一種液壓脹緊式聯(lián)接器的研究

王振乾，卿兆波，楊惠忠

(中國計量學(xué)院，浙江杭州 310018)

一種液壓脹緊式聯(lián)接器的研究

王振乾，卿兆波，楊惠忠

(中國計量學(xué)院，浙江杭州 310018)

在動力傳動裝置中，軸轂聯(lián)接器是比較常用的基礎(chǔ)部件，由于液壓脹緊式聯(lián)接器 (又稱液壓脹套)結(jié)構(gòu)與工作原理的獨特性，使其具有快速安裝和過載保護(hù)的功能。應(yīng)用薄壁圓筒的無矩理論和有矩理論推導(dǎo)了聯(lián)接器腔內(nèi)壓強(qiáng)與環(huán)形夾層變形量的公式，并借助于實驗來驗證理論公式的正確性;進(jìn)一步分析產(chǎn)生相對誤差的原因，使其對生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。

液壓脹套;薄壁圓筒;有矩理論;無矩理論

圖1 液壓脹套

在動力傳動裝置中，軸與輪轂聯(lián)接是一種比較常見的聯(lián)接方式。以往的軸與輪轂的聯(lián)接大多采用鍵聯(lián)接、錐套脹緊聯(lián)接等［1－2］。鍵聯(lián)接軸與輪轂間的配合不夠緊密，再加上要在軸和輪轂上開鍵槽，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且定心精度不高，受力不夠均勻，經(jīng)多次

拆裝后，軸與輪轂之間易發(fā)生磨損，配合間隙增大，導(dǎo)致零件報廢。錐套脹緊聯(lián)接的結(jié)構(gòu)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化［3］，但錐套脹緊聯(lián)接由于其結(jié)構(gòu)特點而使其拆裝非常麻煩，在一些需要快速拆裝的場合不能得到很好的利用。

文中介紹了一種液壓脹緊式聯(lián)接器，該聯(lián)接器不僅能夠消除鍵聯(lián)接而產(chǎn)生的間隙與應(yīng)力集中的問題，而且具有便于拆裝和維護(hù)、過載保護(hù)等優(yōu)點。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

液壓脹套的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由一個淬火鋼制彈性環(huán)形夾層和法蘭組成。彈性環(huán)形夾層里充有液壓介質(zhì)，調(diào)壓螺釘和活塞安裝在法蘭里，起到改變和保持環(huán)形夾層內(nèi)液體靜壓的作用。

1.2 工作原理

液壓脹套的工作原理是:在密封的彈性環(huán)形夾層內(nèi)注入一定的液壓介質(zhì)，通過擰緊螺釘帶動活塞使密封夾層中的液壓介質(zhì)產(chǎn)生均勻的液體靜壓強(qiáng)。彈性環(huán)形夾層在靜壓強(qiáng)的作用下產(chǎn)生彈性變形使得內(nèi)層環(huán)收縮與外層環(huán)膨脹，當(dāng)內(nèi)外夾層分別與軸、轂貼合時，將與輪轂和軸產(chǎn)生足夠的摩擦力矩從而傳遞轉(zhuǎn)矩并承受一定的軸向載荷，由于產(chǎn)生的摩擦力矩可由加壓螺釘控制，所以該液壓脹套具有過載保護(hù)功能且對中精度高。反之，擰松螺絲時，液體靜壓強(qiáng)逐漸減小至消失，脹套的環(huán)形夾層快速彈性恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而實現(xiàn)軸與轂孔的快速拆卸。圖2中示出該液壓脹套完成軸轂聯(lián)接的3個過程。

圖2 液壓脹套工作狀態(tài)示意圖

1.3 主要特點

液壓脹套除了具有傳統(tǒng)軸轂聯(lián)接器的優(yōu)點［4］以外，還有自身的特點:

(1)快速拆裝。將螺絲放松后，夾層內(nèi)的油壓隨之下降直至消失，聯(lián)接器的夾層將彈性恢復(fù)到初始的位置從而可將其快速拆卸下來。重新擰緊螺釘又再一次迅速夾緊。

(2)過載保護(hù)。通過調(diào)壓螺釘調(diào)整腔內(nèi)油壓的大小，從而調(diào)整傳遞轉(zhuǎn)矩。根據(jù)工作情況可設(shè)置合適的過載保護(hù)轉(zhuǎn)矩值。

(3)對中精度高。該聯(lián)接器內(nèi)外徑本身的同軸度精度高，彈性環(huán)形夾層在靜壓強(qiáng)的作用下產(chǎn)生彈性變形，使得內(nèi)層環(huán)收縮與外層環(huán)膨脹，消除軸和輪轂之間的間隙，保證軸與輪轂有很高的對中精度。且多次拆裝不影響其對中精度。

(4)節(jié)省軸向空間。該聯(lián)接器的調(diào)壓螺釘位于軸的徑向，當(dāng)用它們來進(jìn)行徑向聯(lián)接時，就不需要在軸向上給聯(lián)接器預(yù)留裝/卸操作空間。

2 設(shè)計計算

2.1 腔內(nèi)壓強(qiáng)計算

液壓脹套腔內(nèi)壓強(qiáng)的計算，是把環(huán)形夾層內(nèi)的液壓介質(zhì)看作是不可壓縮流體，通過調(diào)壓螺釘改變腔內(nèi)體積，從而改變腔內(nèi)液壓介質(zhì)對環(huán)形夾層的壓強(qiáng)值p。根據(jù)不可壓縮流體理論［5］，腔內(nèi)體積的改變量ΔV與腔內(nèi)壓強(qiáng)的改變量Δp的關(guān)系為:

腔內(nèi)體積變化可通過調(diào)壓螺釘推動圓柱活塞形成的空間變化來計算，調(diào)壓螺釘推動圓柱活塞使液體減小的體積為:

式中:D為圓柱活塞的直徑，mm;

t'為調(diào)壓螺釘?shù)穆菥?，mm;

n為調(diào)壓螺釘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

將以上兩式整理即可得出腔內(nèi)壓強(qiáng)的計算方法:

2.2 受力與變形分析

由兩個曲面圍成的物體，當(dāng)曲面之間的距離遠(yuǎn)小于物體的其他尺寸時，稱為殼體。兩曲面間的垂直距離稱為殼體的厚度，用t表示。平分厚度的曲面稱為中性面，簡稱為中曲面或中面。中面的最小曲率半徑用R表示。文中研究的液壓脹套的雙層夾層的壁厚與中面最小曲率半徑之比小于1/20，可稱為薄殼。所以雙層夾層的受力與變形量的關(guān)系可按彈性力學(xué)中的薄殼問題進(jìn)行求解［6］。

對于薄壁圓筒的受力與變形分析，一般先用無矩理論計算，之后再用有矩理論對其結(jié)果進(jìn)行修正。薄壁圓筒在無矩理論下的力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 無矩理論力學(xué)模型

根據(jù)薄壁圓筒的無矩理論，任意橫截面的直筒形柱殼，圓筒內(nèi)在受均勻分布的壓力作用下?lián)隙茸兓臒o矩解為:

式中:ω為撓度，mm;

E為彈性模量，N/mm2;

L為圓筒長度，mm;

t為壁厚，mm;

p為圓筒所受壓強(qiáng)，N/mm2;

x為中面母線始點至變點距離，mm;

α為中面周線始點至變點距離，mm;

R為中面半徑，mm。

當(dāng)R為常數(shù)時，式 (4)可化簡為:

當(dāng)薄壁圓筒的兩端被固定時，其有矩理論的力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 有矩理論力學(xué)模型

式中:ω*是方程的任一特解，C1，C2，C3，C4由殼體的邊界條件來確定。

殼體中不受彎矩及扭矩作用的狀態(tài)稱為無矩狀態(tài)，所以殼體的無矩理論是殼體有矩理論的特殊情況，所以可以將無矩理論下的無矩解作為方程 (8)的一個特解ω*，這樣可得:

2.3 消除環(huán)形夾層與軸轂間隙所需壓力Δp1的計算

液壓脹套環(huán)形夾層與軸轂之間的間隙δ由4個部分組成:(1)配合公差產(chǎn)生的間隙;(2)表面粗糙度造成的間隙;(3)溫度差引起的修正量;(4)離心力影響的修正量［7］。因此有:

式中:δ1為配合公差產(chǎn)生的間隙，mm;

δ2為表面粗糙度產(chǎn)生的間隙，mm;

δ3為溫度差引起的修正量，mm;

δ4為離心力引起的修正量，mm。

由式 (18)可知，消除間隙δ所需壓力Δp1為:

3 實驗驗證

文中研究的液壓脹套如圖5所示。

圖5 液壓脹套受力示意圖

式中:T為傳遞轉(zhuǎn)矩，N·m;

p1為作用于軸上的壓力，N·m2;其值為腔內(nèi)壓強(qiáng)p減去消除間隙所需壓強(qiáng)Δp1;

d為軸直徑，mm;

l1為油腔長度，mm;

f為摩擦因數(shù);

xb為非完全接觸長度，mm。

由于聯(lián)接器與軸的結(jié)合面為危險結(jié)合面，所以主要對聯(lián)接器與軸的結(jié)合進(jìn)行研究。文中研究的聯(lián)接器:油腔長度l1=49 mm;軸直徑d=25 mm;壁厚t=0.75 mm;彈性模量E=206 GPa;泊松比μ=0. 3;摩擦因數(shù)f=0.11。根據(jù)式 (3)可計算出調(diào)壓螺釘每旋轉(zhuǎn)一圈腔內(nèi)壓強(qiáng)的變化量為16.801 MPa，由此根據(jù)式 (19)和式 (20)可計算出調(diào)壓螺釘旋轉(zhuǎn)不同圈數(shù)時，所能傳遞轉(zhuǎn)矩的理論值。將文中研究的液壓聯(lián)接器在轉(zhuǎn)矩測試臺測得的實測值與理論值進(jìn)行比較，見表1。

表1 扭矩理論計算值與實測值比較

通過上面的比較可知，理論值與實測值的相對誤差均小于15%，說明文中的計算模型是合理的。

4 結(jié)論

文中的數(shù)學(xué)模型是在理想的條件下計算得到的，實際情況下影響傳遞轉(zhuǎn)矩的因素還有很多，從而導(dǎo)致實測值與理論值有一定偏差。所以在生產(chǎn)中必須全面考慮其影響因素。這些因素主要有:

(1)腔內(nèi)液體介質(zhì)的物理特性，主要是它們的可壓縮性與熱膨脹性質(zhì)。

(2)脹套與被聯(lián)接零件構(gòu)成的摩擦副的特性，例如摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性等。

(3)兩被聯(lián)接零件在接合部位的剛度。

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［3］冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB/T 7934-1999脹緊聯(lián)結(jié)套 型式與基本尺寸［S］.北京:機(jī)械行業(yè)出版社，1999.

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Research on the Hydraulic Expansion Tight Coup ling

WANG Zhenqian，QING Zhaobo，YANG Huizhong
(China Jiliang University，Hangzhou Zhejiang 310018，China)

The shaft-hub coupling is a basic component used in power transmission.Due to the unique structure and working principle of the hydraulic expansion tight coupling(also known as hydraulic expansion sets)，it has the functions of fast installation and overload protection.Use of the nomomental theory and themomental theory of thin cylinder，the relationship between coupling cavity pressure and amount of ringmezzanine deformation was deduced.Through experimental tests，the correctness of the theoretical formula was verified，then the causes of relative error were analyzed.

Hydraulic expansion sets;Thin cylinder;Nomomental theory;Momental theory

TH131.9

A

1001－3881(2014)10－118－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.036

2013－04－22

王振乾 (1986—)，男，碩士研究生，主要研究方向是越野裝備研發(fā)。E－mail:wangzq315@163.com。