摘要：從輸入至輸出的兩法蘭聯(lián)接是十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器重要組成部分，直接關(guān)系到整個(gè)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(gè)問(wèn)題的真實(shí)性和重要性。以下將對(duì)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(jiàn)圖一）的法蘭聯(lián)接型式制造更容易，但缺點(diǎn)較多：

圖 一

     （1）鍵與鍵槽間隙過(guò)大的問(wèn)題：鍵與鍵槽的間隙本應(yīng)更小更緊為好，但現(xiàn)場(chǎng)安裝會(huì)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(shí)際接觸面積更小，且大負(fù)荷正反轉(zhuǎn)運(yùn)行很容易使鍵與鍵槽受擠壓后的間隙進(jìn)一步增大。

    （2）普通螺栓組規(guī)格過(guò)大預(yù)緊力矩不足的問(wèn)題：法蘭聯(lián)接運(yùn)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(chǎng)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(chǎng)安裝時(shí)預(yù)緊力矩普遍不足50%。這將對(duì)普通螺栓組防松很不利，同時(shí)更會(huì)增加鍵與鍵槽之間的擠壓應(yīng)力。

    （3）法蘭叉頭強(qiáng)度及剛度過(guò)弱的問(wèn)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(qiáng)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(guò)?。ㄒ?jiàn)圖一φ225），靠與軸套叉頭（見(jiàn)圖二φ240）相比，叉頭軸承孔部位強(qiáng)度及剛度相差較大，超大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)法蘭叉頭會(huì)首先斷裂。另外長(zhǎng)期運(yùn)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?yàn)榉ㄌm叉頭剛度弱變形量大等原因運(yùn)行壽命會(huì)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(guó)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(jiàn)圖三）。

圖 三

    雖然第一眼看上去屬高大上的舶來(lái)品，但缺點(diǎn)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(dá)20°導(dǎo)致大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(lái)越少，實(shí)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(jiàn)圖四）運(yùn)用鉸制孔用螺栓銷桿的抗剪強(qiáng)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(chǎng)推廣困難。但隨著數(shù)控機(jī)床的普及，使得互換性的問(wèn)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(lè)清三豐傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jiàn)圖五），擴(kuò)大螺栓孔分布圓直徑，使其受力更好的同時(shí)，法蘭叉頭頸部直徑又能得到增大（見(jiàn)圖四φ240），法蘭端面因無(wú)鍵槽實(shí)現(xiàn)徹底無(wú)損，不像其他聯(lián)接型式受損嚴(yán)重，因此法蘭叉頭強(qiáng)度及剛度得到了明顯的提升，綜合使用效果良好，尤其對(duì)有高速動(dòng)平衡要求的產(chǎn)品使用效果更佳，整體性能及軸承運(yùn)行壽命均比其它聯(lián)接型式提高20%以上。同時(shí)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(hào)：ZL 2019 2 1730808.X）

二. 兩種法蘭聯(lián)接型式可傳遞轉(zhuǎn)矩對(duì)比驗(yàn)算

1.端面鍵配普通螺栓組聯(lián)接型式（見(jiàn)圖一）

 

（1）端面鍵按許用擠壓強(qiáng)度計(jì)算轉(zhuǎn)矩：（按相關(guān)最弱材料計(jì)算）
        按擠壓極限計(jì)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(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗擠壓強(qiáng)度，所以按抗擠壓強(qiáng)度計(jì)算。）

（2）普通螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生摩擦力計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
        單個(gè)普通螺栓所產(chǎn)生夾緊力的計(jì)算：F= T·u/(K·d)（式中u取0.15，K取0.18）
        代入10.9級(jí)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(jì)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(jiàn)圖四）

 

（1）鉸制孔用螺栓組銷桿按許用剪切強(qiáng)度計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
        螺栓許用剪切應(yīng)力計(jì)算：按剪切極限計(jì)算取τ=σs / n（式中取n=3.8），
        代入10.9級(jí)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(qiáng)度計(jì)算轉(zhuǎn)矩：（按相關(guān)最弱材料計(jì)算）
        按擠壓極限計(jì)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(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪切強(qiáng)度，所以按抗剪切強(qiáng)度計(jì)算。）

（3）鉸制孔用螺栓組預(yù)緊后產(chǎn)生摩擦力計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
        單個(gè)鉸制孔用螺栓所產(chǎn)生夾緊力的計(jì)算：F= T·u/(K·d)（式中u取0.15，K取0.18）
        代入10.9級(jí)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(jì)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(wàn)向聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩156 kN·m。（詳見(jiàn)樂(lè)清三豐傳動(dòng)2020版產(chǎn)品樣本，下載網(wǎng)址：kmcwk.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(dá)215.02 kN·m，完全能夠滿足使用要求。
    以上驗(yàn)算證實(shí)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(yàn)數(shù)值與驗(yàn)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(jī)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(hào)：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(jí)，M24及以上規(guī)格選用12.9級(jí)，銷桿部位公差h6。
       4、螺栓組預(yù)緊力矩根據(jù)相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(duì)比檢測(cè)

 

   10.9級(jí)螺栓組，配10級(jí)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(kāi)時(shí)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(jí)螺栓組，配10級(jí)防松螺母（螺母頭部裝有尼龍圈對(duì)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(kāi)時(shí)達(dá)到120%-125%的預(yù)緊力矩。
    10.9級(jí)螺栓組，配10級(jí)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(shí)后，松開(kāi)時(shí)高達(dá)165%-170%的預(yù)緊力矩（細(xì)牙螺紋小40%）。試驗(yàn)選用上?？颠_(dá)5071厭氧膠，30分鐘初步定位，24小時(shí)后可達(dá)到最大膠接強(qiáng)度。

 

2.螺栓組動(dòng)態(tài)防松對(duì)比檢測(cè)

 

    兩法蘭聯(lián)接后，在長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷、頻繁正反轉(zhuǎn)運(yùn)行中，法蘭間始終無(wú)相對(duì)位移時(shí)，采用以上靜態(tài)檢測(cè)過(guò)的各種方式，均不易松動(dòng)失效。

    如果兩法蘭間運(yùn)行中有反復(fù)相對(duì)位移（位移量越大、反復(fù)移動(dòng)越頻繁，螺栓組越容易松動(dòng)失效），帶墊圈及不帶墊圈螺栓組會(huì)最早松動(dòng)失效，防松螺母耐用時(shí)間稍長(zhǎng)，涂厭氧膠的螺栓組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)失效。

 

3.小結(jié)

 

    螺栓組防松檢測(cè)更加清晰的說(shuō)明了各種防松方式下的螺栓組在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)中的防松效果。針對(duì)十字軸式萬(wàn)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(huì)更好。
    而十字軸式萬(wàn)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(dá)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(shí)不能有反復(fù)相對(duì)位移現(xiàn)象。

 

五. 總結(jié)

 

    綜合以上各篇幅內(nèi)容的對(duì)比分析，十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器除了自身的各項(xiàng)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(dá)到法蘭聯(lián)接可靠性高，產(chǎn)品運(yùn)行壽命更長(zhǎng)，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(shì)較明顯，當(dāng)今國(guó)外廠商在同類產(chǎn)品上已大量使用。經(jīng)過(guò)樂(lè)清三豐傳動(dòng)技術(shù)優(yōu)化后產(chǎn)品綜合性能更加理想，將對(duì)十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的運(yùn)行可靠性和提升壽命具有重要意義。