現(xiàn)代型面聯(lián)接研究及其應(yīng)用

劉 莉，陳 浩，賈文友，李仁軍，許德章

(安徽工程大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

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現(xiàn)代型面聯(lián)接研究及其應(yīng)用

劉 莉，陳 浩，賈文友，李仁軍，許德章

(安徽工程大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

在經(jīng)典型面聯(lián)接的研究現(xiàn)狀和構(gòu)建四葉形型面聯(lián)接典型的力學(xué)模型基礎(chǔ)上，研究現(xiàn)代型面聯(lián)接及其應(yīng)用.首先，提出現(xiàn)代型面聯(lián)接三個研究方向及其定義，在每個研究方向的定義中，分別給出工程應(yīng)用案例；然后，以案例為基礎(chǔ)，探討如何進(jìn)行具體現(xiàn)代型面聯(lián)接的受力分析；最后，尋求建立現(xiàn)代型面聯(lián)接應(yīng)用的快速設(shè)計平臺，以提高實現(xiàn)效率.

經(jīng)典型面聯(lián)接；現(xiàn)代型面聯(lián)接；力學(xué)模型；快速設(shè)計平臺

在齒輪傳動、帶傳動及凸輪機構(gòu)等傳動機構(gòu)中實現(xiàn)既定功能時，因平鍵和花鍵等鍵配合表面的制造技術(shù)相對比較成熟，通常采用平鍵或花鍵等鍵聯(lián)接傳遞動力和周向固定，然而其在使用和制造中存在著諸多固有的缺點.如鍵配合如果過緊則裝配不便，過松會造成早期磨損，降低壽命；花鍵的制造需要專業(yè)機床、刀具，加工過程復(fù)雜、要求精度高、加工工時長、制造成本高.因此，尋求替代的聯(lián)接機構(gòu)—型面聯(lián)接機構(gòu)被廣泛研究.經(jīng)典型面聯(lián)接的基本定義是采用不規(guī)則曲面或者光滑非圓柱截面的軸與輪轂來傳遞扭矩的一種聯(lián)接方式[1-2].型面形狀可以采用橢圓形、三葉形、四葉形和五葉形等.型面聯(lián)接實現(xiàn)能夠較好地克服上述平鍵和花鍵等鍵聯(lián)接的缺點.例如，型面聯(lián)接能減少應(yīng)力集中、傳遞較大的扭矩、增大剛度、降低制造成本、延長機器壽命等[1,3].型面聯(lián)接的諸多優(yōu)點使得開展現(xiàn)代型面聯(lián)接研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和較高的工程應(yīng)用價值.分析經(jīng)典型面聯(lián)接的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，同時分析建立四葉形型面聯(lián)接的典型力學(xué)模型，拓展經(jīng)典型面聯(lián)接的研究，確定現(xiàn)代型面聯(lián)接的三個研究方向及其定義，研究每個研究方向定義下的典型工程應(yīng)用案例.

1 經(jīng)典型面聯(lián)接

最初，經(jīng)典型面聯(lián)接研究主要在鐘表、印刷機械等行業(yè)中應(yīng)用，直到20世紀(jì)60年代德國修訂了型面聯(lián)接相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，使得經(jīng)典型面聯(lián)接應(yīng)用研究快速推廣.其后，Szwedowicz D[4]等采用軸轂之間增加型面聯(lián)接塊以改善其聯(lián)接，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜；Kumar M[5]等研究了內(nèi)擺線的型面聯(lián)接的實現(xiàn)；Saidin S[6]等將型面聯(lián)接實現(xiàn)應(yīng)用于生物工程的移植領(lǐng)域；3D打印技術(shù)提高了型面聯(lián)接的制造工藝性[7].我國對經(jīng)典型面聯(lián)接的理論和適用范疇研究起步相對較晚[1,8-10].隨著制造現(xiàn)代加工技術(shù)的提高，型面聯(lián)接的研究與應(yīng)用取得了顯著發(fā)展.如李長勝[11]等將型面無鍵聯(lián)接技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械中；賈文友[12]等研究家用電器用四葉形的型面聯(lián)接替代花鍵聯(lián)接；王洪青[13]進(jìn)一步將型面聯(lián)接應(yīng)用到船舶行業(yè)；杜艷霞[14]研究礦山機械的等距型面聯(lián)接等.

隨著經(jīng)典型面聯(lián)接研究的深入，在研究對象、功能需求、實現(xiàn)形式等研究方面得到拓展，即現(xiàn)代型面聯(lián)接的研究.目前沒有文獻(xiàn)系統(tǒng)規(guī)范地描述現(xiàn)代型面聯(lián)接的研究方向及其定義、應(yīng)用案例和設(shè)計平臺等.

圖1 等距四葉形型面聯(lián)接力學(xué)模型

型面聯(lián)接實現(xiàn)中接觸--沖擊特性的評估必不可少，等距四葉形型面聯(lián)接力學(xué)模型如圖1所示.由圖1可知，D為公稱直徑；a為截面邊長；q0為三角形分布載荷的最大值；F為三角形分布載荷的合成；M為總扭矩；[σ]為正應(yīng)力的許用值；[τ]為剪切應(yīng)力的許用值；l為配合長度.

根據(jù)正應(yīng)力的最大值約束，則公稱直徑D約束表達(dá)式為：

(1)

根據(jù)剪切應(yīng)力的最大值約束，則公稱直徑D約束表達(dá)式為:

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可以確定經(jīng)典型面聯(lián)接實現(xiàn)的D的取值范圍.

在經(jīng)典型面聯(lián)接實現(xiàn)的力學(xué)行為中，型面聯(lián)接和漸開線花鍵聯(lián)接的強度條件校核對比如下：漸開線花鍵聯(lián)接主要的失效形式是工作面被壓潰，強度條件為：

(3)

式中,T表示傳遞的轉(zhuǎn)矩；ψ表示載荷分配不均系數(shù)；z表示齒數(shù)；h表示齒的工作高度，漸開線花鍵，壓力角是30°時，h=m(模數(shù))；[σp]表示花鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力.

型面聯(lián)接結(jié)合面產(chǎn)生的強度條件為：

(4)

式中,dr表示計算直徑；er表示剖面的偏心度；pp表示許用壓強力.

2 現(xiàn)代型面聯(lián)接研究方向定義及其應(yīng)用

經(jīng)典型面聯(lián)接和現(xiàn)代型面聯(lián)接的共同核心是研究符合設(shè)計要求的型面結(jié)構(gòu)，即不規(guī)則曲面或者光滑非圓柱截面，現(xiàn)代型面聯(lián)接是經(jīng)典型面聯(lián)接的研究拓展.現(xiàn)代型面聯(lián)接的研究方向之一是在基于經(jīng)典型面聯(lián)接的基本定義中“傳遞扭矩”功能要求上，將典型面聯(lián)接的“軸與輪轂之間聯(lián)接”研究拓展至“非軸和輪轂的可拆聯(lián)接”研究；現(xiàn)代型面聯(lián)接的研究方向之二不再局限于“傳遞扭矩”功能要求，而是為了提高裝配過程的可靠性和效率等，基于不規(guī)則曲面或者光滑非圓柱截面設(shè)計必要輔助聯(lián)接結(jié)構(gòu)；現(xiàn)代型面聯(lián)接的研究方向之三是其研究方向一和二的更進(jìn)一步拓展，所研究的具有不規(guī)則曲面或者采用光滑非圓柱截面的不同構(gòu)件不再是嚴(yán)格意義上裝配聯(lián)接在一體的要求，而是通過型面接觸形式，實現(xiàn)特定的功能要求.

研究方向一的定義.即所有的采用不規(guī)則曲面或者光滑非圓柱截面，將兩個或兩個以上的構(gòu)件按某種方式裝配在一起，用于傳遞扭矩的非軸和輪轂的可拆聯(lián)接.

圖2 面向可延伸的既定功能的現(xiàn)代型面聯(lián)接機構(gòu)

案例1 劉莉[15]等對研究方向一中的現(xiàn)代型面聯(lián)接展開深入研究，其中，基于研究方向一的定義解決了柔性制造系統(tǒng)快速重構(gòu)的工程應(yīng)用，面向可延伸的既定功能的現(xiàn)代型面聯(lián)接機構(gòu)如圖2所示.由圖2可知，基于現(xiàn)代型面聯(lián)接實現(xiàn)了重構(gòu)傳動軸在長度調(diào)整過程中傳遞力矩達(dá)到要求、長度調(diào)整范圍連續(xù)、鎖緊可靠性的同時，確保了重構(gòu)時短的準(zhǔn)備時間，即通過“n”型的型面聯(lián)接結(jié)構(gòu)的“凸”軸、“工”型的型面聯(lián)接結(jié)構(gòu)的“凹”軸及其鎖緊機構(gòu)快速實現(xiàn)可延伸的既定功能.基于現(xiàn)代型面聯(lián)接的重構(gòu)傳動軸的較短長度a和較長長度b不同情形下的重構(gòu)狀態(tài)如圖3所示.

圖3 基于現(xiàn)代型面聯(lián)接的重構(gòu)傳動軸的重構(gòu)狀態(tài)

研究方向二的定義.即所有的采用不規(guī)則曲面或者光滑非圓柱截面將兩個或兩個以上的構(gòu)件按某種方式裝配在一起用于輔助裝配等的可拆聯(lián)接.

圖4 現(xiàn)代型面聯(lián)接下快速定位與夾緊裝置示意圖

案例2 劉莉[16-18]等對研究方向二中的現(xiàn)代型面聯(lián)接展開深入研究，其中，基于研究方向二的定義解決了一種快速定位、夾緊的更換裝置的工程應(yīng)用，如圖4所示.由圖4可知，裝置包括固定板和定位支撐板等結(jié)構(gòu).關(guān)于沖頭要實現(xiàn)完全定位，由固定板、定位支撐板和定位圓柱銷共同實現(xiàn)；關(guān)于沖頭模塊要實現(xiàn)快速定位，由型面聯(lián)接處楔形的現(xiàn)代型面聯(lián)接實現(xiàn)；關(guān)于沖頭模塊要實現(xiàn)可靠夾緊，由緊定支撐板等元件共同實現(xiàn)；關(guān)于固定板要實現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠地安裝到?jīng)_壓設(shè)備上，由固定板實現(xiàn)，即固定板設(shè)計為U型槽結(jié)構(gòu).

研究方向三的定義.即所有的采用不規(guī)則曲面或者光滑非圓柱截面將兩個或兩個以上的構(gòu)件按某種方式相互作用在一起以滿足輸送等既定功能.

圖5 面向理環(huán)的既定功能現(xiàn)代型面聯(lián)接裝置主視圖

案例3 在燃油發(fā)動機的氣缸中，為了防止活塞左右兩腔相互竄氣并將活塞上產(chǎn)生的熱量傳給氣缸壁，活塞上設(shè)有活塞密封圈(即活塞環(huán))，安裝于活塞環(huán)槽中.梯形活塞環(huán)是其重要的一種類型，主要加工工藝流程為：首先制作活塞環(huán)毛坯；然后加工活塞環(huán)外圓；再按工作間隙尺寸銑出切口，擴(kuò)張至所需要的自由切口間隙尺寸，并在此狀態(tài)下熱處理定型，形成所需尺寸的活塞環(huán)；最后進(jìn)行活塞環(huán)的表面處理.梯形活塞環(huán)互相錯開的開口在此加工工藝流程中極易產(chǎn)生活塞環(huán)相互之間的雜亂纏繞，一方面降低理環(huán)效率，另一方面易產(chǎn)生活塞環(huán)變形等質(zhì)量缺陷.一種面向理環(huán)既定功能的型面聯(lián)接裝置如圖5所示.由圖5可知，該裝置主要包括接受活塞環(huán)處、螺旋型面聯(lián)接處和V形型面聯(lián)接處等.理環(huán)過程包括活塞環(huán)的接收、輸送和輸出過程.在活塞環(huán)的接收過程中，完成該道工序的半成品活塞環(huán)通過加工設(shè)備的落料口，直接套落在接受活塞環(huán)處，然后自然滑至螺旋型面聯(lián)接處的一端.在活塞環(huán)的輸送過程中，螺旋型面聯(lián)接處的一端接收到滑落而至的活塞環(huán)，螺旋槽在電機帶動下不停地旋轉(zhuǎn)，梯形活塞環(huán)的開口與螺旋槽的螺旋型面聯(lián)接處相接觸，并被平穩(wěn)輸送.在活塞環(huán)的輸出過程中，活塞環(huán)平穩(wěn)地被輸送到螺旋型面聯(lián)接處的另一端后，順利脫離螺旋槽，在重力和慣性的作用下，梯形活塞環(huán)的開口與V形型面聯(lián)接處相接觸，成功地滑落到活塞環(huán)的收集器上.

誠然，現(xiàn)代型面聯(lián)接的其他研究方向有待進(jìn)一步研究拓展，可重構(gòu)輸送線的托板裝置既具有研究方向二定義中用于輔助裝配的特性，又具有聯(lián)接研究方向三定義中以滿足輸送等特定的功能要求.

相對經(jīng)典型面聯(lián)接中的有三葉形、四葉形和擺線形等規(guī)范統(tǒng)一的力學(xué)模型，現(xiàn)代型面聯(lián)接的力學(xué)模型則形態(tài)各異，需要結(jié)合具體的工程應(yīng)用案例進(jìn)行針對性的受力分析.以案例2為例，設(shè)計要求是夾緊可靠，采取螺旋夾緊機構(gòu)，其夾緊力F為：

(5)

圖6 型面聯(lián)接處沖頭模塊的受力圖

由于現(xiàn)代型面聯(lián)接的形態(tài)各異，不方便建立規(guī)范統(tǒng)一的力學(xué)模型，因而使用Ansys有限元分析軟件構(gòu)建相關(guān)三維接觸非線性動態(tài)仿真模型，通過設(shè)置邊界條件、載荷添加及位移約束，進(jìn)而分析與討論輪軸和輪彀應(yīng)力分布情況，不同配合公差、偏心率、輪彀尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同轉(zhuǎn)速、阻力矩等載荷參數(shù)對接觸—沖擊特性評估是又一個重要途徑.

3 現(xiàn)代型面聯(lián)接的快速設(shè)計平臺

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代型面聯(lián)接的實現(xiàn)期望開發(fā)快速設(shè)計平臺.AutoCAD、UGNX、Pro/E、CATIA等二維、三維設(shè)計軟件以及Ansys等可靠性分析軟件為開發(fā)快速設(shè)計平臺提供有效途徑.現(xiàn)代型面聯(lián)接實現(xiàn)的快速設(shè)計平臺的構(gòu)建框架包括三個模塊：現(xiàn)代型面聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計、現(xiàn)代型面聯(lián)接的接觸—沖擊特性評估方法和制造工藝分解與規(guī)劃.在現(xiàn)代型面聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊中包括三維模型、二維圖、爆炸圖等；在現(xiàn)代型面聯(lián)接的接觸—沖擊特性評估方法中包括力學(xué)模型和Ansys有限元分析等；在制造工藝分解與規(guī)劃中包括工序號、工序名稱、工步號、內(nèi)容、設(shè)備名稱及型號、工藝裝備編號及名稱和工序動畫等.基本設(shè)計流程：針對一個新的現(xiàn)代型面聯(lián)接工程案例，根據(jù)經(jīng)典型面聯(lián)接庫和現(xiàn)代型面聯(lián)接工程案例確定其具體結(jié)構(gòu)方案，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模型；選擇接觸—沖擊特性評估方法進(jìn)行模型評價；擬制制造工藝；保存或?qū)С龅?現(xiàn)代型面聯(lián)接實現(xiàn)的快速設(shè)計平臺的主要界面如圖7所示.

圖7 現(xiàn)代型面聯(lián)接實現(xiàn)的快速設(shè)計平臺的主要界面

4 結(jié)束語

基于經(jīng)典型面聯(lián)接的研究成果，提出了現(xiàn)代型面聯(lián)接的三個研究方向的定義.對于每個研究方向分別研究了不同的工程應(yīng)用案例，并探索現(xiàn)代型面聯(lián)接的接觸—沖擊特性評估.為了縮短現(xiàn)代型面聯(lián)接的實現(xiàn)周期，提出現(xiàn)代型面聯(lián)接實現(xiàn)的快速設(shè)計平臺框架.研究進(jìn)一步表明現(xiàn)代型面聯(lián)接研究方向及應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，值得拓展其研究深度.

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Modern Profile Connection and Its Applications

LIU Li，CHEN Hao,JIA Wen-you,LI Ren-jun,XU De-zhang

(College of Mechanical and Automotive Engineering ，Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Based on the literature review and the mechanical model of the four-sided of the classical profile connection,the modern profile connection is addressed.Firstly,three different definitions of the modern profile connection are proposed.These three cases correspond to the three different definitions respectively.Then, how to formulate the mechanical model of the modern profile connection is explored.Lastly,in order to enhance the design efficiency,the rapid design platform of the modern profile connection is presented.

classical profile connection;modern profile connection;mechanical model;rapid design platform

1672-2477(2016)05-0033-05

安徽省高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究基金資助項目(KJ2016A057,TSKJ2014B14)

劉 莉(1975-)，女，安徽合肥人，副教授，碩士．

THl62

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