CN103307121B - 一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法，金属法兰包含法兰筒(2)和法兰盘(6)，将复合材料空心轴(1)的轴端L段进行增径并设计成外正多边形,将法兰筒的联接内孔也进行增径并设计成内正多边形，采用有机溶剂粘接+锁紧连杆(5)并在径向螺栓(3)及轴向螺栓(4)的联接下来联接金属法兰和复合材料空心轴，可以进一步增强复合材料空心轴与金属法兰的联接强度，提高结合部位的抗挤压变形能力，有效隔离振动噪声的传递，解决复合材料空心轴在长期大扭矩载荷下的工作可靠性和稳定性，延长复合材料空心轴的使用寿命，推动复合材料空心轴向各领域范围进行具体应用，联接方法简单、快速、实用。

Description

一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法

技术领域

本发明属于复合材料联接技术领域，尤其涉及到一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法。

背景技术

由复合材料制作的传动轴已广泛应用于工程机械、风力发电、机车推进装置等各个领域，复合材料大多采用纤维增强树脂基，复合材料传动轴与金属传动轴相比，具有重量轻、耐腐蚀、振动衰减大、噪声低，不导磁、免维护等优点，尤其适用于制作较长的传动轴，能减少轴承的装配数量，同时还具有较强的位移补偿功能。

为减轻重量，多数场合下复合材料传动轴采用空心轴，复合材料空心轴在工程应用中的一个重要问题就是如何实现扭转、拉、压等载荷的可靠传递，复合材料空心轴通常与金属法兰构成一个完整联接体，因此如何保证复合材料空心轴与金属法兰的可靠联接，是关系复合材料空心轴能否长期可靠运行的关键问题。

有报道称，通过胶接和机械联接相结合的方式可以实现复合材料空心轴与金属法兰的联接，或是将金属法兰插接在复合材料空心轴内的联接方式，但问题是：

复合材料空心轴的力学性能呈现出各向异性且层间剪切强度较低，采用上述联接方式时，不可避免会对联接部位造成损伤，尤其是在长期大扭矩交变载荷作用下其联接部位极易产生应力集中而进一步加剧损伤，出现如分层、扩孔等疲劳破坏，降低复合材料空心轴的承载能力，严重时会引起联接部位的损坏失效。

如何提高复合材料空心轴与金属法兰的联接强度以及抗疲劳性，是本发明所要探讨的问题。

发明内容

为提高复合材料空心轴与金属法兰的联接强度以及抗疲劳性，本发明提供了一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法，通过该联接方法可有效解决复合材料空心轴在长期大扭矩载荷下的工作可靠性和稳定性，延长复合材料空心轴的使用寿命，推动复合材料空心轴向各领域范围进行具体应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法，复合材料空心轴由纤维增强树脂制作而成，金属法兰包含法兰筒和法兰盘，设定法兰筒与复合材料空心轴的轴向联接长度为L，设定法兰筒的联接内孔直径为D₁，设定法兰筒的联接外径为D₂，设定复合材料空心轴的外径为D₃，D₁与D₃匹配，法兰盘的最大外径不做限制，法兰筒联接在法兰盘的端面上，本发明的联接方法包含复合材料空心轴轴端L段外径的设计改进、法兰筒联接内孔的设计改进以及改进后复合材料空心轴与所述金属法兰的联接方式，本发明的联接方法涉及到轴向螺栓、径向螺栓及锁紧连杆；本发明的特征如下：

①复合材料空心轴轴端L段外径的设计改进

根据法兰筒的轴向联接长度将复合材料空心轴的轴端L段外径在D₂的基础上进行增径并将增径外径的外形设计改进为外正多边形，所述外正多边形选用的基材与空心轴的复合材料相同，所述增径外径控制在D₃+{5～30}mm；

②法兰筒联接内孔的设计改进

根据复合材料空心轴轴端L段外径的所述外正多边形设计改进，将法兰筒的联接内孔也进行增径并将增径内径的内形设计改进为内正多边形，所述内正多边形的边数=所述外正多边形的边数且所述内正多边形的相关尺寸与所述外正多边形的相关尺寸相互匹配，所述增径内径控制在D₁+{5～30}mm，所述增径内径与所述增径外径相匹配，法兰盘的最大外径满足安装需求即可；

③复合材料空心轴与所述金属法兰的联接方式

锁紧连杆具有轴向内孔和径向内孔，所述径向内孔面向所述外正多边形或是所述内正多边形的任一边正中，所述轴向内孔面向法兰盘的端面，所述径向内孔垂直于所述轴向内孔，根据上述正多边形的边数分别在法兰筒和复合材料空心轴轴端L段的每个边正中配钻有法兰筒内孔和空心轴螺纹内孔，根据所述径向内孔在法兰盘的端面配钻有数个法兰盘螺纹内孔，先将复合材料空心轴的轴端L段所述外正多边形用80～120#砂纸进行手工打磨使其具有粗糙度，然后用高压气体吹去其表面浮尘，再用有机溶剂清洗其表面并晾干待用，法兰筒的所述内正多边形采用酸洗或是喷砂或是有机溶剂进行清洗，之后在室温下将胶粘剂均匀涂摸所述内正多边形和所述外正多边形，待所述胶粘剂风干后将法兰筒套接在复合材料空心轴的轴端L段并用有机溶剂清洗清洗被挤出的所述胶粘剂，待法兰筒与复合材料空心轴完全固化后，再将与正多边形边数相等的锁紧连杆分别通过所述径向内孔、所述法兰筒内孔将径向螺栓固定在所述空心轴螺纹内孔中，同时将锁紧连杆分别通过所述轴向内孔将轴向螺栓固定在所述法兰盘螺纹内孔中，紧固时通过定力矩扳手逐个固定径向螺栓及轴向螺栓，完成复合材料空心轴与所述金属法兰的全部联接。

除上述所述手工打磨外，还可采用电动打磨或是风动打磨。

上述所述有机溶剂是丙酮。

由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：

1、本发明的联接方法可有效解决复合材料空心轴在长期大扭矩载荷下的工作可靠性和稳定性，延长复合材料空心轴的使用寿命，推动复合材料空心轴向各领域范围进行具体应用。

2、将复合材料空心轴的轴端L段进行增径并设计成外正多边形而将法兰筒2的联接内孔也进行增径并设计成内正多边形，外正多边形与内正多边形的边数相配使其联接处的强度得到大大提高，也增大了联接处的承载能力，相同复合材料制作的空心轴非常便于生产加工，金属法兰的制作也不复杂，这就为复合材料空心轴在长期大扭矩载荷下的工作提供了安全可靠性和稳定性，为延长复合材料空心轴的使用寿命提供了最大可能。

3、本发明的联接方法采用有机溶剂粘接+锁紧连杆的固定方式，可以进一步增强复合材料空心轴与金属法兰的联接强度，提高结合部位的抗挤压变形能力，有效隔离振动噪声的传递。

4、本发明的联接方法可以有效缓解结合部位的应力集中现象，经交变扭矩疲劳试验证明，在径向螺栓联接处未出现变形、破坏等现象，预期使用寿命将得到大幅提高。

附图说明

图1是本发明轴向剖面联接结构示意简图；

图2是图1的左向剖面联接结构示意简图；

上述图中：1-复合材料空心轴；2-法兰筒；3-轴向螺栓；4-径向螺栓；5-锁紧连杆；6-法兰盘。

具体实施方式

本发明是一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法，通过本发明的联接方法可有效解决复合材料空心轴在长期大扭矩载荷下的工作可靠性和稳定性，延长复合材料空心轴的使用寿命，推动复合材料空心轴向各领域范围进行具体应用。

复合材料空心轴1由纤维增强树脂制作而成，或由非金属材料制作而成，金属法兰包含法兰筒2和法兰盘6，设定法兰筒2与复合材料空心轴1的轴向联接长度为L，设定法兰筒2的联接内孔直径为D₁，设定法兰筒2的联接外径为D₂，设定复合材料空心轴1的外径为D₃，D₁与D₃匹配，法兰盘6的最大外径不做限制，法兰筒2联接在法兰盘6的端面上。

结合图1，本发明的联接方法包含复合材料空心轴1轴端L段外径的设计改进、法兰筒2联接内孔的设计改进以及改进后复合材料空心轴与所述金属法兰的联接方式，本发明的联接方法涉及到轴向螺栓4、径向螺栓3及锁紧连杆5。

本发明的特征如下：

①复合材料空心轴1轴端L段外径的设计改进

根据法兰筒2的轴向联接长度将复合材料空心轴1的轴端L段外径在D₂的基础上进行增径并将增径外径的外形设计改进为外正多边形，所述外正多边形选用的基材与空心轴的复合材料相同，所述增径外径控制在D₃+{5～30}mm。图1所示为正六边形，建议正多边形的边数至少是正五边形。

②法兰筒2联接内孔的设计改进

根据复合材料空心轴1轴端L段外径的所述外正多边形设计改进，将法兰筒2的联接内孔也进行增径并将增径内径的内形设计改进为内正多边形，所述内正多边形的边数=所述外正多边形的边数且所述内正多边形的相关尺寸与所述外正多边形的相关尺寸相互匹配，所述增径内径控制在D₁+{5～30}mm，所述增径内径与所述增径外径相匹配，法兰盘6的最大外径满足安装需求即可。

③复合材料空心轴1与所述金属法兰的联接方式

锁紧连杆5具有轴向内孔和径向内孔，所述径向内孔面向所述外正多边形或是所述内正多边形的任一边正中，所述轴向内孔面向法兰盘6的端面，所述径向内孔垂直于所述轴向内孔，根据上述正多边形的边数分别在法兰筒2和复合材料空心轴1轴端L段的每个边正中配钻有法兰筒内孔和空心轴螺纹内孔，根据所述径向内孔在法兰盘的端面配钻有数个法兰盘螺纹内孔，先将复合材料空心轴1的轴端L段所述外正多边形用80～120#砂纸进行手工打磨使其具有粗糙度，除所述手工打磨外还可采用电动打磨或是风动打磨。然后用高压气体吹去其表面浮尘，再用有机溶剂清洗其表面并晾干待用，法兰筒2的所述内正多边形采用酸洗或是喷砂或是有机溶剂进行清洗，这样可以提高所述内正多边形与打磨后所述外正多边形的粘接效果，所述有机溶剂是丙酮。

之后在室温下将胶粘剂均匀涂摸所述内正多边形和所述外正多边形，待所述胶粘剂风干后将法兰筒2套接在复合材料空心轴1的轴端L段并用有机溶剂清洗清洗被挤出的所述胶粘剂，待法兰筒2与复合材料空心轴1完全固化后，再将与正多边形边数相等的锁紧连杆5分别通过所述径向内孔、所述法兰筒内孔将径向螺栓3固定在所述空心轴螺纹内孔中，同时将锁紧连杆5分别通过所述轴向内孔将轴向螺栓4固定在所述法兰盘螺纹内孔中，紧固时通过定力矩扳手逐个固定径向螺栓3及轴向螺栓4，完成复合材料空心轴1与所述金属法兰的全部联接。

通过上述分析，本发明的联接方法归纳如下：

首先将复合材料空心轴1的轴端L段进行增径并设计成外正多边形而将法兰筒2的联接内孔也进行增径并设计成内正多边形，外正多边形与内正多边形的边数相配使其联接处的强度得到大大提高，也增大了联接处的承载能力，相同复合材料制作的空心轴非常便于生产加工，金属法兰的制作也不复杂，这就为复合材料空心轴在长期大扭矩载荷下的工作提供了安全可靠性和稳定性，为延长复合材料空心轴的使用寿命提供了最大可能。

其次本发明的联接方法采用有机溶剂粘接+锁紧连杆的固定方式，可以进一步增强复合材料空心轴与金属法兰的联接强度，提高结合部位的抗挤压变形能力，有效隔离振动噪声的传递。

此外本发明的联接方法可以有效缓解结合部位的应力集中现象，经交变扭矩疲劳试验证明，在径向螺栓联接处未出现变形、破坏等现象，预期使用寿命将得到大幅提高。

最后，本发明的联接方法简单、快速、实用。

Claims (1)

1.一种复合材料空心轴与金属法兰的联接方法，复合材料空心轴(1)由纤维增强树脂制作而成，金属法兰包含法兰筒(2)和法兰盘(6)，设定法兰筒与复合材料空心轴的轴向联接长度为L，设定法兰筒的联接内孔直径为D₁，设定法兰筒的联接外径为D₂，设定复合材料空心轴的外径为D₃，D₁与D₃匹配，法兰盘的最大外径不做限制，法兰筒联接在法兰盘的端面上；该联接方法包含复合材料空心轴轴端L段外径的设计改进、法兰筒联接内孔的设计改进以及改进后复合材料空心轴与所述金属法兰的联接方式，该联接方法涉及到轴向螺栓(4)、径向螺栓(3)及锁紧连杆(5)；其特征是：

①复合材料空心轴轴端L段外径的设计改进

根据法兰筒(2)的轴向联接长度将复合材料空心轴(1)的轴端L段外径在D₂的基础上进行增径并将增径外径的外形设计改进为外正多边形，所述外正多边形选用的基材与空心轴的复合材料相同，所述增径外径控制在D₃+{5～30}mm；

②法兰筒联接内孔的设计改进

根据复合材料空心轴(1)轴端L段外径的所述外正多边形设计改进，将法兰筒(2)的联接内孔也进行增径并将增径内径的内形设计改进为内正多边形，所述内正多边形的边数=所述外正多边形的边数且所述内正多边形的相关尺寸与所述外正多边形的相关尺寸相互匹配，所述增径内径控制在D₁+{5～30}mm，所述增径内径与所述增径外径相匹配，法兰盘(6)的最大外径满足安装需求即可；

③复合材料空心轴与所述金属法兰的联接方式

锁紧连杆(5)具有轴向内孔和径向内孔，所述径向内孔面向所述外正多边形或是所述内正多边形的任一边正中，所述轴向内孔面向法兰盘的端面，所述径向内孔垂直于所述轴向内孔，根据上述正多边形的边数分别在法兰筒(2)和复合材料空心轴(1)轴端L段的每个边正中配钻有法兰筒内孔和空心轴螺纹内孔，根据所述径向内孔在法兰盘(6)的端面配钻有数个法兰盘螺纹内孔，先将复合材料空心轴(1)的轴端L段所述外正多边形用80～120#砂纸进行手工打磨使其具有粗糙度，然后用高压气体吹去其表面浮尘，再用有机溶剂清洗其表面并晾干待用，法兰筒(2)的所述内正多边形采用酸洗或是喷砂或是有机溶剂进行清洗，之后在室温下将胶粘剂均匀涂摸所述内正多边形和所述外正多边形，待所述胶粘剂风干后将法兰筒(2)套接在复合材料空心轴(1)的轴端L段并用有机溶剂清洗被挤出的所述胶粘剂，待法兰筒(2)与复合材料空心轴(1)完全固化后，再将与正多边形边数相等的锁紧连杆(5)分别通过所述径向内孔、所述法兰筒内孔将径向螺栓(3)固定在所述空心轴螺纹内孔中，同时将锁紧连杆(5)分别通过所述轴向内孔将轴向螺栓(4)固定在所述法兰盘螺纹内孔中，紧固时通过定力矩扳手逐个固定径向螺栓(3)及轴向螺栓(4)，完成复合材料空心轴(1)与所述金属法兰的全部联接；

除所述手工打磨外还可采用电动打磨或是风动打磨，所述有机溶剂是丙酮。