之间的扭断环槽因过载也将断裂。此时，如第二连接法兰2出现卡滞，则第一连接法兰1带动衬套5及调心轴承8绕与第二连接法兰2连接的拉紧轴7空转。联轴器及其相连的设备的旋转轴线仍可保持，不会损伤周边装置。

综上所述，1、在实际工作中，第一连接法兰与第二连接法兰分别连接有轴，本申请在第一连接法兰上设置衬套，衬套的作用主要是固定调心轴承外环，以及兼做冗余传力路线，当膜盘组件在意外损坏后，第一法兰带动衬套及轴承绕与第二法兰连接的拉紧轴空转。联轴器及其相连的设备的旋转轴线仍可保持。第一连接法兰盘与第二连接法兰盘依旧能够凭借衬套保持同轴，避免连接的轴被甩飞；2、衬套外壁面通过外花键与设置在第二连接法兰上的内花键连接，形成第二个传扭路线，使联轴器具有较高的可靠性3、在膜盘组件3的中心暨在花键轴向同位置处设置有调心轴承，当膜盘因设备故障等问题导致的大过载断裂后，法兰2的内花键与安装边之间的扭断环槽因过载也将断裂。此时衬套5、调心轴承、拉紧轴7形成的传力路线可维持轴系原回转轴线，并依靠轴承补偿联轴器两端的转速差。另一方面调心轴承能够约束膜盘组件的偏转中心，同时起到增加联轴器轴向刚度的作用；3、将内花键与外花键与调心轴承以同圆心分布，并且内花键与外花键与调心轴承与调心轴承位于同一轴向位置，能够减少联轴器形变对花键的间隙需求；4、扭断环槽能够在联轴器损坏时，花键在预设位置断裂，使第一连接法兰与第二连接法兰失去花键的约束，实现第一连接法兰相对于第二连接法兰同轴旋转；5、外花键与内花键之间设置有预留的间隙，当第一连接法兰与第二连接法兰的传扭在额定扭矩之内，外花键与内花键由于间隙设置不传扭，当第一连接法兰与第二连接法兰的传扭超出额定扭矩，膜盘组件产生变形，外花键与内花键接触并实现传扭，使膜盘组件的不会因为承受过载的扭矩而损坏。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。