CN102720740B - 联轴器及联轴器中复合柱销的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合柱销、联轴器及联轴器中复合柱销的加工方法,复合柱销包括钢芯(4),所述的钢芯(4)为圆柱状,钢芯(4)的圆周外包覆有尼龙套(5)。本发明的有益效果:采用钢材和尼龙的复合柱销,发挥了两种材料的各自优点,尼龙有如橡胶或聚胺脂的抗振性,并有更高的强度,很的小摩擦力和更高的使用寿命,但与钢材相比,尼龙的机械强度要小得多,不能承受很大的传动力,而利用钢芯具有很高机械强度的特点,正好解决大传动力问题,同时,由于尼龙的延伸率较钢材高出几倍,有很高的抗冲击和受力变形及恢复能力,因而与钢销复合有很好的自适应性,此外,尼龙有自润滑性能,可大大减少使用中的维护工作。
Description
技术领域
本发明涉及到联轴器,为机械制造中的传动***,特别是涉及联轴器及联轴器中复合柱销的加工方法。
背景技术
在机械传动中,常用联轴器对传动轴进行联接。最常见的有刚性联接,如十字滑块联轴器、链条联轴器、内外齿轮联轴器等,其共同特点是吸能减振性能差,不宜频繁启动或正反转,或噪声较大;此外有柔性及半柔性联接,如挠性爪(橡胶)型联轴器、轮胎壳联轴器及弹性柱销联轴器等,其共同特点是噪声较小,但一般传动扭矩较小。
其中以弹性柱销联轴器的综合性能较好,使用广范,构造见图1:该联轴器主体分为左、右两联接盘,结构相异不对称,两接盘分别与输入和输出轴相接。接盘两面一半用弹性柱销以***方式(可称为半钢芯)、另一半以锥孔螺栓紧固方式,进行总体半柔性联接。此联轴器最大缺点是构造较复杂,螺栓锥体及锥孔加工精度要求高,且对日常维护检查有严格要求,一旦产生螺栓松动及锥孔磨损,即会造成联轴器整体失效。同时弹性柱销上的胶圈(橡胶或聚胺脂)的强度和耐磨性较差,使用寿命不高。
发明内容
本发明的目的即在于克服现在技术上的不足,提供一种联轴器及联轴器中复合柱销的加工方法,解决现有联轴器的强度和耐磨性较差,使用寿命不高的缺点。
本发明是通过以下技术方案来实现的: 联轴器,包括复合柱销和两个法兰,所述的复合柱销包括钢芯,所述的钢芯为圆柱状,钢芯的圆周外包覆有尼龙套,尼龙套与钢芯之间为机件装配的过渡配合,所述的两个法兰的接盘相向贴合,两个接盘组合成一个圆环盘,所述的圆环盘上沿圆周均匀都分布有数量和位置一致的柱销穿孔,且柱销穿孔穿透圆环盘,复合柱销设置在柱销穿孔内,复合柱销的大小与柱销穿孔配合。
进一步,上述的圆环盘沿圆周还分布穿插有若干封盖压紧螺钉。
上述的圆环盘的两侧设置有柱销封盖,用于将复合柱销封闭在柱销穿孔内。
联轴器中复合柱销的加工方法,包括以下步骤:
a、加工复合柱销中的尼龙套:使用车床等加工出合格的尼龙套,该尼龙套尺寸由联轴器所决定,其中尼龙套的长度为两个接盘的总厚度2L,尼龙套的外径为柱销穿孔的孔径D,尼龙套的内径d根据以下公式计算出:
σ尼(d/D)4-σ钢(d/D)3-σ尼 +(TL/ 2nR )32 /πD3 = 0 (1)
上述式(1)中,σ尼和σ钢分别为尼龙和钢的抗拉强度, L为其中一个接盘(8)的厚度,T为联轴器所需承受的转矩,n为联轴器上所需安装的复合柱销(3)的数目,R为接盘上柱销穿孔的分布半径,R即为柱销穿孔的轴线到联轴器轴线的距离;
b、加工复合柱销中的钢芯:使用车床等加工出合格的钢芯,该钢芯的直径等于尼龙套的内径d,钢芯的长度为2L;
c、将钢芯压入尼龙套内。
上述步骤a中式(1)的计算过程:
(1)单只复合柱销的两个大小相等、方向相反的作用力F、F′,且F、F′的大小为:
F= F′=T/(n×R) (2);
(2)计算复合柱销半段的均布荷载q:
q=F/L (3);
(3)计算复合柱销的半段在均布荷载下的总弯矩MW:
MW = q×L2 / 2 (4);
(4)复合柱销中钢芯和尼龙套共同抗弯,即共同承担弯矩MW,即
M尼+ M钢= MW (5)
其中M尼为尼龙套弯矩,M钢为钢销弯矩,并且钢芯和尼龙套具有不同的强度、不同的抗弯模量,其弯矩分别为
M尼= σ尼×W尼 (6)
M钢= σ钢×W钢 (7)
其中σ尼和σ钢分别为尼龙和钢的抗拉强度,W尼和W钢分别为尼龙套和钢芯的抗弯模量,而且
W尼= πD3(1-α4)/ 32 (8)
W钢= πα3 D3 / 32 (9)
其中α=d/D (10);
(5)将上述式(2)、(3)、(4)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)代入式(5)中即可得到式(1)。
本发明的有益效果是:在联轴器的两个连接接盘接盘内穿插柱销,该柱销为尼龙套包裹的钢芯,为复合柱销,发挥了两种材料的各自优点。尼龙有如橡胶或聚胺脂的抗振性,并有更高的强度,很的小摩擦力和更高的使用寿命。但与钢材相比,尼龙的机械强度要小得多,不能承受很大的传动力,而利用钢芯具有很高机械强度的特点,正好解决大传动力问题。同时,由于尼龙的延伸率较钢材高出几倍,有很高的抗冲击和受力变形及恢复能力,因而与钢销复合有很好的自适应性。此外,尼龙有自润滑性能,可大大减少使用中的维护工作。总之,该联轴器利用尼龙套来主要承受冲击缓冲和适应变形,利用钢芯来主要承受抗弯和抗剪负荷。
附图说明
图1 为现有技术的结构示意图;
图2 为发明的剖视图图;
图3 为图2中的侧面示意;
图4 为发明的受力图;
图5 为复合柱销半段受力变形示意图;
图6 为复合柱销半段受力分析图;
图中,1-法兰,2-柱销穿孔,3-复合柱销,4-钢芯,5-尼龙套,6-封盖压紧螺钉,7-柱销封盖,8-接盘,9-圆环盘。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明:
如图2、图3,联轴器,包括复合柱销3和两个法兰1,包括复合柱销和两个法兰,所述的复合柱销包括钢芯,所述的钢芯为圆柱状,钢芯的圆周外包覆有尼龙套,尼龙套与钢芯之间为机件装配的过渡配合,所述的两个法兰1的接盘8相向贴合,两个接盘8组合成一个圆环盘9,所述的圆环盘9上沿圆周均匀都分布有数量和位置一致的柱销穿孔2,且柱销穿孔2穿透圆环盘9,复合柱销3设置在柱销穿孔2内,复合柱销3的大小与柱销穿孔2配合。
进一步,上述的圆环盘9沿圆周还分布穿插有若干封盖压紧螺钉6。
上述的圆环盘9的两侧设置有柱销封盖7,用于将复合柱销3封闭在柱销穿孔2内。
联轴器中复合柱销的加工方法,包括以下步骤:
a、加工复合柱销3中的尼龙套5:使用车床等加工出合格的尼龙套5,该尼龙套5尺寸由联轴器所决定,其中尼龙套5的长度为两个接盘8的总厚度2L,尼龙套5的外径为柱销穿孔2的孔径D,尼龙套5的内径d根据以下公式计算出:
σ尼(d/D)4-σ钢(d/D)3-σ尼 +(TL/ 2nR )32 /πD3 = 0 (1)
上述式(1)中,σ尼和σ钢分别为尼龙和钢的抗拉强度,L为其中一个接盘8的厚度,T为联轴器所需承受的转矩,n为联轴器上所需安装的复合柱销3的数目,R为接盘上柱销穿孔2的分布半径,R即为柱销穿孔2的轴线到联轴器轴线的距离;
b、加工复合柱销3中的钢芯4:使用车床等加工出合格的钢芯4,该钢芯4的直径为d,钢芯4的长度为2L;
c、将钢芯4压入尼龙套5内。
上述步骤a中公式(1)的计算过程:
(1)单只复合柱销3的两个大小相等、方向相反的作用力F、F′,且F、F′的大小为:
F= F′=T/(n×R) (2);
(2)计算复合柱销3半段的均布荷载q:
q=F/L (3);
(3)计算复合柱销3的半段在均布荷载下的总弯矩MW:
MW = q×L2 / 2 (4);
(4)复合柱销3中钢芯4和尼龙套5共同抗弯,即共同承担弯矩MW,即
M尼+ M钢= MW (5)
其中M尼为尼龙套弯矩,M钢为钢销弯矩,并且钢芯4和尼龙套5具有不同的强度、不同的抗弯模量,其弯矩分别为
M尼= σ尼×W尼 (6)
M钢= σ钢×W钢 (7)
其中σ尼和σ钢分别为尼龙和钢的抗拉强度,W尼和W钢分别为尼龙套和钢芯的抗弯模量,而且
W尼= πD3(1-α4)/ 32 (8)
W钢= πα3 D3 / 32 (9)
其中α=d/D (10);
(5)将上述式(2)、(3)、(4)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)代入式(5)中即可得到式(1)。
下面对本发明进行具体的受力分析:
1、本发明的受力情况:如图4所示,从其右边的接盘8输入一个动力转矩T1,其左边接盘8必然有负载转矩 –T1产生,而动力转矩克服负载,由右向左的旋转传动,是靠在两个接盘8的园周均匀分布的复合柱销3来传递转矩作用力的,复合柱销3总数为n只,因此,在不考虑摩擦损失情况下,单只复合柱销3承受了两个大小相等、方向相反的作用力F和F′。如传动转矩已知为
可得单只作用力 F = F′= T1 /(n×R) (1—1)
2、复合柱销3半段受力情况:由于每只复合柱销3受力基本相同,且两端对称相等及方向相反,则可取其半段进行研究。如图5所示,将右接盘8脱出,并保留其原有作用力后,可将原作用力简化为对复合柱销3对称中点A的作用力F,及力矩M 。可见,复合柱销3半段受力具有一端固定的悬臂梁力学特征。并且,由于原作用力F实际是分散作用到整个半段复合柱销3长度L上的,复合柱销3理论上承受的是均布荷载,因此复合柱销3的内力矩也应为均布荷载所引起。
另外,从受力和变形来看,由于尼龙套5的抗压、抗拉及剪切强度比钢芯4要小得多,因此钢芯4应承受其主要载荷。而尼龙套5本身的延伸率要大得多,在相同受力下其变形量也大得多,这样可使钢芯4可在销尼龙套5中的产生挠曲变形。也由于左右接盘8之间存在一定间隙及发生微小错位,还可能产生钢芯4对点A的少量转动,钢芯4的少量变形和变位由图4中的虚线所示。最终达到协调变形和受力。
3、复合柱销3半段受力计算:
a、上述复合柱销3半段的受力简图及挠曲变形,由图6中所示。其总均布荷载为
q = F / L (3—1)
b、复合柱销3半段在均布荷载下的总弯矩,由图6所示。其弯矩计算为
MW = q×L2 / 2 (3—2) 此应在确定钢芯4直径后进行验算
c、复合柱销3半段剪力,由图6图所示。其最大值为
Q = q×L (3—3) 此应在确定钢芯4直径后进行验算
4、钢芯4与尼龙套5的直径比及荷载分配系数确定:
a、钢芯4和尼龙套5的直径比d /D计算
由于复合柱销3的受力特点之一为共同抗弯,其共同承担总弯矩MW,即
M尼+ M钢= MW (4—1) 其中 M尼为尼龙套5弯矩,M钢为钢销弯矩
并且钢芯4和尼龙套5具有不同的强度、不同的抗弯模量,其弯矩分别为
M尼= σ尼×W尼 M钢= σ钢×W钢
其中σ尼和σ钢分别为尼龙和钢的抗拉强度,W尼和W钢分别为尼龙套5和钢芯4的抗弯模量
而且 W尼= πD3(1-α4)/ 32 W钢= πα3 D3 / 32
其中 D为尼龙套5外径,d为钢芯4直径,其直径比d /D为α。
则(4—1)的弯矩式可改写成
σ尼×πD3(1-α4)/ 32 + σ钢×πD3α3 / 32 = MW
代入(3—2)式、MW = q×L2 / 2后为
σ尼×(1-α4)+σ钢×α3 =(q×L2 / 2 )×32 /πD3 (4—2)
即 σ尼α4-σ钢α3-σ尼 +(qL2 / 2 )32 /πD3 = 0 (4—3) 将上述式(1—1) F = T1 /(n×R)及(3—1) q = F / L、代入式中,即
可得到前述式(1)
σ尼(d/D)4-σ钢(d/D)3-σ尼 +(T1L/ 2nR )32 /πD3 = 0 (1)
再将已知:尼龙套5外径D,柱销半长L,转矩T1,柱销个数n,柱销分布半径R及尼龙和钢芯强度值σ尼、σ钢 代入上一元四次方程(1),可求出d/D的解。
由此得出复合柱销3的整体尺寸:尼龙套5外径 D;钢芯4的直径 d =αD;柱销总长 2 L
在此有一点说明:一般α= d/D,其值应在0.5 ≤α≤ 0.8 为宜,并且可通过对方程已知参数的调整来改变α的大小。此处α为经验数据,如α太大,则尼龙套5壁太薄,使缓冲性能差;如α太小,则钢芯4太细,不能发挥其主要抗弯、剪作用。并且使其与尼龙的接合面太小而压强太大,易压馈尼龙。
b、钢芯4和尼龙套5对荷载q的分配系数
在(4—2)式中, 将(L2 / 2)×3 2 /πD3中的参数加以固定,可设其为常数c,经整理后为
σ尼(1-α4)+σ钢α3 =c q (4—4)
由此变形后的弯矩式可见,左边表达为尼龙套5和钢芯4的抗弯因子,其与均布荷载q成线性关系。即可通过抗弯因子对荷载q进行分配,达到尼龙套5和钢芯4对荷载q的合理分担,分配系数分别为i尼及i钢,可写为
i尼 =σ尼(1-α4)/〔σ尼(1-α4)+σ钢α3〕 (4—5)
i钢 =σ钢α3 /〔σ尼(1-α4)+σ钢α3〕 (4—6)
将前四次方程α的解代入上两式,即可分别得到钢芯4和尼龙套5的荷载q分配系数i钢及i尼,
其可用于对钢芯4或尼龙套5的受力进行验算。
5、钢芯4与尼龙套5的受力验算:
a、钢芯4抗剪强度验算
因一般抗剪强度比其抗拉强度低得多,因而尼龙抗剪强度更为低,因此只作钢芯4对总剪力Q的剪力验算。由
τ= Q /A芯= q×L /(πd 2 / 4) (5—1) 其中 d=αD
应使 τ≤τ钢
b、尼龙套5最大压强验算
由于尼龙套5的内径较外径小,因而其与钢芯4接合的介面面积较小,是压强最大处。一般情况下,其压强由原来的q值削弱至 p ,由图6图可见,并且应为均布荷载。
但是,钢芯4在传力过程中将产生一定的挠度并压缩尼龙套5内径,使其悬端上部松弛、下部压缩,压力变化近似其挠曲线,其悬端上部压力减小值为 – p ;并且,因钢芯4需平衡固端反力,也会引起固端压力增大,其增大值为 + p,压力变化近似一直线;同时,由于接盘的安装间隙,也会产生钢芯4对中点A的微量转动。多各因素均使钢芯4压力局部增大,因而钢芯4对尼龙套5的实际压力并非均布荷载,钢芯4压力分布应为图6中的压力图所示。
因此,对尼龙套5最大压强的验算:取钢芯4均布荷载 p = i钢×q 、最大分布荷载 p max = p ×u 、承压面积为钢芯4轴剖面 A轴= L×d 。其中u是一荷载不均系数。此可参考钢芯4在最大挠度y max = i钢q L4/(8E钢πD 4α4/ 64)下、尼龙的压应力增加值(由虎克定律,计算略),在此说明、根据尼龙套5和钢芯4轴心线相同,即y尼= y钢,取钢芯4计算挠度即可,y max式中πD 4α4/ 64为钢芯4的惯矩。并参考电机的启动转矩倍数和尼龙的缓冲性等,取荷载不均系数u =1.5 ~2。最终验算
σ压= i钢×q ×u /(α×D) (5—2)
取 σ压≤ 尼龙抗拉强度σ尼,进行比较
应使 σ压≤σ尼压 或 σ压≤σ尼拉 (材料一般拉、压强度相等)
c、钢芯4抗弯强度验算
取钢芯4的分配荷载及上述计算得出直径进行验算
σ弯 = MW / W钢=(i钢q L2 / 2)/( πα3D3 / 32)(5—3)
应使 σ弯≤σ钢
实施计算实例
一联轴器构造为:接盘总厚2 L =60mm,柱销孔径D =30mm,单柱销受转矩负荷力F =2200 kg(22 kN),荷载不均系数u =2。柱销由全钢芯4及尼龙套5复合组成,尼龙的抗拉强度为 σ尼 =700 kg / cm2 (70MPa),钢芯4的抗拉强度为 σ钢 =3600 kg / cm2(45调质),钢芯4抗剪强度τ钢=2100 kg / cm2。求复合柱销3中的钢芯4直径d。
解:设钢芯4与尼龙套5外径之比为α=d /D,柱销半段受均布荷载q的作用,
1、钢芯4与尼龙套5的直径比及荷载分配系数确定:
a、钢芯4和尼龙套5的直径比α计算
由 q = F / L (3—1)
则 q = F / L = 2200 / 3 =733(kg / cm)
由四次方程 σ尼α4-σ钢α3-σ尼 +(qL2 / 2 )32 /πD3 = 0 (4—3)
代入已知得 700α4-3600α3-700 +(733×3 2 / 2 )×32 /π3 3 = 0
700α4-3600α3+545 = 0
140α4-720α3+109 = 0
解四次方程得 α1 =5.137
α2 =0.554
α3 = -0.274 +0.466 i
α4 = -0.274 -0.466 i
显然 只有α2 =0.554、为所需的该方程的实数解。
则 钢芯4直径为:d =αD = 0.554×30 = 16.6≈17(mm)
此应在最后,以钢芯4受剪及尼龙套5内孔受压情况作受力重点,进行验算通过为准。
b、钢芯4和尼龙套5的荷载分配系数计算
由 i尼 =σ尼(1-α4)/〔σ尼(1-α4)+σ钢α3〕 (4—5)
i钢 =σ钢α3 /〔σ尼(1-α4)+σ钢α3〕 (4—6)
代入已知 i尼 =700(1-0.554 4)/〔700(1-0.554 4)+3600×0.554 3〕
i钢 =3600×0.554 3 /〔700(1-0.554 4)+3600×0.554 3〕
计算得 i尼 = 0.51
i钢 = 0.49
此可用于对钢芯4或尼龙套5的受力验算。
2、钢芯4与尼龙套5的受力验算:
a、钢芯4抗剪强度验算
因一般材料的抗剪强度比其抗拉强度低得多,而尼龙抗剪强度更为低,为此只作钢芯4对总剪力Q的剪力验算。
由 Q = q×L (3—3)
又 τ= Q /A芯= q×L /(πd 2 / 4) (5—1) 其中 d=αD
代入已知 τ= 733×3 / 〔π×(0.554×3)2 / 4 〕
计算得 τ= 2199 / 2.2 =1100(kg / cm2)
因 τ=1000 ≤τ钢=2100 通过抗剪验算
b、尼龙套5最大压强验算
由 σ压= i钢×q ×u /(α×D) (5—2)
代入已知 σ压= 0.49×733×2 /(0.554×3)
=718 /1.66 = 433(kg / cm2)
因 σ压= 433 ≤σ尼=700 通过压强验算(材料拉、压强度基本相等)
c、钢芯4抗弯强度验算
由 σ弯 = MW / W钢=(i钢q L2 / 2)/( πα3 D3 / 32)(5—3)
代入已知 σ=( 0.49×733×3 2 / 2)/( π×0.554 3×3.3 / 32)
=1616 /0.45= 3591(kg / cm2)
因 σ= 3591≤σ钢= 3600 通过钢芯4抗弯验算。
Claims (2)
1.联轴器中复合柱销的加工方法,联轴器包括复合柱销(3)和两个法兰(1),所述的复合柱销(3)包括钢芯(4),所述的钢芯(4)为圆柱状,钢芯(4)的圆周外包覆有尼龙套(5),尼龙套(5)与钢芯(4)之间为机件装配的过渡配合,所述的两个法兰(1)的接盘(8)相向贴合,两个接盘(8)组合成一个圆环盘(9),所述的圆环盘(9)上沿圆周均匀分布有数量和位置一致的柱销穿孔(2),且柱销穿孔(2)穿透圆环盘(9),复合柱销(3)设置在柱销穿孔(2)内,复合柱销(3)的大小与柱销穿孔(2)配合,其特征在于,包括以下步骤:
a、加工复合柱销(3)中的尼龙套(5):使用车床加工出合格的尼龙套(5),该尼龙套(5)尺寸由联轴器所决定,其中尼龙套(5)的长度为两个接盘(8)的总厚度2L,尼龙套(5)的外径为柱销穿孔(2)的孔径D,尼龙套(5)的内径d根据以下公式计算出:
σ尼(d/D)4-σ钢(d/D)3-σ尼 +(TL/ 2nR )32 /πD3 = 0 (1)
上述式(1)中,σ尼和σ钢分别为尼龙和钢的抗拉强度, L为其中一个接盘(8)的厚度,T为联轴器所需承受的转矩,n为联轴器上所需安装的复合柱销(3)的数目,R为接盘上柱销穿孔(2)的分布半径,R即为柱销穿孔(2)的轴线到联轴器轴线的距离,且d/D的大小为0.5~0.8;
b、加工复合柱销(3)中的钢芯(4):使用车床加工出合格的钢芯(4),该钢芯(4)的直径等于尼龙套(5)的内径d,钢芯(4)的长度为2L;
c、将钢芯(4)压入尼龙套(5)内。
2.根据权利要求1所述的联轴器中复合柱销的加工方法,其特征在于,步骤a中式(1)的计算过程:
(1)单只复合柱销(3)所受两个大小相等、方向相反的作用力F、F′,且F、F′的大小为:
F= F′=T/(n×R) (2);
(2)计算复合柱销(3)半段的均布荷载q:
q=F/L (3);
(3)计算复合柱销(3)的半段在均布荷载下的总弯矩MW:
MW = q×L2 / 2 (4);
(4)复合柱销(3)中钢芯(4)和尼龙套(5)共同抗弯,即共同承担弯矩MW,即
M尼+ M钢= MW (5)
其中M尼为尼龙套弯矩,M钢为钢销弯矩,并且钢芯(4)和尼龙套(5)具有不同的强度、不同的抗弯模量,其弯矩分别为
M尼= σ尼×W尼 (6)
M钢= σ钢×W钢 (7)
其中σ尼和σ钢分别为尼龙和钢的抗拉强度,W尼和W钢分别为尼龙套(5)和钢芯(4)的抗弯模量,而且
W尼= πD3(1-α4)/ 32 (8)
W钢= πα3 D3 / 32 (9)
其中α=d/D (10);
(5)将上述式(2)、(3)、(4)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)代入式(5)中即可得到式(1)。
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