CN111400831B - 一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置。其中，碳纤维复合材料齿轮的轮毂内侧面设计为光孔圆柱面；碳纤维复合材料齿轮的轮毂内孔直径和金属轴的直径采用过盈配合设计，装配后使碳纤维复合材料齿轮和金属轴相互抱紧，达到传递扭矩的目的；锁紧螺栓均匀布置在碳纤维复合材料齿轮的轮毂和与其连接的金属轴径向方向，用于锁紧碳纤维复合材料齿轮和金属轴。本发明能够为异质材料的连接和配合设计提供参考；能够保证碳纤维复合材料齿轮和金属轴连接在重载、高速、高温的实际工作环境中稳定可靠运行，不发生相对旋转，为三维编织碳纤维复合材料的广泛实际工程应用提供有力支撑。
Description
技术领域
本发明属于复合材料齿轮传动技术领域，具体涉及一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置。
背景技术
随着科学技术的不断创新和发展，齿轮的优势被越来越多的科学家所重视，人们对齿轮的要求越来越高。动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、低噪声和高可靠性方向发展，对齿轮材料的要求也越来越高。三维编织碳纤维复合材料齿轮具有低密度、高比刚度、高比强度、良好抗损伤容限、耐冲击和抗疲劳等优异力学性能，能够从根本上克服层合复合材料齿轮易分层破坏等致命缺陷。
近年来，随着三维编织技术的日益成熟及机械自动化程度的不断提高，三维编织碳纤维复合材料齿轮作为一种新型齿轮开始得到越来越多的重视，有望替代汽车等传动装置的承载金属齿轮，实现轻量化，降低生产成本并延长产品寿命。
齿轮需要安装在轴上才可以传递动力，在齿轮传动装置中，为了保证在高速运转时齿轮传递功率最大，同时振动噪声最小，齿轮与轴的配合相当关键。目前，金属齿轮与轴的配合连接形式主要有花键过渡配合连接、矩形键连接、圆柱孔紧配合连接、圆锥孔紧配合连接以及轴承连接等，其配合公差值的选定有参考文献和标准可查询。而三维编织碳纤维复合材料齿轮作为一种新型齿轮，尚缺乏其与金属轴连接方法的参考文献。目前，三维编织和热压成型工艺尚不能实现复杂内花键连接的碳纤维复合材料齿轮的制备。因此，研究一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置对新型齿轮的工程实际应用具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法研究的不足，本发明提出一种具有防旋转锁紧功能，能够在重载、高速、高温实际工作环境中稳定可靠运行的三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法，该连接方法包括如下步骤：
步骤S1、设计碳纤维复合材料齿轮与金属轴的过盈配合参数
碳纤维复合材料齿轮的轮毂内孔直径DiA和金属轴的直径DaI采用过盈配合设计，根据所需传递的扭矩T以及结合面长度Lf和过盈直径DF，通过公式(1)计算结合面上所需的最小接触压力pfmin：
其中，过盈直径DF＝(DiA+DaI)/2，u为结合面摩擦系数；
通过公式(2)计算过盈连接传递扭矩T所需的最小过盈量δmin：
其中，EA为碳纤维复合材料径向方向的弹性模量；K为辅助系数，通过公式(3)计算得到；
其中，EI为金属轴材料的弹性模量，νI为金属轴材料的泊松比，νA为碳纤维复合材料径向方向的泊松比；QI为金属轴的直径比，QI＝DiI/DF，DiI为金属轴的内孔直径；QA为碳纤维复合材料齿轮的直径比，QA＝DF/DaA，DaA为碳纤维复合材料齿轮的分度圆直径；
通过公式(4)计算碳纤维复合材料齿轮不产生塑性变形所允许的最大接触压力pfamax：
其中，σsa为碳纤维复合材料碳纤维复合材料的屈服强度；
通过公式(5)计算金属轴不产生塑性变形所允许的最大接触压力pfimax：
其中，σsi为金属轴材料的屈服强度；
连接件不产生塑性变形时结合面所能承受的最大接触压力pfmax取pfamax和pfimax中的较小者；
通过公式(6)计算过盈连接件不产生塑性变形所允许的最大过盈量δmax：
依据计算得到的最小过盈量δmin和最大过盈量δmax，设计碳纤维复合材料齿轮轮毂内孔直径DiA和与之配合的金属轴直径DaI的上下公差值，使二者的配合公差范围在(δmin,δmax)之间；
步骤S2：设计锁紧螺栓的分布、直径和数量
依据齿轮轮毂内孔直径DiA和齿轮齿根圆直径，初步确定螺栓分布中心圆直径D0和螺栓数量z，通过公式(7)计算锁紧螺栓的标准公称直径d：
其中，τb为螺栓材料的抗剪强度；
由圆整法选择锁紧螺栓的标准公称直径d，然后根据选定的螺栓分布中心圆直径D0、螺栓数量z和锁紧螺栓的标准公称直径d，校核空间布局是否合理，若不合理，重新选择螺栓分布中心圆直径D0和螺栓数量z，计算锁紧螺栓的标准公称直径d，直到满足空间布局合理为止；
步骤S3：依据步骤S1设计的过盈配合量，使碳纤维复合材料齿轮和金属轴相互抱紧，达到传递扭矩的目的；依据步骤S2设计的锁紧螺栓形式，进行碳纤维复合材料齿轮和金属轴之间的锁紧。
此外，本发明还提出一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接装置，该连接装置包括碳纤维复合材料齿轮、金属轴和锁紧螺栓；其中，碳纤维复合材料齿轮的轮毂内侧面设计为光孔圆柱面；碳纤维复合材料齿轮的轮毂内孔直径和金属轴的直径采用过盈配合设计，装配后使碳纤维复合材料齿轮和金属轴相互抱紧，达到传递扭矩的目的；锁紧螺栓均匀布置在碳纤维复合材料齿轮的轮毂和与其连接的金属轴径向方向，用于锁紧碳纤维复合材料齿轮和金属轴。
进一步地，锁紧螺栓的头部设计有铁丝孔，紧固后通过铁丝锁紧。
(三)有益效果
本发明提出一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置。其中，碳纤维复合材料齿轮的轮毂内侧面设计为光孔圆柱面；碳纤维复合材料齿轮的轮毂内孔直径和金属轴的直径采用过盈配合设计，装配后使碳纤维复合材料齿轮和金属轴相互抱紧，达到传递扭矩的目的；锁紧螺栓均匀布置在碳纤维复合材料齿轮的轮毂和与其连接的金属轴径向方向，用于锁紧碳纤维复合材料齿轮和金属轴。
本发明能够为异质材料(碳纤维复合材料和金属材料)的连接和配合设计提供参考；能够保证碳纤维复合材料齿轮和金属轴连接在重载、高速、高温的实际工作环境中稳定可靠运行，不发生相对旋转，为三维编织碳纤维复合材料的广泛实际工程应用提供有力支撑。
附图说明
图1为本发明实施例的碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置三维结构图；
图2为本发明实施例的碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法和装置剖视图；
图3为本发明实施例中碳纤维复合材料齿轮剖视图；
图4为本发明实施例中金属轴剖视图；
图5为本发明实施例中锁紧螺栓剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接装置，如图1和2所示，该装置包括三维编织碳纤维复合材料齿轮1、金属轴2和防旋转的锁紧螺栓3。
其中，碳纤维复合材料齿轮1的轮毂内侧面设计为简单的光孔圆柱面。碳纤维复合材料齿轮1的轮毂内孔直径和金属轴2的直径采用过盈配合设计，根据所需传递的扭矩以及有关的结合面尺寸，计算出结合面上所需的最小接触压力，进而确定最小过盈量。根据材料的屈服极限，计算结合面所能承受的最大接触压力，进而确定最大过盈量，装配后，使碳纤维复合材料齿轮1和金属轴2相互抱紧，达到传递扭矩的目的。锁紧螺栓3均匀布置在碳纤维复合材料齿轮1的轮毂和与其连接的金属轴2径向方向，并且锁紧螺栓3的头部设计有铁丝孔，紧固后通过铁丝锁紧，在重载、高速、高温工作环境中，达到防止碳纤维复合材料齿轮1和金属轴2相对旋转的目的。
此外，本实施例还提出一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法，该连接方法具体包括如下步骤：
步骤S1、设计碳纤维复合材料齿轮与金属轴的过盈配合参数
碳纤维复合材料齿轮1的轮毂内孔直径DiA(如图3所示)和金属轴2的直径DaI(如图4所示)采用过盈配合设计，根据所需传递的扭矩T以及有关的结合面尺寸(包括结合面长度Lf和过盈直径DF等参数)，通过公式(1)计算结合面上所需的最小接触压力pfmin：
其中，过盈直径DF＝(DiA+DaI)/2，u为结合面摩擦系数。
通过公式(2)计算过盈连接传递扭矩T所需的最小过盈量δmin：
其中，EA为碳纤维复合材料径向方向的弹性模量；K为辅助系数，通过公式(3)计算得到：
其中，EI为金属轴材料的弹性模量，νI为金属轴材料的泊松比，νA为碳纤维复合材料径向方向的泊松比；QI为金属轴的直径比，QI＝DiI/DF，DiI为金属轴的内孔直径；QA为碳纤维复合材料齿轮的直径比，QA＝DF/DaA，DaA为碳纤维复合材料齿轮的分度圆直径。
通过公式(4)计算碳纤维复合材料齿轮不产生塑性变形所允许的最大接触压力pfamax：
其中，σsa为碳纤维复合材料碳纤维复合材料的屈服强度。
通过公式(5)计算金属轴不产生塑性变形所允许的最大接触压力pfimax：
其中，σsi为金属轴材料的屈服强度。
连接件不产生塑性变形时结合面所能承受的最大接触压力pfmax取pfamax和pfimax中的较小者。
通过公式(6)计算过盈连接件不产生塑性变形所允许的最大过盈量δmax：
依据计算得到的最小过盈量δmin和最大过盈量δmax，设计碳纤维复合材料齿轮轮毂内孔直径DiA和与之配合的金属轴直径DaI的上下公差值，使二者的配合公差范围在(δmin,δmax)之间。
步骤S2：设计锁紧螺栓的分布、直径和数量
依据齿轮轮毂内孔直径DiA和齿轮齿根圆直径，初步确定螺栓分布中心圆直径D0(如图3所示)和螺栓数量z，通过公式(7)计算如图5所示的锁紧螺栓标准公称直径d：
其中，τb为螺栓材料的抗剪强度。
由圆整法选择锁紧螺栓的标准公称直径d，然后根据选定的螺栓分布中心圆直径D0、螺栓数量z和锁紧螺栓的标准公称直径d，校核空间布局是否合理，若不合理，重新选择螺栓分布中心圆直径D0和螺栓数量z，计算锁紧螺栓的标准公称直径d，直到满足空间布局合理为止。
步骤S3：依据步骤S1设计的过盈配合量，使碳纤维复合材料齿轮和金属轴相互抱紧，达到传递扭矩的目的；依据步骤S2设计的锁紧螺栓形式，进行碳纤维复合材料齿轮和金属轴之间的锁紧，使碳纤维复合材料齿轮和金属轴连接在重载、高速、高温工作环境中能够稳定可靠运行，不发生相对旋转，达到锁紧的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种三维编织碳纤维复合材料齿轮与金属轴连接方法，其特征在于，所述连接方法包括如下步骤：
步骤S1、设计碳纤维复合材料齿轮与金属轴的过盈配合参数
碳纤维复合材料齿轮的轮毂内孔直径DiA和金属轴的直径DaI采用过盈配合设计，根据所需传递的扭矩T以及结合面长度Lf和过盈直径DF，通过公式(1)计算结合面上所需的最小接触压力pfmin：
其中，过盈直径DF＝(DiA+DaI)/2，u为结合面摩擦系数；
通过公式(2)计算过盈连接传递扭矩T所需的最小过盈量δmin：
其中，EA为碳纤维复合材料径向方向的弹性模量；K为辅助系数，通过公式(3)计算得到；
其中，EI为金属轴材料的弹性模量，νI为金属轴材料的泊松比，νA为碳纤维复合材料径向方向的泊松比；QI为金属轴的直径比，QI＝DiI/DF，DiI为金属轴的内孔直径；QA为碳纤维复合材料齿轮的直径比，QA＝DF/DaA，DaA为碳纤维复合材料齿轮的分度圆直径；
通过公式(4)计算碳纤维复合材料齿轮不产生塑性变形所允许的最大接触压力pfamax：
其中，σsa为碳纤维复合材料碳纤维复合材料的屈服强度；
通过公式(5)计算金属轴不产生塑性变形所允许的最大接触压力pfimax：
其中，σsi为金属轴材料的屈服强度；
连接件不产生塑性变形时结合面所能承受的最大接触压力pfmax取pfamax和pfimax中的较小者；
通过公式(6)计算过盈连接件不产生塑性变形所允许的最大过盈量δmax：
依据计算得到的最小过盈量δmin和最大过盈量δmax，设计碳纤维复合材料齿轮轮毂内孔直径DiA和与之配合的金属轴直径DaI的上下公差值，使二者的配合公差范围在(δmin,δmax)之间；
步骤S2：设计锁紧螺栓的分布、直径和数量
依据齿轮轮毂内孔直径DiA和齿轮齿根圆直径，初步确定螺栓分布中心圆直径D0和螺栓数量z，通过公式(7)计算锁紧螺栓的标准公称直径d：
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| CN111400831A (zh) | 2020-07-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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