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        軸用彈性擋圈的承載能力分析

        2020-09-10 16:53:55王子龍王夢夢
        交通科技與管理 2020年2期
        關(guān)鍵詞:承載能力

        王子龍 王夢夢

        摘 要:介紹了軸用彈性擋圈的工作原理及應(yīng)用范圍,分析了其失效模式,研究了擋圈承載能力的理論計(jì)算方法,對于指導(dǎo)擋圈的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和匹配應(yīng)用以及分析其可靠性、避免總成結(jié)構(gòu)失效具有重大意義。

        關(guān)鍵詞:軸用彈性擋圈;承載能力;計(jì)算分析

        中圖分類號:TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        0 引言

        軸用彈性擋圈,又稱為軸用卡簧,是一種重要的機(jī)械緊固件,用于固定軸上的部件或總成,且可承受一定的軸向力。軸用彈性擋圈可依靠模具沖壓成型,或者由線型鋼材卷繞成型,一般為環(huán)形結(jié)構(gòu),用于軸向限位,其典型安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。在傳動(dòng)系統(tǒng)軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,軸用彈性擋圈因其結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)得到了大量的應(yīng)用,且其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)展,軸用彈性擋圈的可靠性直接影響著整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性及安全運(yùn)行[1]。目前我國已經(jīng)制定的軸用彈性擋圈國家新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 894-2017絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于德國擋圈制造標(biāo)準(zhǔn)DIN471[2],缺乏相應(yīng)的理論支撐。軸用彈性擋圈作為一種重要的基礎(chǔ)零部件,其可靠性的研究對整個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展有著巨大的推動(dòng)作用,也是制約“中國制造2025”計(jì)劃取得重大突破的關(guān)鍵所在。

        軸用彈性擋圈在工作狀態(tài)下,應(yīng)能依靠擋圈自身彈力及其與相配溝槽尺寸差箍緊在槽底隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),否則會(huì)造成擋圈與槽底的相對運(yùn)動(dòng),使相關(guān)零部件破壞或者失效,甚至導(dǎo)致?lián)跞γ撀涫?。目前對于軸用彈性擋圈的設(shè)計(jì),主要依據(jù)擋圈及相配軸相關(guān)配合尺寸,依靠經(jīng)驗(yàn)或參照已有產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、選型,如果擋圈參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)、選型出現(xiàn)偏差,將會(huì)使擋圈與卡簧槽的配合間隙調(diào)整不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致?lián)跞υ诠ぷ鬟^程中,出現(xiàn)振動(dòng)或者滑移,嚴(yán)重時(shí)甚至斷裂或者飛出。這種設(shè)計(jì)方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代精密機(jī)械的需求。本文基于典型軸用彈性擋圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析,給出了擋圈的承載能力的計(jì)算公式及校核方法,可供相關(guān)設(shè)計(jì)者參考。

        1 軸用彈性擋圈承載能力分析

        軸用彈性擋圈的承載能力是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)之一,能在很大程度上反映出擋圈的綜合性能,當(dāng)軸用彈性擋圈受到過度壓力或者外力作用時(shí),會(huì)造成擋圈嚴(yán)重變形。軸用彈性擋圈的承載能力分析需要對溝槽的承載能力FN和擋圈的承載能力FR分別計(jì)算,擋圈最終的承載能力取決于兩者的較小值。

        1.1 溝槽的承載能力分析

        軸用彈性擋圈的承載能力與其相配軸的結(jié)構(gòu)、材料及熱處理方式息息相關(guān),在擋圈選型過程中需要通盤考慮軸系的設(shè)計(jì)。

        按照圖1的安裝結(jié)構(gòu)示例,與擋圈配合的溝槽擋肩面積為:

        溝槽的承載能力計(jì)算公式為:

        式中:為軸的屈服強(qiáng)度[3];SF1為溝槽承載的額定安全系數(shù),一般取SF1≥1;q為載荷系數(shù),其值取決于擋肩長度系數(shù)(見圖2)。

        從圖2可知,擋肩長度系數(shù)值越大,載荷系數(shù)值越小,溝槽擋肩的承載能力越強(qiáng),一般推薦擋肩長度系數(shù)取1≤n/t≤4,過低會(huì)影響軸的強(qiáng)度,導(dǎo)致軸被壓潰或者斷裂;而過高則不會(huì)再對載荷系數(shù)產(chǎn)生更顯著的影響。

        1.2 擋圈的承載能力分析[4]

        擋圈的承載能力除了與相配軸的結(jié)構(gòu)相關(guān)外,更重要的是擋圈自身的結(jié)構(gòu)、材料及表面處理方式。

        軸用彈性擋圈承載能力計(jì)算公式為:

        式中:為擋圈的許用翻轉(zhuǎn)角,由軸的外徑?jīng)Q定(見圖3);K為擋圈的特征值;h為擋圈承載時(shí)翻轉(zhuǎn)力矩的杠桿臂(見圖4);SF2為擋圈承載的額定安全系數(shù),一般取SF2≥1。

        從圖3可知,許用翻轉(zhuǎn)角隨著軸徑d1的增加而增大,但軸徑d1增大到一定值后,許用翻轉(zhuǎn)角不再變化。

        計(jì)算常量值K由軸用彈性擋圈的結(jié)構(gòu)和材料決定,其公式如下:

        其中:E為軸用彈性擋圈材料的彈性模量;s為軸用彈性擋圈的厚度;(b的定義見圖1)。

        當(dāng)支撐面帶倒角(或圓角)g時(shí),軸用彈性擋圈的承載能力FRg的計(jì)算公式為:

        軸用彈性擋圈最終的承載力:

        由于軸用彈性擋圈需要承受一定的軸向力,材料選擇上均采用高等級的彈簧鋼,同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鏌崽幚?,具體設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合擋圈的應(yīng)用工況及相配件的狀態(tài),綜合考慮其結(jié)構(gòu)及材料性能,如彈性模量、屈服點(diǎn)、伸長率以及硬化能力等。

        軸用彈性擋圈在傳動(dòng)系統(tǒng)軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中能否實(shí)現(xiàn)其軸向限位和固定作用,擋圈的承載能力分析計(jì)算是必不可少的,只有工作在彈性擋圈許用的承載能力范圍內(nèi),才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者對其提出的功能要求。

        2 結(jié)論

        軸用彈性擋圈作為基礎(chǔ)緊固件的重要組成零件,從各種工業(yè)機(jī)械中均是不可或缺的部分,其承載能力的研究對于擋圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)、用戶的選型、傳動(dòng)系統(tǒng)的總成性能等均有很大的影響。雖然軸用彈性擋圈在設(shè)計(jì)中所占的比重很小,但一旦發(fā)生脫落造成的損失較大,所以,應(yīng)對其承載能力進(jìn)行校核計(jì)算,結(jié)合使用工況,選擇合理的安全系數(shù),使設(shè)計(jì)滿足使用要求。

        參考文獻(xiàn):

        [1]蒲良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社, 2006.

        [2]DIN471-2011.04,Retaining rings for shafts-Normal type and heavy type[S].

        [3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2011.

        [4]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

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