一种软启动钢球式安全联轴器及其结构计算方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 106195059 A(43)申请公布日 2016.12.07

(21)申请号 201610786834.9(22)申请日 2016.08.31

(71)申请人 德阳立达基础件有限公司

地址 618000 四川省德阳市经济技术开发

区庐山南路三段32号(72)发明人 王译贤　李华　刘学光　(74)专利代理机构 成都九鼎天元知识产权代理

有限公司 51214

代理人 孙杰　钱成岑(51)Int.Cl.

F16D 43/20(2006.01)G06F 17/50(2006.01)

权利要求书2页 说明书7页 附图2页

(54)发明名称

一种软启动钢球式安全联轴器及其结构计算方法(57)摘要

本发明公开了一种软启动钢球式安全联轴器及其结构计算方法，属于联轴器技术领域；该联轴器包括具有用于容纳钢球的钢壳，所述钢壳的轴心设置有叶轮轮毂，叶轮轮毂上设置有叶轮，钢球装填在钢壳内，钢壳的侧端为用户连接端，叶轮轮毂用于与电机连接；该设计下的软启动钢球式安全联轴器，通过现场的实验，其输入转速和输出转速接近一致，正常工况下联轴器的表面没有温差，输出的扭矩和理论计算扭矩非常接近，随着转速的增加，输出扭矩也不断增加，其运转的可靠性也非常高，为软启动钢球式安全联轴器提供了一种准确且效果显著的结构计算方法。

CN 106195059 ACN 106195059 A

权　利　要　求　书

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1.一种软启动钢球式安全联轴器，其特征在于：包括具有用于容纳钢球的钢壳(1)，所述钢壳(1)的轴心设置有叶轮轮毂(2)，叶轮轮毂(2)上设置有叶轮(3)，钢球(4)装填在钢壳(1)内，所述钢壳(1)的侧端为用户连接端，叶轮轮毂(2)用于与电机连接；装填在钢壳(1)内的钢球总数量Z与联轴器具有以下关系：

式中，K为联轴器安全系数；Tj为所装载电机的理论扭矩kN.m，

P为电机功率

KW，n为电机工作转速rpm；μ为钢球与钢壳的摩擦系数；D0为钢壳的内径mm；D1为钢球质心体产生质心圆的直径mm，

d0为钢球的直径mm,b为叶轮宽度mm；m为每粒钢

球的重量kg。

2.如权利要求的1所述的软启动钢球式安全联轴器，其特征在于：所述钢球(4)的直径为2.0mm-6.0mm。

3.如权利要求的1所述的软启动钢球式安全联轴器，其特征在于：所述叶轮(3)上设置有加强筋(5)，该加强筋(5)位于叶轮(3)宽度的中部，且沿叶轮轮毂(2)的圆周将相邻叶轮(3)进行连接。

4.一种软启动钢球式安全联轴器的结构计算方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、确定该联轴器的原动机扭矩；S2、确定联轴器安全系数，选取钢球直径d0规格，根据原动机对联轴器钢壳内径D0、叶轮轮毂外圆直径D3、叶轮宽度b进行初步设计，并预估填充钢球总质量G或者钢球质心体产生质心圆的直径D1；

S3、校核钢球与联轴器钢壳体积关系；S4、校核扭矩；S5、在S3和S4步骤中，如校核不满足要求，则相应调整联轴器钢壳内径D0、叶轮轮毂外圆直径D3、叶轮宽度b，或相应调整钢球总质量G或者钢球质心体产生质心圆的直径D1，重复S3和S4步骤至满足要求；

其中，在S3和S4的校核过程中，按照下式进行：

钢球质心体产生质心圆的直径钢球体质心圆的内径摩擦力可传递的扭矩安全系数

式中，D0为联轴器钢壳内径mm，Z为钢球的总数量，d0为每粒钢球直径mm，b为叶轮宽度mm，D3为叶轮轮毂外圆直径mm，G为钢球总质量Kg，μ为钢球与钢壳的摩擦系数，P为电机功率KW，n为电机工作转速rpm。

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且D2>D3；理论扭矩

CN 106195059 A

权　利　要　求　书

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5.如权利要求1所述的软启动钢球式安全联轴器的结构计算方法，其特征在于：所述钢球的直径为选取范围为2.0mm-6.0mm。

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CN 106195059 A

说　明　书

一种软启动钢球式安全联轴器及其结构计算方法

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技术领域

[0001]本发明涉及一种联轴器，尤其是一种软启动钢球式安全联轴器及其结构计算方法，属于联轴器技术领域。背景技术

[0002]软启动钢球式安全联轴器，主要由带叶轮的叶轮轮毂、轴承、壳体、填充在壳体内的钢球、弹性件、半联轴器等组成，也可与制动轮、皮带轮配合使用。由钢球与壳体内壁间的摩擦力矩传递转矩。弹性件使安全联轴器具有一定的安装误差补偿及缓冲减震作用。[0003]通常将安全联轴器装在传动链的主动端，当原动机启动时，由于转速很低，离心力很小，钢球产生的摩擦力也很小，主动端随原动机旋转，安全联轴器的工作机侧静止，原动机为近似空载启动。随着转速的增加，摩擦力逐渐增大，安全联轴器的从动端带动工作机开始旋转，直到与主动端同步旋转，原动机的整个启动过程是一个平稳的逐渐加载的过程，实现了原动机的“软”启动，改变了普通联轴器联接时的带载启动方式。当工作机过载或卡死时，由于转矩超过了设计摩擦力可传递的转矩，安全联轴器打滑，防止机械部件的损坏及电动机的过载，达到过载安全保护的目的。[0004]近几年随着传动技术发展，国内已有厂家在水泥设备、带式传送设备、负载惯量大的设备等方面零星使用。但是该联轴器由于缺乏理论计算体系，而导致可靠性不佳，使其应用和推广受到限制。

发明内容

[0005]本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种优化计算及设计的软启动钢球式安全联轴器及其结构计算方法，以保证这种机构联轴器功能的实现，并保证其结构的可靠，已达到推广软启动钢球式安全联轴器应用的目的。[0006]本发明采用的技术方案如下：[0007]一种软启动钢球式安全联轴器，包括具有用于容纳钢球的钢壳1，所述钢壳1的轴心设置有叶轮轮毂2，叶轮轮毂2上设置有叶轮3，钢球4装填在钢壳1内，所述钢壳1的侧端为用户连接端，叶轮轮毂2用于与电机连接；装填在钢壳内的钢球总数量Z与联轴器具有以下关系：

[0008][0009]

式中，K为联轴器安全系数；Tj为所装载电机的理论扭矩kN.m，P为电机

功率KW，n为电机工作转速rpm；μ为钢球与钢壳的摩擦系数；D0为钢壳的内径mm；D1为钢球质心体产生质心圆的直径mm，钢球的重量kg。

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d0为钢球的直径mm,b为叶轮宽度mm；m为每粒

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说　明　书

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所述钢球的直径为2.0mm-6.0mm。

[0011]所述叶轮上设置有加强筋，该加强筋位于叶轮宽度的中部，且沿叶轮轮毂的圆周将相邻叶轮进行连接。

[0012]本发明的一种软启动钢球式安全联轴器的结构计算方法，包括以下步骤：[0013]S1、确定该联轴器的原动机扭矩；[0014]S2、确定联轴器安全系数，选取钢球直径d0规格，根据原动机对联轴器钢壳内径D0、叶轮轮毂外圆直径D3、叶轮宽度b进行初步设计，并预估填充钢球总质量G或者钢球质心体产生质心圆的直径D1；[0015]S3、校核钢球与联轴器钢壳体积关系；[0016]S4、校核扭矩；[0017]S5、在S3和S4步骤中，如校核不满足要求，则相应调整联轴器钢壳内径D0、叶轮轮毂外圆直径D3、叶轮宽度b，或相应调整钢球总质量G或者钢球质心体产生质心圆的直径D1，重复S3和S4步骤至满足要求；[0018]其中，在S3和S4的校核过程中，按照下式进行：

[0019]

钢球质心体产生质心圆的直径钢球体质心圆的内径摩擦力可传递的扭矩安全系数

且D2>D3；理论扭矩

[0020][0021][0022][0023]

式中，D0为联轴器钢壳内径mm，Z为钢球的总数量，d0为每粒钢球直径mm，b为叶轮宽度mm，D3为叶轮轮毂外圆直径mm，G为钢球总质量Kg，μ为钢球与钢壳的摩擦系数，P为电机功率KW，n为电机工作转速rpm。[0024]进一步的，在设计中钢球的直径为选取范围为2.0mm-6.0mm。[0025]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：[0026]该设计下的软启动钢球式安全联轴器，通过现场的实验，其输入转速和输出转速接近一致，正常工况下联轴器的表面没有温差，输出的扭矩和理论计算扭矩非常接近，随着转速的增加，输出扭矩也不断增加，其运转的可靠性也非常高，为软启动钢球式安全联轴器提供了一种准确且效果显著的结构计算方法。

附图说明

[0027]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

[0028]图1是本发明软启动钢球式安全联轴器的轴向剖面示意图；[0029]图2是本发明软启动钢球式安全联轴器的径向剖面示意图。[0030]图中标记：1-钢壳、2-叶轮轮毂、3-叶轮、4-钢球、5-加强筋。具体实施方式

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说　明　书

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本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥

的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。[0032]本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

[0033]实施例

[0034]一种软启动钢球式安全联轴器，其结构如图1和图2所示，包括具有用于容纳钢球的钢壳1，所述钢壳1的轴心设置有叶轮轮毂2，叶轮轮毂2上设置有叶轮3，钢球4装填在钢壳1内，所述钢壳1的侧端为用户连接端，叶轮轮毂2用于与电机连接；装填在钢壳1内的钢球总数量Z与联轴器具有以下关系：

[0035][0036]

式中，K为联轴器安全系数；Tj为所装载电机的理论扭矩kN.m，P为电机

功率KW，n为电机工作转速rpm；μ为钢球与钢壳的摩擦系数；D0为钢壳的内径mm；D1为钢球质心体产生质心圆的直径mm，

d0为钢球的直径mm,b为叶轮宽度mm；m为每

粒钢球的重量kg。

[0037]进一步的，所述钢球的直径为2.0mm-6.0mm。[0038]进一步的，所述叶轮3上设置有加强筋5，该加强筋5位于叶轮3宽度的中部，且沿叶轮轮毂2的圆周将相邻叶轮3进行连接，如图2所示。

[0039]本发明实施例的一种软启动钢球式安全联轴器的结构计算方法，包括以下步骤：[0040]S1、确定该联轴器的原动机扭矩；[0041]S2、确定联轴器安全系数(该安全系数一般根据用户需求确定)，选取钢球直径d0规格，根据原动机对联轴器钢壳内径D0、叶轮轮毂外圆直径D3、叶轮宽度b进行初步设计，并预估填充钢球总质量G或者钢球质心体产生质心圆的直径D1；该步骤中，原动机一般为电机，根据原动机规格对联轴器进行相关初步不设计时，一般是根据电机输出轴的长度轴径等条件进行选取，或者依据与联轴器用户端连接的弹性键规格为设计依据。[0042]S3、校核钢球与联轴器钢壳体积关系；[0043]S4、校核扭矩；[0044]S5、在S3和S4步骤中，如校核不满足要求，则相应调整联轴器钢壳内径D0、叶轮轮毂外圆直径D3、叶轮宽度b，或相应调整钢球总质量G或者钢球质心体产生质心圆的直径D1，重复S3和S4步骤至满足要求；[0045]其中，在S3和S4的校核过程中，按照下式进行：

[0046]

钢球质心体产生质心圆的直径钢球体质心圆的内径

且D2>D3；

[0047]

6

CN 106195059 A[0048][0049][0050]

说　明　书

理论扭矩

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摩擦力可传递的扭矩安全系数

式中，D0为联轴器钢壳内径mm，Z为钢球的总数量，d0为每粒钢球直径mm，b为叶轮宽

度mm，D3为叶轮轮毂外圆直径mm，G为钢球总质量Kg，μ为钢球与钢壳的摩擦系数，P为电机功率KW，n为电机工作转速rpm。[0051]进一步的，在设计中钢球的直径为选取范围为2.0mm-6.0mm。。[0052]1、具体规格实施计算示例[0053]以功率为P kw，转速为n rpm规格电机为原动机的联轴器为例，联轴器具有以下参数：

[0054]

[0055]

[0056][0057][0058][0059][0060][0061]

设计的计算体系：每粒钢球重量：

每粒钢球的容积：V1＝d03(在钢球直径选取范围内，容积近似为立方体)钢球的总数量：一半总钢球数量的容积：钢球质心体产生质心圆直径：钢球体质心圆的内径：理论计算扭矩：重量产生的压紧力：

摩擦力可传递的扭矩：Tμ＝FμR0

[0062][0063][0064][0065]

7

CN 106195059 A[0066][0067]

说　明　书

5/7页

安全系数：

2、联轴器的规格示例

[0068]一种功率为55KW，工作转速为1500rpm规格电机为驱动设计，通过本发明结构计算方法得到的联轴器的设计参数：

[0069]

[0070][0071][0072][0073][0074][0075][0076]

扭矩传递的计算和校核每粒钢球重量：

每粒钢球的容积：V1＝d03＝15.625mm3钢球的总数量：一半总钢球量的容积：钢球质心体产生质心圆直径：钢球体质心圆的内径：

因为：D2>D3(D3＝110)，所以钢壳

[0077]

可以容下钢球。

[0078][0079][0080][0081][0082][0083][0084]

理论计算扭矩：重量产生的压紧力：

摩擦力可传递的扭矩：Tμ＝FμR0＝0.5kN.m安全系数：

因此，该联轴器传递扭矩是安全的。3、其他规格的联轴器

通过上面相同的设计方式，对其他规格电机下的联轴器进行设计，如下表所示：

8

CN 106195059 A[0085]

说　明　书

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[0086]

从上表可以看出，该设计下方法所得到的联轴器是安全的，钢球在壳体内的布置

是合理的。[0088]4、安全联轴器的工业实验[0089]实验目的

[0090]对本发明方法下设计的联轴器进行工作性能研究，能否起到软启动的工作原理，检验其在工作过程中，不同转速与扭矩关系，检验联轴器过载保护的功能。[0091]实验原理

[0092]对各功率规格的联轴器进行工业实验，实验采用设计功率的电动机为动力源进行，电动机通过变频器精确调控，并采用扭力传感器测量输入输出功率、转速和扭矩，并用发电机进行电阻加载(机械能转换为电能)。[0093]实验过程中，通过对发电机进行逐渐加载(增加电阻容量)，实验转速由变频控制器(由低到高)不断提高，输入和输出转速、功率计扭矩由电子显示器读取。[0094]实验结果

[0095]通过实验表明，该结构计算方法下得到的联轴器，输入转速和输出转速接近一致，联轴器表明无温度差；输出扭矩和理论计算扭矩非常接近；随着转速的增加，输出扭矩也不断增大，符合软驱动联轴器的工作原理：随着转速的增加，钢砂所产生的摩擦力也不断增加，扭矩不断增加，钢砂和钢壳内壁产生静摩擦力，联轴器表明不会产生热量。[0096]试验中，随着负荷的不断增加，输入转速和输出转速明显不同步，数据失真，联轴器表明温度升高(钢球与内壁产生摩擦)，原动机自动断电，表明能达到该设计下的联轴器能达到过载保护的目的。

[0097]本发明设计下的联轴器，相比于传统设计技术工艺，本设计的联轴器的工作效率更高。

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[0087]

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说　明　书

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本安全联轴器的设计中，在2-6mm的不同钢砂的直径下，通过该设计过程结果也满

足要求。同时通过实验表明：在设计范围内，钢砂直径选取与扭矩传递的关系不大。其余的在2.0-6.0mm钢砂直径下，该方法在计算设计过程及实验结果中显示出一致性。[0099]因此，该发明提供了一种准确且效果显著的软启动钢球式安全联轴器结构计算方法。

[0100]本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

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说　明　书　附　图

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图1

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说　明　书　附　图

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图2

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