過盈連接的設(shè)計計算

1、過盈連接的設(shè)計計算提高擴(kuò)展內(nèi)容第15章 連接設(shè)計1.過盈連接的設(shè)計計算教材15. 4節(jié)簡單介紹過盈連接的原理、特點及應(yīng)用。鑒于此連接在機(jī)械工程 中廣泛應(yīng)用，特作如下擴(kuò)展，供讀者參考。1. 1過盈連接的特點及應(yīng)用過盈連接是利用連接零件間的過盈配合來實現(xiàn)連接的。這種連接也叫干涉配合 連接（緊配合連接或。（過盈連接的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、對中性好、承載能力大、在沖擊載荷下能可黑地 工作、對軸削弱少。其主要缺點為配合面的尺寸精度高、裝拆困難。過盈連接主要 用于軸與轂的連接、輪圈與輪芯的連接以及滾動軸承與軸或座孔的連接等。本節(jié)僅 介紹圓柱面的過盈連接。1.2圓柱面過盈連接的設(shè)訃訃算（1）過盈連接的工作原理及裝

2、配方法1）過盈連接的丄作原理過盈連接是將外徑為dd的被包容件壓入內(nèi)徑為的包容件中（圖1. la）。由于配 合BA直徑間有的過盈量，在裝配后的配合面上，便產(chǎn)生了一定的徑向壓力。當(dāng)連 接,A, ,B承受軸向力F（圖1. lb）或轉(zhuǎn)矩T（圖1. lc）時，配合面上便產(chǎn)生摩擦阻力或摩擦 阻力矩以抵抗和傳遞外載荷。d-a)圓柱面過盈連接b)受軸向力的過盈連接c)受轉(zhuǎn)矩的過盈連接圖1.1圓柱面過盈連接的工作原理2)過盈連接的裝配方法過盈連接的裝配方法有壓入法和溫差法。(壓入法是利用壓力機(jī)將被包容件直接壓入包容件中。由于過盈量的存在，在壓入過程中，配合表面微觀不平度的峰尖不可避免地要受到擦傷或壓平，因而降低

3、了連接的緊固性。在被包容件和包容件上分別制出如圖1.2所示的導(dǎo)錐，并對配合表 面適當(dāng)加潤滑劑，可以減輕上述擦傷。溫差法是加熱包容件或（和）冷卻被包容件，使之既便于裝配，乂可減少或避免 損傷配合表面，而在常溫下即達(dá)到牢固的連接。加熱是利用電加熱，冷卻采用液態(tài) 空氣（沸00點為-副194C）或固態(tài)二氧化碳（乂名干冰，沸點為-79C）。溫差法可以得到較大的固持力，常用于配合直徑較大的連接;冷卻法則常用于 配合直徑較小時。過盈連接的應(yīng)用實例見圖1. 3及1. 4o山于過盈連接拆裝會使配合面受到嚴(yán)重?fù)p傷，半裝配過盈量很大時，裝好后再 拆開就更加困難。因此，為了保證多次裝拆后的配合仍能具有良好的緊固性，可

4、采 用液壓拆卸，即在配合面間注入高壓油，以漲大包容件的內(nèi)徑，縮小被包容件的外 徑，從而使連接便于拆開，并減小配合面的擦傷。但采用這種方法時，需在包容件和（或）被包容件上制出油孔和油溝，如圖1.4所示。d丿M圖1.2過盈裝配的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)圖1.3曲軸過盈連接組裝件圖1.4軸與軸承、齒輪的過盈連接及拆開時用的注油螺口管道（2）過盈連接的設(shè)計計算過盈連接訃算的假設(shè)條件是:連接零件中的應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)（即軸向應(yīng) 力,0）,應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)；材料的彈性模量為常量;連接部分為兩個等長的厚壁 Z筒，配合面上的壓力為均勻分布。主要用以承受軸向力或傳遞轉(zhuǎn)矩，或者同時兼有以上兩種作用（個別情況過盈 連接也用以承

5、受彎矩）。由前述工作原理可知，為了保證過盈連接的工作能力，強(qiáng) 度計算須包含兩個方面:一方面是在已知載荷的條件下，計算配合面間所需產(chǎn)生的 壓力和產(chǎn)生這個壓力所需的最小過盈量；另一方面是在選定的標(biāo)準(zhǔn)過盈配合下，校 核連接的諸零件（如輪圈與輪芯、輪轂與軸等）在最大過盈量時的強(qiáng)度。如采用脹縮 法裝配時，還應(yīng)算出加熱及冷卻的溫度。此外，須算出裝拆時所需的壓入力及壓出 力。必要時還應(yīng)算出包容件外徑的脹大量及被包容件內(nèi)徑的縮小量?，F(xiàn)分述于后。1）配合面間所需的徑向應(yīng)力P過盈連接的配合面間應(yīng)具有的徑向應(yīng)力是隨著所傳遞的載荷類型不同而異的。A. 傳遞軸向力F當(dāng)連接傳遞軸向力F時(圖1.1b),應(yīng)保證連接在此載荷

6、作用 下，不產(chǎn)生軸向滑動。亦即當(dāng)徑向力為p時，在外載荷F的作用下，配合面上所能 產(chǎn)生的F軸向摩擦阻力，應(yīng)大于或等于外載荷F。f設(shè)配合的公稱直徑為d,配合面間的摩擦系數(shù)為f,配合長度為1,則F, dlpf fF,F因需保證，故fFp, (1.1) ,dlfB. 傳遞轉(zhuǎn)矩T當(dāng)連接傳遞轉(zhuǎn)矩T時(圖1.1c),則應(yīng)保證在此轉(zhuǎn)矩作用下不產(chǎn) 生周向滑移。亦即當(dāng)徑向壓力為p時，在轉(zhuǎn)矩T的作用下，配合面間所能產(chǎn)生的摩 擦阻力M矩應(yīng)大于或等于轉(zhuǎn)矩T。f設(shè)配合面上的摩擦系數(shù)為f,配合尺寸同前，則d Mdlpf, f2M,T因需保證，故得fT2p, (1.2) 2, dlf配合面間摩擦系數(shù)的大小與配合面的狀態(tài)、材料

7、及潤滑情況等因素有關(guān)，應(yīng)山 實驗測定。表1.1給出了兒種情況下摩擦系數(shù)值，以供計算時參考。表1. 1摩擦系數(shù)f值壓入法脹縮法連接零件材無潤滑有潤滑連接零件材結(jié)合方式，潤滑f料時f時f料鋼，鑄鋼 油壓擴(kuò)孔，壓力油為0.11 0. 08 0. 125礦物油鋼,結(jié)構(gòu)鋼油壓擴(kuò)孔，壓力油為0.10 0. 07 0. 18甘油，結(jié)合面排油干凈 鋼，鋼 鋼，優(yōu)質(zhì)結(jié)在電爐中加熱包容0. 11 0. 08 0. 14 0構(gòu)鋼 件至300C鋼，青銅0. 15, 0. 03,在電爐中加熱包容0.2 0件至300C以后，結(jié)0. 20 0. 06 合面脫脂鋼，鑄鐵0. 12, 0. 05,鋼，鑄鐵油壓擴(kuò)孔，壓力油為0.

8、1礦物油0. 15 0. 10鑄鐵，鑄鐵0. 15, 0. 15,鋼,鋁鎂合無潤滑0. 10,金 0. 25 0. 10 0. 15C. 承受軸向力F和轉(zhuǎn)矩T的聯(lián)合作用 此時所需的徑向壓力為2T2, ,2F, ,d, (1. 3) p, dlf,2)過盈連接的最小有效過盈量min根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)厚壁圓筒的計算理論，在徑向壓力為P時的過盈量為3,pd(C/E, C/E), 10 1122則由式(1.3)可知，過盈連接傳遞載荷所需的最小過盈量為,CC312, pd, , 10 (1. 4) min, EE12,，兩式中：、一一分別為過盈連接的過盈量和最小過盈量，單位為；,mminP一一配合面間的徑

9、向壓力，由式(1.1)(1.3)計算，單位為MPa;d配合的公稱直徑，單位為mm;、分別為被包容件與包容件材料的彈性模量，單位為MPa; EE2122d, dlC,被包容件的剛性系數(shù)，；C11122d,dl22d, d2C,包容件的剛性系數(shù)，；C12222d,d2、一一分別為被包容件的內(nèi)徑和包容件的外徑，單位為mm; ddl2、一一分別為被包容件與包容件材料的泊松比。對于鋼，；對于鑄鐵，0.321山式(1. 1)(1. 3)可見，當(dāng)傳遞的載荷一定時，配合長度1越短，所需的徑向 壓力P就越大。再由式(7,11)可見，當(dāng)P增大時，所需的過盈量也隨之增大。因 此，為了避免在載荷一定時需用較大的過盈量

10、而增加裝配時的困難，配合長度不宜 過短，一般推薦采用。但應(yīng)注意，由于配合面上的應(yīng)力分布不均勻，當(dāng)時，即應(yīng)考 1, 0. 9dl, 0. 8d慮兩端應(yīng)力集中的影響，并從結(jié)構(gòu)上采用降低應(yīng)力集中的措施，參看圖19. 14o顯然，上面求出的，只有在采用脹縮法裝配不致擦去或壓平配合表面微觀不平 度min的峰尖時才有效的。所以采用脹縮法裝配時，最小有效過盈量,，。但當(dāng)采用 壓minmin入法裝配時，配合表面的微觀峰尖將被擦去或壓平一部分(圖1.5),此 時按式(1.4)求出的，即為理論值，應(yīng)再增加被擦去部分2u,故計算公式為min,2u, minmin (1 5) , 2u 0. 8 (RR, , zlz

11、2,圖15壓入法裝配時配合表面擦去部分示意圖式中:u裝配時圖1. 5所示兩配合表面上微觀峰尖被擦去部分的高度之和, 取其為,單位為；0. 4(R, R),mzlz2、一一分別為被包容件及包容件配合表面上微觀不平度的十點高度，單位為RRz2zl,其值隨表面粗糙度而異，見表1.2。,m表1.2加工方法、表面粗糙度及表面微觀不平度十點高度Rz加工方法精車或精鋰，狡，精磨，刮中等磨光，刮（每平方厘鉆石刀頭鋰，研磨，拋光，超精加（每平方厘米內(nèi)有3, 5鎮(zhèn)磨 工等 米內(nèi)有1.5,個點）3個點）表面粗槌度代號R/,m 10 6. 3 3. 2 1. 6 0. 8 0.4 0. 2 0. 1 0. 05 z設(shè)

12、計過盈連接時，如用壓入法裝配，應(yīng)根據(jù)（1.5）求得的最小有效過盈量，從,min國家標(biāo)準(zhǔn)中選出一個標(biāo)準(zhǔn)過盈配合，這個標(biāo)準(zhǔn)過盈配合的最小過盈量應(yīng)略 大于或等于，。若使用脹縮法裝配時，山于配合表面微觀峰尖被擦傷或壓平的很 少，可以略去不min計，亦即可按式（1.4）求出，后直接選定標(biāo)準(zhǔn)過盈配合。minmin還應(yīng)指出的是：實踐證明，不平度較小的兩表面相配合時貼合的情況較好，從 而可提高連接的緊固性。3）過盈連接的強(qiáng)度訃算前已指出，過盈連接的強(qiáng)度包括兩個方面，即連接的強(qiáng)度及連接零件本身的強(qiáng) 度。由于按照上述方法選出的標(biāo)準(zhǔn)過盈配合已能產(chǎn)生所需的徑向壓力，即已能保證 連接的強(qiáng)度，所以下面只討論連接零件本身的

13、強(qiáng)度問題。過盈連接零件本身的強(qiáng)度，可按材料力學(xué)中闡明的厚壁圓筒強(qiáng)度計算方法進(jìn)行 校核。當(dāng)壓力p 定時，連接零件中的應(yīng)力大小及分布情況見圖1.6。首先按所選 的標(biāo)準(zhǔn),，的表層是否處于彈性變形范圉內(nèi)。設(shè)、分別為被包容件及包容件材料的屈服 極 S1S2限，則由圖1.6可知，不出現(xiàn)塑性變形的校驗公式為：22dd, lp,對被包容件內(nèi)表層(1.9) ,maxS122d22d, d2p,對包容件內(nèi)表層(1. 10) , maxS2443d, d24)過盈連接最大壓入力、壓出力當(dāng)采用壓入法裝配并準(zhǔn)備拆開時，為了選擇所需壓力機(jī)的容量，應(yīng)將其最大壓 入力、壓出力按下列公式算出：最大壓入力(1. 11) F, f

14、, dlpimax最大壓出力(1. 12) F, (1. 31. 5)F, (1. 31. 5)f, dlpOimaxo)包容件加熱和被 包容件冷卻溫度0如采用脹縮法裝配時，包容件的加熱溫度或被包容件的冷卻溫度(單位均為)ttC21可按下式計算：,maxOt, , t (1. 3) 203, d, 102,maxOt, , t (1. 14) 103, d, 101式中:一一所選得的標(biāo)準(zhǔn)配合在裝配前的最大過盈量，單位為；，mmax,裝配時為了避免配合面相互擦傷所需的最小間隙。通常采用同樣公稱直 徑0的間隙配合H7/g6的最小間隙，單位為，或從手冊中查??；，md配合的公稱直徑，單位為mm;,、，

15、一一分別為被包容件及包容件材料的線膨脹系數(shù)，查有關(guān)手冊；210t裝配環(huán)境的溫度，單位為。C06)包容件外徑脹大量及被包容件內(nèi)徑縮小量(一般只需計算其最大絕對值)當(dāng) 有必要訃算過盈連接裝配后包容件外徑脹大量及被包容件內(nèi)徑縮小量時，可按下列 公式計算：22pddmax2, d,包容件外徑最大脹大量(1. 15) 2max22E(d, d)2222pddmaxl, d,被包容件內(nèi)徑縮小量(1. 16) lmax22E(d, d)U,d, d式中和的單位為mm,其余各符號的意義及單位同前。2maxlmax例1圖1.7所示為一過盈連接的組合齒輪，齒圈材料為45鋼，輪芯材料為鑄 鐵6HT250;已知其傳遞

16、的轉(zhuǎn)矩T, 7, 10, mm,結(jié)構(gòu)尺寸如圖所示，裝配后不再拆 開，裝配時配合面用潤滑油潤滑，試決定其標(biāo)準(zhǔn)過盈量和壓入力。解1.確定壓力p110圖1.7過盈連接的組合齒輪6在作用下，連接應(yīng)具有的徑向應(yīng)力p,根據(jù)式(7-9),并由表7-5T,7, ION, mm 取得f, 0. 0862T2, 7, 10p, MPa, 2. 19MPa 22, fdlO. 08, 480, 1102(確定最小有效過盈量，選定配合種類1) 求滿足上面P值所需的最小過盈量由式(1.4),先計算式中的剛性系數(shù)C、C, 2155E, 1. 3, lOMPaE, 2. 1, lOMPa 已知,0.25, ,0.3;,得

17、12122222dd, 480, 4401C, 0. 25, 11.27 112222dd, 480, 44012222dd, 520, 4802C, , , 0. 3, 12. 82 122222dd, 520, 4802將以上諸值代入式(1.4),得,CCU. 2712.82, 3312, pd, , 10,2.19, 480,10, m, 155, m , min, 55EE1. 3, 102.1, 10, 12,2) 選擇標(biāo)準(zhǔn)配合，確定標(biāo)準(zhǔn)過盈量 根據(jù)式(1.5)確定最小有效過盈量。設(shè)配合R, 10, mR, 6. 3,m孔的表面粗糙度為,軸為,由表7-6選取;,則z2zl,0. 8

18、(R, R), 155, 0. 8, (6. 3, 10), m, 170, m minminzlz2,0. 063, 480現(xiàn)考慮齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，山公差配合表選H7/s6配合，其 孔公差;0,0. 292, 480軸公差為。此標(biāo)準(zhǔn)配合可能產(chǎn)生的最大過盈量;最小，,(292, 0), m, 292, m, 0. 252max過盈量為，合用。(252, 63), m, 189, m, 170, mmin3(計算過盈連接的強(qiáng)度因所選標(biāo)準(zhǔn)配合可以產(chǎn)生足夠的徑向壓力，故連接強(qiáng)度已保證?，F(xiàn)只需校核連 接零件本身的強(qiáng)度。已知所選配合的最大過盈量為，但因采用壓入法裝配，考慮配 合 292, m表面微觀峰尖被擦去，故裝配后可能產(chǎn)生的最大徑向應(yīng)力按式2u, 0.8(R,R)pzlz2max (1. 6)及式(1. 5)求得為,0. 8 (R, R) 292, 0. 8, (6. 3, 10)maxl2zzp, MPa, 3. 95MPa maxll. 2712. 82, CC3312480, , , 10, d, , 1055, 1. 3, 102.1, 10EE, 12,再山手冊查取包容件齒圈材料45鋼的屈服極限，則山式（1.10）求 得,280MP&S22