CN102720740B - 联轴器及联轴器中复合柱销的加工方法 - Google Patents

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

联轴器及联轴器中复合柱销的加工方法

技术领域

本发明涉及到联轴器，为机械制造中的传动系统，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插入方式（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M_W：

M_W = 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M_W，即

M_尼+ M_钢= M_W (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M_W：

M_W = 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M_W，即

M_尼+ M_钢= M_W (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

M_W = 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M_W，即

M_尼+ M_钢= M_W （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 = M_W

代入（3—2）式、M_W = 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 = M_W / 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 = M_W / 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M_W：

M_W = 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M_W，即

M_尼+ M_钢= M_W (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）。