（材料加工工程专业论文）膜片挠性联轴器的研究与开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 膜片挠性联轴器是城市轻轨、地铁动车、快速列车上的关键零部件，具有结 构简单、牢固可靠、装拆维护方便、重量轻、平衡校正容易、成本相对较低、不 需润滑、无噪声的优点，适用于高速传动和恶劣工作环境。 本文从轨道车用膜片挠性联轴器的结构设计、关键零部件的成形与加工等方 面，对膜片挠性联轴器开发的相关问题进行深入研究，结合机械设计与制造、塑 性成形工艺、c a d c a m c a e 以及表面涂层等现代技术方法与手段，开发结构合 理、工艺可行的膜片挠性联轴器，使之满足大扭矩、大摆角和恶劣工况条件下运 行可靠、平稳、寿命长的要求。 膜片挠性联轴器研究与开发从其关键零件膜片的选材开始，根据材料工艺试 验以及材料的性能试验数据，筛选出性价比高的材料；然后对其受力分析，进行 强度校核和寿命估算等，建立了膜片联轴器锻件制坯、预锻和终锻工序的三维热 力藕合有限体积模型，并对其进行数值模拟；考察了成形过程中金属的流动规律 以及应力、应变、速度和温度场的分布情况。制定关键零件合理的加工工艺路线， 联系厂家试制，试运行后的信息反馈证明本课题的研究与开发的正确性和科学性。 最后，文章对本课题进行了总结，并且提出后续研究工作的方向。 关键词：膜片挠性联轴器，设计，关键零部件，工艺性，成形分析 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t d i a p h r a g mf l e x i b l ec o u p l i n gi st h ek e yc o m p o n e n to ft h el i g h tr a i ls y s t e m ， s u b w a yc a r s ，a n de x p r e s st r a i n s i ti ss i m p l ei ns t r u c t u r e ，f i r ma n ds t a b l e ，e a s yt o a s s e m b l ea n dd i s a s s e m b l e ，l i g h ti nw e i g h t ，s i m p l et oa d j u s tt h r o u g hb a l a n c e ，r e l a t i v e l y l o wi nc o s t s i ti sa l s ob n l u b r i c a t e d ，e a s yt om a i n t a i na n df l e eo fn o i s e s ，t h u ss u i t a b l e f o rh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o na n dw o r k i n gu n d e rh a r s hc o n d i t i o n s t h i st h e s i sm a k e sad e e ps t u d yo nt h ed e v e l o p m e n to fd i a p h r a g mf l e x i b l e c o u p l i n g sf r o ms u c ha s p e c t sa st h es 仃u c t u r ed e s i g no fd i a p h r a g mf l e x i b l ec o u p l i n g s u s e df o rr a i lv e h i c l e s ，t h ef o r m i n ga n dp r o c e s s i n go ft h e i rk e yc o m p o n e n t sa n ds oo n w i t hm o d e r nt e c h n o l o g i c a lm e t h o d ss u c ha sm e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ， p l a s t i cf o r m i n g ，c a d c a m c a e ，a sw e l la ss u r f a c ec o a t i n g ，t h i ss t u d ya i m st o d e v e l o pd i a p h r a g mf l e x i b l ec o u p l i n g sw h o s es t r u c t u r e i sr e a s o n a b l ea n dc r a f ti s f l e x i b l e ，s ot h a tt h e ym a ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fo p e r a t i n gw i t hr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , a n dd u r a b i l i t yu n d e rh a r s hc o n d i t i o n ss u c ha sh i g hp u l l i n gt o r q u e ，l a r g ea n g u l a r i t y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd i a p h r a g mf l e x i b l ec o u p l i n g si n t h i ss t u d y s t a r t sw i t h c h o o s i n gk e yc o m p o n e n t s ，d i a p h r a g m s s e c o n d l y , t h i ss t u d y f i l t e r s c o s t e f f e c t i v em a t e r i a l sa c c o r d i n gt od a t af r o mt h em a t e r i a le n g i n e e r i n gt e s ta n dt h e p e r f o r m a n c et e s t t h i r d l y , i tm a k e st h ef o r c ea n a l y s i s ，c h e c k st h e i rs t r e n g t ha n d e s t i m a t e st h e i rw o r k i n gl i f eo ft h e s em a t e r i a l se t c f o u r t h l y , b a s e do nt h e s ed a t a , i t b u i l d st h e3 dt h e r m a lc o u p l i n gf i n i t e v o l u m em o d e lo ft h eb l o c k i n g ，p r e - f o r g i n ga n d f i n i s hf o r g i n gs e q u e n c e s a n df i n a l l y , t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i te x p l o r e st h e f l o wr u l e so fm e t a l si nf o r m i n ga n dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s ，s t r a i n ，s p e e da n d t e m p e r a t u r e b e s i d e s ，i tf o r m u l a t e sar e a s o n a b l ep r o c e s sr o u t eo fk e yc o m p o n e n t s ，c o n t a c t m a n u f a c t u r e r sf o rt r i a lp r o d u c t i o n t h ef e e d b a c kf r o mp r e - o p e r a t i o np r o v e st h e c o l t e c t n e s sa n ds c i e n t i f i c a l n e s so ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h i ss t u d y a t l a s t ，i tm a k e sas u m m a r yo ft h i sp r o j e c ta n do f f e r ss o m es u g g e s t i o n sa b o u tt h e f o l l o w - u ps t u d i e si nt h i sf i e l d k e y w o r d s ：d i a p h r a g mf l e x i b l ec o u p l i n g ，d e s i g n ，k e yc o m p o n e n t s ， m a n u f a c t u r a b i l i t y , f o r m i n ga n a l y s i s 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的盈士学位论文蛊堡焦监显超星塑塑鲨望垒! 一是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签字日期：研夕参7 签字日期：刀刃1 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的虹士学位论文魔蔓弛暨滥鱼查：生萋磁、 一提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名：! 墅互垒导师签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书刀，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 城市轻轨、地铁动车、快速列车具有快速、大容量、舒适、安全、经济及低 污染的特征，可以发挥铁路的固有优势，满足大城市的快速发展需求，并在一定 程度上缓解都市拥挤的交通状况，是城市和城际客运交通的发展趋向。目前，国 内众多大中城市为缓解公共交通的压力，都在大力发展这些城市轨道交通运输。 联轴器是城市轻轨、地铁动车、快速列车上的关键零部件。其中，膜片挠性 联轴器结构简单，牢固可靠，装拆方便，重量轻、平衡校正容易，成本相对不高， 一般不需润滑，维护方便，无噪声，适用于高速传动和恶劣工作环境。重庆属亚 热带季风性湿润气候，雨量充沛，多雾，夏季酷热，加之地处四川盆地东部，大 部分地区以丘陵、山地为主，坡地面积较大，所以在重庆城市轻轨宜采用此种联 轴器。但目前车用膜片挠性联轴器的研究与开发在国内还很少，由于没有成熟的 理论指导和制造工艺等方面欠缺，导致现行城市轻轨膜片挠性联轴器大都为美、 英、德、奥地利等国或与中国合资生产地产品，数量巨大，价格昂贵。 本课题将从轨道车用膜片挠性联轴器的结构设计、关键零部件的成形与加工 等方面对膜片挠性联轴器开发的相关问题进行深入研究，该研究对相关产品的国 产化、降低生产成本，以及提高国内企业的自主创新和竞争力都具有重要意义。 1 2 膜片挠性联轴器的国内外研究现状 国外轨道车辆上采用的驱动联轴器大致有鼓形齿联轴器、金属挠性板联轴 器、碳纤维增强塑料板( c f r p ) 联轴器、橡胶圆盘联轴器等几种。如德黑兰地 铁l 、2 线车辆采用鼓形齿联轴器，日本所有城市地铁车辆采用鼓形齿式联轴器 或金属挠性板联轴器或碳纤维增强塑料板( c f r p ) 联轴器。世界上最早专门生 产膜片挠性联轴器的是英国的f l e x i b o x 公司。该公司成立于1 9 4 5 年，专门设计 和制造f l e x i b o x 机械密封和m et a s t r e a m 功率传递联轴器，经过五十年代和 六十年代一系列的研制试验，该公司生产的m e t a s t r e a m 膜片挠性联轴器在 功率传递的各个领域内获得了成功，实现了挠性联轴器标准化和系列化i l j 。目前， 美国本迪克公司，美国阿美利弗莱克斯公司，英国弗莱克斯博克斯公司等以美、 英、德、奥地利等国的高速、大功率联轴器代表了当今世界在挠性联轴器方面的 研制和应用水平。 迄今为止，各类功率膜片联轴器在航空、舰船、轨道车辆等领域得到了广泛 应用。如英国西科斯基公司的s - 5 8 ( 1 9 7 0 年首次试飞) 、s 6 4 ( 1 9 6 2 年5 月) ，美国 重庆大学硕士学位论文1 绪论 贝尔公司的b e l l - - 2 1 4 ，美国波音伏托耳公司的c h - - 4 7 、x c h 一6 2 ，法国国营航 空与宇航公司的s a - - 3 2 1 ( 超黄蜂) 、s a - - 3 3 0 ( 美洲豹) 、s a - - 3 6 5 ( 海豚- - 2 ) 均应用 了膜片挠性联轴器。在舰船上，奥林普斯( o l y m p u s ) 燃机功率n = 1 4 1 5 8k w ，转 速1 1 = 5 5 9 0r r a i n ，间隔轴长1 8 0 8 m m ，轴向补偿士2 1 8 m m ，径向补偿1 3 4 7 m m ， 角向补偿0 5 0 ；苔茵( t y n e ) 燃机功率n = 3 3 3 2 k w ，转速1 1 = 1 2 9 0 0r r a i n ，间隔 轴长9 4 9 5 m m ，轴向补偿士3 3m m ，径向补偿6 5m m ，角向补偿0 5 0 ，也都选用 了膜片挠性联轴器。 在国内，随着城市轨道快速发展，各种新型高性能联轴器的不断涌现。国内 轨道车辆上采用的驱动联轴器种类比较多：如上海地铁1 号线采用橡胶圆盘联 轴器，上海地铁2 号线采用金属挠性板联轴器；广州地铁1 号线和2 号线均采用 鼓形齿联轴器；北京地铁旧型号车辆采用鼓形齿联轴器，北京地铁复八线车辆采 用膜片挠性联轴器，重庆轻轨1 号线和2 号线采用膜片挠性联轴器等。从目前国 内地铁车辆联轴器的运用情况来看，上述各种驱动联轴器均能满足运用要求，但 各种驱动联轴器在传递扭矩能力、不对中能力、加工难易程度、可维护性、运行 寿命等方面各有特色。其中，应用于高速重载机械的膜片挠性联轴器，因其无需 润滑、安装维护简便、不对中适应能力较强等特点，逐渐为人们赏识。随着近年 来经济的快速发展，国产膜片挠性联轴器在航空、船舶、坦克、炼油、化工、石 化、工业泵、风机、造纸、印刷、钢铁等领域内的应用也越来越广泛。据有关资 料称，这种联轴器有取代齿式联轴器的趋势。目前，机械工业部上海材料研究所、 中船总公司第七o 三研究所、航空航天部6 1 4 研究所、重庆江津齿轮箱厂已研制 成功并小批量生产，无锡伏尔康公司与德国沃尔康公司合资生产【2 】。 国内研究人员也开始进行膜片挠性联轴器相关的研究工作。例如，郑劲1 9 9 6 年在石油化工高等学校学报上发表的“连续四边形膜片联轴器的疲劳分析与 计算”，申屠留芳1 9 9 8 年在机械强度上发表的“叠片联轴器膜片应力及影响 的因素分析”和淮海工学院学报上发表的“轴不对中对叠片联轴器应力的影 响，徐启清1 9 9 9 年在传动技术杂志上发表的“钢片挠性联轴器的特性和设 计”，华军2 0 0 0 年在工程力学上发表的“应角局部应力一应变法计算联轴器 膜片疲劳寿命”，丁雪兴2 0 0 4 年兰州理工大学硕士毕业论文“金属膜片联轴器的 膜片疲劳寿命计算及分析”和程明2 0 0 6 年南京航天航空大学硕士毕业论文“叠片 联轴器的非线性有限元分析”等p 】。 1 3 本课题研究目的和主要研究内容 本课题将结合机械设计与制造、塑性成形工艺、c a d c a m c a e 以及表面 涂层等现代技术方法与手段，从膜片挠性联轴器的机械结构、成形与加工工艺等 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 方面对膜片挠性联轴器进行全面的设计、计算和分析，开发结构合理、工艺可行 的膜片挠性联轴器，并满足大扭矩、大摆角和恶劣工况条件下运行可靠、平稳、 寿命长的要求。 3 重庆大学硕士学位论文2 膜片挠性联轴器的结构设计 2 膜片挠性联轴器的结构设计 2 1 膜片挠性联轴器的工作原理及其结构 2 1 1 工作原理 联轴器是机械传动中常用的部件之一，它主要用来联接轴与轴、轴与其他回 转零件，以传递运动和动力。联轴器按其性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。 刚性联轴器或称固定式刚性联轴器，结构简单，加上制造容易，维护成本较低。 挠性联轴器又分为无弹性元件挠性联轴器( 也称可移式刚性联轴器) 和带弹性元 件挠性联轴器。前一类只具有补偿两轴相对位移的能力；后一类除具有补偿性能 外还具有缓冲减振作用。但在传递转矩的能力上，因受弹性元件的强度限制，一 般又不及无弹性元件联轴器。带弹性元件的联轴器按其弹性元件材质的不同又可 分为金属弹性元件和非金属弹性元件，金属弹性元件具有强度高、传递扭矩能力 大、使用寿命长，不易变质且性能稳定的特点；非金属弹性元件则具有加工制造 方便、易制成各种结构形状且具有较高的阻尼性能等优点。 膜片式挠性联轴器是一种全金属弹性元件的干式联轴器，不需要任何润滑设 备，避免了在高转速下因润滑油系统故障带来的维修问题。保护罩不需要密封， 避免了因鼓风或积油产生的联轴器不平衡振动和噪声的问题。膜片式挠性联轴器 的不对中能力取决于膜片的组数、外径和中间短节的长度。一般许用角位移o 5 0 。 许用径向位移0 7 r a m ，许用轴向位移o 7 3 6 m m ，完全能够补偿旋转轴系间的轴 向、径向和交角相对位移量。预警性强，寿命长。由于膜片式挠性联轴器的失效， 一般是从最外层膜片连接螺栓根部膜片孔周圆上的某一点开始，经过一段时间( 几 个小时或数天) 的疲劳损坏，才会影响到整个联轴器、因此，可通过传感监视器早 期发现和排除故障。这种联轴器只要设计上合理如对称设计、找静动平衡，正确 使用，可使膜片上的总应力小于材料的疲劳极限值。 本研究的膜片挠性联轴器( 金属弹性元件) ，是通过联接轨道列车转向架齿轮 箱输入轴与电机输出轴，从而实现传递转矩和运动，其结构简图如图2 1 所示。 2 1 2 联轴器结构 膜片挠性联轴器设计采用三片叠合的薄钢板( 膜片) 用铰制孔螺栓交错地与 两个半联轴器联接而成，利用膜片的弹性变形来补偿所联两轴相对轴、径向和角 偏移，如图2 2 。 为了获得更大的补偿量，采用中间节，其左右两端各用一组膜片与主、从动 轴串接。联轴器轮毂与轴的轴向固定采用锥度配合，平键转递转矩，螺母和止动 垫圈锁紧实现轴向定位和防松，锁紧螺母上装有橡胶垫，中间加装过载保护板， 4 重庆大学硕士学位论文 2 膜片挠性联轴器的结构设计 以防止联轴器挠性大变形后，主、从动轴间产生振动和摩擦，可承受较大轴向力。 虚拟样机如图2 3 所示。 剖面d d 齿轮箱侧i d - - 1d 1 嵌橡胶圈锁紧螺母2 中间节一3 中间节二4 _ 止动垫圈5 、1 0 一半联轴器6 - 螺母 7 铰制孔螺栓8 过载保护板9 挠性膜片组 图2 1 膜片挠性联轴器结构简图 f i g 2 。1t h ed i a p h r a g m f l e x i b l ec o u p l i n gs t r u c t u r ed i a p h r a g m n 轴向位移 b 径向位移 角位移 图2 2 膜片挠性联轴器三种补偿 f i g 2 2t h r e ek i n d so fc o m p e n s a t i o n so fd i a p l l r a g mf l e x i b l e c o u p l i n g 2 2 膜片挠性联轴器转矩计算 膜片挠性联轴器设计已知条件： 电机输出功率：p = 1 0 5 k w ； 电机转速：n = 1 2 9 4 r p m ； 最大转速：n m 【_ 3 3 0 0 叩m ； 海拔高度： 8 5 次，横向7 0 次。 材料扬氏模量1 9 0 2 0 5g p a 。 耐热型要能耐3 0 0 。 耐腐蚀型年腐蚀率小于1 x1 0 1 1 1 m a 。 在轨道车辆行业，为了提高联轴器的扭转弹性和缓冲减振能力，挠性膜片采 用极限强度和疲劳强度高且耐腐蚀、耐热、加工性能好的不锈钢材料。我们经过 调研、试验以及实际工况考核，采用0 c r l 5 n i 7 m 0 2 a i ( s u s 6 3 2 p h l 5 7 m o ) 材料， 材料密度p = 7 9 x1 0 3k g m 3 ，泊松比v = 0 3 ，该钢片不仅完全满足工况要求，而且 在经济性方面性价比很高，其材料化学成分及机械性能见表2 4 。 表2 4 膜片的化学成分及机械性能 t a b l e2 4c h e m i c a lc o m p o n e n t sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i a p h r a g m 2 3 3 膜片挠性板的受力分析 挠性联轴器中其它零件的刚度都比膜片大，因此将膜片的刚度视为联轴器的 刚度。由于联轴器轴向问偏移、传递转矩、承受离心力，膜片工作时处于复杂的受 力状态。膜片作为弹性元件，承受的载荷如表2 5 所示。 表2 5 膜片承受的负荷 t a b l e2 5l o a d so fd i a p h r a g m 9 重庆大学硕士学位论文2 膜片挠性联轴器的结构设计 膜片上均布螺栓孔，在传递扭矩时侧被拉伸，另一侧受压缩，承载部分主 要是受拉伸的一侧。膜片上的螺栓孔周圆上易形成应力集中，当装配时螺栓连接 所提供的预紧力不适当，被连接的两轴有相对位移，以致膜片在高转速时产生高 频交变应力，继而降低了膜片的疲劳强度。因此，设计中为改善压力分布和提高 疲劳强度，在膜片组两侧装配二层有带倒圆角的短膜片( 见图2 。6 ) ，以求减少摩擦 腐蚀和降低应力集中。运行实践表明，膜片挠性联轴器的失效是膜片与螺栓在交 变应力作用下产生的疲劳所致。 图2 6 膜片组装配 f i g 2 6d i a p h r a g ma s s e m b l y 图2 7 四边形膜片 f i g 2 7q u a d r a n g l ed i a p h r a g m 由联轴器传递的扭矩引起的应力： 仃m = a x t o ( n x b x h x r ) ( 2 3 ) a 一取决于b r 的系数； t c 联轴器传递的计算扭矩( n m ) ； i 卜半联轴器上的螺栓数，根据载荷的大小，1 3 可取2 ，3 ，4 ，5 等； 卜膜片边宽( m ) ； t - 膜片厚度( m ) ： r 螺栓中心圆半径( m ) ； 仃m = 0 3 4 8 x 1 2 7 9 ( 2 x0 0 4 x0 0 0 1 0 1 1 5 ) = 4 4 5 0 9 2 0 0 0 0 0 0 9 2 = 4 8 4 x 1 0 n r a z 2 3 4 膜片总厚度t 的确定 压杆稳定临界压力的确定： 由扭矩t c 引起的剪力q ( 见图2 ，7 ) ： q t c ( 0 5x n x r )( 2 4 ) 两螺栓孔连心线上压力( 连杆压力) ： 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 膜片挠性联轴器的结构设计 p = q7 c o s o 【 ( 2 。5 ) 临界压力： p i t , = k x p ( 2 6 ) k 一稳定安全系数，取k = 3 ； 洳一力q 与力p 之间的夹角； q ，_ t c1 ( o 5 x n x r ) = 1 2 7 9 ( 0 5 x 4 0 1 1 5 ) = 5 5 6 0 9n p = q xc o s a = 5 5 6 0 9 xc o s 4 5 = 3 9 3 2 2n p l t - = k x p = 3x 3 9 3 2 2 = 117 9 6 5n 膜片总厚度t 的确定： x t = v 1 2 i b = v 1 2 p 矿( j “，) 2 ( 万2 x e x b ) ( 2 7 ) h 临界压力； 卜钢片连杆的长度系数，取胪2 ； b 枷片材料的弹性模量( g p a ) ； 江夹紧圈间连杆平均宽度( m ) ； x t = i 1 2x11 7 9 6 5x ( 2 xo 1 6 3 ) 2 ( 万2 1 9 8x1 0 9 o 0 4 ) = o 0 0 5 8m - - 6m m 2 3 5 膜片强度校核 按多边形膜片校核 每片挠性板在承载边的拉压应力及其强度条件： o = a r x t d ( n x z x t x r 2 ) _ a ( 2 8 ) t c 一联轴器的计算转矩，即1 2 7 9 x 1 0 r n m m ： n 一固定在半联轴器上的螺栓数( 膜片与两个半联轴器的联接螺栓数的一 半) ； k 膜片叠合层数； r 一联接螺栓中心分布圆半径； t - _ 每片膜片厚度； o 】膜片许用拉伸应力 a r 与膜片尺寸有关的系数。 d r 垫圈外径； 卜圆环、多边形膜片的宽度； 卜相邻联接螺栓间膜片可弹性变形部分的夹角。 查表得a t = 5 【o 】- o 15 0 。= 16 5 m p 。； 0 - - n n - 0 8 d t r ： b r = 4 0 1 15 = 0 3 4 7 8 ： 重庆大学硕士学位论文2 膜片挠性联轴器的结构设计 0 = n n - 0 8 d t r = r d 2 - 0 8 x 3 4 115 - - 1 3 3 3 5 ； 每片挠性板在承载边的拉压应力： o = 昕列( n z x t ) = ( 5 x1 2 7 9 x1 0 ) ( 2 x 3 l x11 5 。) = 8 0 5 9 m p 虻 1 6 5 m p a o o 】故强度足够。 按分离连杆形膜片校核 每片挠性板在承载边的拉压应力及其强度强度条件： 萨2 ( 罴) 2 + 2 ( 最) c o s 0 b x t x z _ 。】 ( 2 9 ) r 联轴器的计算转矩o n 二一固定在半联轴器上的螺栓数； r 一联接螺栓中心分布圆半径； 卜每片膜片厚度； 卜膜片最小径向宽度； z _ 膜片叠合层数； k 连杆形膜片两端孔中心所夹之中心角( r a d ) 5 0 = 枷, q = n 2 ( 4 0 x l x 3 ) = 6 5 5 4 m p a 1 6 5 m p 。 o 【o 】故强度足够。 2 3 6 膜片寿命估算 疲劳是指在某点或某些点承受交变应力，且在断裂的材料中所发生的局部的、 永久结构变化的发展过程。由于交变载荷的作用，构件一开始使用就进入疲劳的 发展过程，裂纹萌生和发展是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果，最后 的断裂，标志着疲劳过程的终结。这一发展过程所经历的时间或交变循环载荷作 用的次数，称为“寿命”。它不仅取决于载荷水平，还依赖于循环作用次数或时间， 取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。使构件在有限长设计寿命内不发生疲劳破坏的 设计，称为安全寿命设计方法或有限寿命设计。 目前疲劳裂纹形成的寿命估算方法有名义应力法和局部应力应变法两种。 名义应力法只适用于应力水平较低的高周疲劳问题，当应力水平较高，零件 和构件的危险点发生局部屈服时，名义应力法出现了难以克服的缺点，误差较大。 此外，名义应力法估算零件和构件的寿命时需要用到许多修正系数和大量的实验 曲线，这些都限制了它的应用。 在常规的疲劳寿命估算中的主要参数是应力，但自5 0 年代以来，从微观上对 疲劳进行的大量研究指出，循环塑性变形是造成疲劳损伤的根本原因，应变是比 重庆大学硕士学位论文 2 膜片挠性联轴器的结构设计 应力更实际的物理量。随着科学技术的进步，到7 0 年代中期出现了估算疲劳裂纹 形成寿命的一种新的方法，即局部应力应变法。这种方法综合了5 0 年代以来疲 劳强度研究中各方面的成果，特别是对材料循环特性的研究，采用了现代的实验 方法和分析技术，建立了一套估算裂纹形成寿命的方法，得到了广泛的应用。其 基本思想是：认为零件和构件的整体疲劳性能取决于最危险区域的局部应力应 兰德格拉夫损伤公式【6 】 专叫毒每击 + 专叫毒等老声 道林损伤公式【q 专_ 2 ( 苦) ； 专：2 ( 蛩； 史密斯损伤公式网 o d 强s = - 2 - k 盯- - ，- ( 2 ) 2 6 + 2 仃) s 多( 2 ) ( 2 14 ) 在具体问题中应选用哪个公式，目前尚无定论，但普遍应用的是兰德格拉夫 损伤公式，本课题用兰德格拉夫损伤公式计算膜片裂纹的形成寿命，将循环次数 t = l 一l 。 3 1 1 1 5 5 2 0 0 。c 磊声， 疲劳延性系数； t 镀劳强度系数； 仃a 角向偏转引起的弯曲应力的最大主应力： 面内膜片应力、离心惯性力和弯曲应力组合引起的平均应力的最大主应 1 3 重庆大学硕士学位论文2 膜片挠性联轴器的结构设计 s 广等价应变； k 循环强度系数； 玎应变硬化指数； b _ _ 劳强度指数： c 疲劳延性指数； e 膜片材料的弹性模量( g p a ) 。 在计算中所用的疲劳性能参数下表： 兹k ( m p a 度) 淼蛩萎鬻a j ( m p 度a ) 淼淼攀翁 7 8 8 0 1 7 6 0 4 1 1 1 1 00 0 6 1o 6 34 2 3 2 31 0 0 0 6 4 年，通过膜片疲劳寿命计算可知，寿命较长，满足大修期要求。 2 4 铰制孔螺栓设计 通过对螺栓组联接的受力分析找出受力最大的螺栓，求出受力，进行强度计算。 计算时常采用假设条件： 所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同。 螺栓组的对称中心与接合面的形心重合。 受载后联接接合面仍保持为平面。 螺栓承受6 种载荷( 如图2 8 所示) ：横向载荷f x 、f y ，轴向载荷f z ，转矩( 扭 矩) t z ，倾覆力矩m x 、m y 。 y 图2 8 螺栓承受载荷示意图 f i g 2 8b o r eb o l tl o a d s 1 4 x 重庆大学硕士学位论文 2 膜片挠性联轴器的结构设计 2 4 1 铰制孔螺栓直径的确定 螺栓杆的许用剪切应力( m p a ) v = q ( o 2 5 x 7 【x d 2 ) 4 4 q ( r r 【f 】) t 】= ( y s m q = k x t 。( o 5 x n x r ) q 一螺栓所受的工作剪力； n 螺栓数； 卜_ 螺栓分布的半径( m ) ； k 工况系数( 见表1 1 ) ； d 一螺栓直径( m m ) ； o r 螺栓材料的屈服极限( m p a ) ( 见表2 7 ) ； m 安全系数( 见表2 8 ) ； n 】一螺栓材料的许用剪切应力( m p a ) ； h = a s n t - - - 9 0 0 2 5 = 3 6 0 q = 1 5 x 1 2 7 9 ( 0 5 x 4 x 0 11 5 ) = 1 9 1 8 5 o 2 3 = 8 3 4 1 3n d 之4 8 3 4 1 3 ( 7 r 3 6 0 ) = 1 9 9 n u n 。 2 4 2 铰制孔螺栓预紧力的确定 螺栓预紧力的作用： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 连杆( 把两螺栓间钢片近似看成连杆，拉力杆或动力杆) 危险应力点内移， 以减低交变弯曲应力； 增加联轴器的轴向刚度； 消除组装好的联轴器轴向自由移动。 表2 7 螺纹联接件常用材料机械性能 反之，预紧力不足克服钢片间相对滑移时，不仅降低传扭能力，而且对螺栓产 重庆大学硕士学位论文 2 膜片挠性联轴器的结构设计 生波动剪切和弯曲，引起螺栓偏斜和不平衡振动，并伴有危害极大的微动磨损， 由破坏实例可见夹紧圈附近暗亮部分即细微磨屑所致。对于螺栓直径小于m 1 2 m 1 6 的螺栓联接，应严格控制其预紧力q p ( 或拧紧扭矩t ) 。 q p 【o 】x a 1 3 = 兀d z 【o 】5 2 - - ，t x d 2 x o b ( 5 2 x n ) f 6 卜一螺栓材料的许用拉压应力； d 螺栓公称直径； 【6 r 螺栓材料的抗拉强度极限( 见表2 7 ) ； n 安全系数； q p _ r c 1 6 2 2 0 0 5 2 = 3 0 9k n 2 4 3 铰制孔螺栓强度校核 传递转矩时，螺栓杆受横向剪切，螺栓杆和孔壁受挤压，螺栓杆承受的横切 力0 螺栓) ： f 。= 2 t d d l n = ( 2 x 1 2 7 9 x 1 0 3 ) ( 2 3 0 x 2 ) = 5 5 6 1 n d 1 螺栓中心分布圆直径( 咖) ； n 一螺栓数。 表2 8 安全系数m t a b l e2 8s a f e t yc o e f f i c i e n t1 1 t 1 6 重庆大学硕士学位论文 2 膜片挠性联轴器的结构设计 螺栓抗挤压强度条件 o d = f j d o h o 】 q 厂_ 一螺栓杆和孔壁的挤压应力( m p 。) ； d 旷一螺栓光杆部分直径( 删n ) ； h 螺栓光杆部分与孔壁的接触长度( 删n ) ； 【o 】许用挤压应力( m p 。) ； 【a - - o 5 a s = o 5 x 8 3 5 = 4 1 7 5m p a 唧= 5 5 6 1 f f 2 0 1 1 ) = 2 5 2 7 7m p 。 a p a l 强度足够 抗剪切强度条件 v - - - - 4f s 兀d o 。鼠 卜螺栓杆的切应力( m 。) ； 砧螺栓杆的许用切应力( m p 。) ； = 0 2 a s = 0 2 x 8 3 5 = 1 6 7m p a ； 俨( 4 x 5 5 6 1 ) ( n x 2 0 z ) = 1 7 7m p a ； t 强度足够。 2 4 4 铰制孔螺栓的性能等级确定 国标( g b t3 0 9 8 1 2 0 0 0 ) 按材料的力学性能分出十个等级( 如表2 9 ) ，本课题 采用强度级别8 8 。 表2 9 螺栓性能等级 t a b l e2 9b o l t sp e r f o r m a n c el e v e l 2 4 5 铰制孑l 螺栓疲劳寿命估算 材料的洲曲线和m i n e r 积累损伤理论，是安全寿命设计的基础。当然，考 虑到疲劳破坏的分散性等不确定因素，安全寿命设计应当具有足够的安全储备。 重庆大学硕士学位论文 2 膜片挠性联轴器的结构设计 等效应力幅计算 w e i b u l l 分布概率密度函数【8 】 厂。( 回：盟粤o t j - ie x p ( 一萎1 l l 帆) ( o9 1 2 h 。 3 2 2 挠性膜片工艺路线 经过对挠性膜片结构特点与工艺分析后，根据大批量生产状况和现有设备条 件等因素，制定并实施后的成熟工艺路线如下： 下料； 冷作整形； 线切割粗加工( 此工序的目的是减少热处理整形面积，十分重要。膜片 外形单边留4 - - 5 m m 安全加工余量) ； 钻钼丝孔，去毛刺( 应以线切割粗加工轮廓确定钻孔位置，避免偏差过 大。钻孔后必须严格清除孔毛刺，以免片间贴不平使热处理整形失败) ； 热处理整形： 线切割精加工。 针对本产品，压紧件数应 6 片，否则整形可能不符合要求。如考虑批量大 的情况，可增加片数，但必须经过工艺验证。 3 3 半联轴器与中间节零件加工工艺过程与分析 3 3 1 半联轴器与中间节零件工艺分析 半联轴器与中间节四个零件都属于轴类零件，功能上支承传动件和传递转 矩，结构上l ( 长度) d ( 直径) 1 2 的钢性短轴，其加工表面主要有内外圆柱面，内 圆锥面和沟槽等。 4 5 号钢是轴类零件的常用材料，经过调质( 或正火) 后有较好的切削性能和较 高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达4 5h r c - - - 5 2h r c 【l 。轴 承钢g c r l 5 和弹簧钢1 5 m n ，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达5 0m 乇c 5 8h r c ，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造高精度的轴。4 0 c r 等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后， 重庆大学硕士学位论文3 膜片挠性联轴器关键零部件的工艺性分析 具有较好的综合机械性能，而且价格适中，因而为本课题选用。 轴类零件最常用的毛坯是圆棒料和锻件，只有某些大型或结构复杂的轴，在 质量允许时才采用铸件。由于4 0 c t 毛坯经过加热锻造后，能使金属内部纤维组 织沿表面均匀分布，可获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。半联轴器与中间节虽 外圆直径相差不大，但形状上差异大和安全等级要求高，不能使用热轧棒料或冷 接棒料，必须采用锻件，这样既可改善力学性能，又可节约材料，减少机械加工 的工作量。毛坯锻造方式中自由锻虽设备简单、容易投产，但毛坯精度较差、加 工余量大且不易锻造形状复杂的件，因此本课题锻件都采用模锻。 所有零件都遵循先粗加工，然后半精加工，最后精加工的原则，粗工为车端 面、外圆和内孔等，调质处理后，半精加工为半精车外圆、端面和锥孔等，精加 工阶段是主要表面的精加工，包括精磨和线切割等。加工时应先加工大直径外圆， 然后加工小直径外圆。 次要表面加工，如键槽，横向小孔等，通常均安排在外圆精车、粗磨之后或 精磨外圆之前进行。因为在精车前铣出键槽，精车时的断续切削而产生振动，既 影响加工质量，又容易损坏刀具，还难于控制其深度尺寸。 半联轴器与中间节毛坯在机械加工之前，均需进行正火或退火处理( 碳的质 量分数大于0 7 的碳钢和合金钢) ，使钢材的晶粒细化( 球化) ，以消除锻造后 的残余应力，降低毛坯的硬度，改善切削加工性能。由于毛坯加工余量较大，调 质放在粗车之后，半精车之前，使粗加工产生的残余应力能在调质时消除。 3 3 2 半联轴器与中间节零件加工工艺过程 - - 1 8 _ j b 图3 4 半联轴器产品图 f i g 3 4p r o d u c t so f h a l f c o u p l i n g sm a c h i n i n gp r o c e s s 2 6 重庆大学硕士学位论文 3 膜片挠性联轴器关键零部件的工艺性分析 经过对半联轴器与中间节零件的结构特点与技术要求的分析后( 如图3 4 、图 3 5 ) ，可根据生产批量、设备条件等因素，考虑零件的工艺过程。表3 1 和3 2 介绍半联轴器与中间节零件大批量生产的工艺过程。 表3 1 半联轴器加工工艺过程 t a b l e3 1h a l f c o u p l i n g sm a c h i n i n gp r o c e s s 3 4 半联轴器与中间节零件锻件锻模设计 3 4 1 设计锻件图 根据零件图3 4 和3 5 制定锻件图： 确定分模位置 半联轴器的高径比为h d = 1 1 1 2 5 2 7 4 = 0 4 0 6 d 2 ； 重庆大学硕士学位论文3 膜片挠性联轴器关键零部件的工艺性分析 半联轴器( q 2 8 0 + ( p 1 2 4 ) 2 刊p 2 0 2 d 镦 c p l 2 4 ，取d 徽= 1 8 0 m m 中间节( q 0 2 8 0 + c p 2 3 4 ) 2 - 鼍p 2 5 7 dm q 2 3 4 ，取dm = 平2 5 0 m m 决定坯料尺寸：锻件体积v ，飞边体积按飞边槽容积的5 0 计算，取氧化烧 损率为2 5 ，则坯料体积为v 坯( 1 + 2 5 ) ( v 飞嘲f i l m 3 。 半联轴器v 垤= ( 1 + 2 5 ) ( o 5 x1 3 5 8 0 x 2 8 2 3 + 1 6 4 3 8 9 9 ) = 3 6 4 9 7 3 4r n m 3 中间节v 坯= ( 1 + 2 5 ) ( o 5 1 7 2 9 0 x 2 1 6 8 + 2 8 8 8 8 6 7 ) = 4 8 8 2 1 8 0n l m 6 2 稍 5 1 ：j ；2 2 0 i 絮 孺芝 7 7 z z 海乏己乒- 三酗 d 茸 _ 习