联轴器设计及相关技术研究【含cad图纸+文档全套资料】
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联轴器设计及相关技术研究摘要：机床在机械行业的发展中是一种必不可少的工具，随着社会的发展机床各项技术的研究对于国防事业的稳定有着不可估量的重大意义，是我国经济发展的重要标志，在连接机床的连接件中，联轴器更是处于核心的部位，影响着主要机床的性能。判断一个机床的好坏更重要的是联轴器的好坏，因此我觉得研究联轴器很有必要。联轴器可以传递很大的功率，寿命长，结构简单，适用于高速大功率机组。足够的强度和刚度是他的基本条件，用以保证连接件，在各种各样的载荷情况下都能正常运行。我的毕业设计研究的就是3种弹性联轴器，他们分别是：HL弹性注销联轴器，梅花形EK2弹性联轴器，GLD双膜片型弹性联轴器本次论文的主要研究内容如下：（1）首先对弹性连轴器做一个整体的简介，通过查阅相关的国内外文献、设计资料、有关专利文献等，了解联轴器的国内外发展现状，在这个基础上设计3种弹性联轴器；（2）首先对HL弹性连轴器做一个简单的概述，提出了对这种联轴器在使用时出现的问题，并且针对该问题进行改正和修正，达到很好的效果；（3）其次对梅花形EK2弹性联轴器的的工作原理做相关介绍，结合其他的相关资料对其材料进行选择，最终选择其材料和金属的粘结方式，因为这关系到联轴器的正常使用；（4）最后对GLD双膜片弹性连轴器进行简单的介绍，通结合国内外的资料，对其进行材料的选择和整体的结构设计，最终达到理想的效果。关键词：柱销联轴器；梅花联轴器；双膜片联轴器；创新技术VElastic coupling design and related technologiesAbstract: It is an indispensable tool machinery industry as a tool, in-depth study of the technology for key parts of the machine to a stable defense immeasurable significance machine connections, the coupling is at the core.Coupling can pass a lot of power, and long life, the structure is very simple, suitable for use on high-speed power unit. Its basic conditions have sufficient strength and rigidity to ensure that the connection member under various load conditions to run correctly. The thesis is three kinds of flexible couplings, they are: HL Flexible couplings cancellation, EK2 plum-shaped flexible coupling, GLD double diaphragm flexible couplingThe main contents of this paper are as follows:(1) First pair of elastic couplings do a whole profile, a review of the relevant literature, design information, relevant patent documents and understand the present situation of the development of couplings, on this basis, three kinds of elastic linking design axle;(2) First HL Flexible couplings do a brief overview of the proposed use of such coupling when the problems and address the problem be corrected and amended to achieve good results;(3) Secondly the plum-shaped flexible coupling EK2 works done related presentations, combined with other relevant information to their material selection, the final selection of the material and the metal bonding manner, as it relates to the coupling of normal use;(4) Finally the GLD double elastic diaphragm couplings simple introduction, at home and abroad through information, their selection and the overall structural design material, and ultimately achieve the desired results.Keywords: cancellation coupling， plum coupling， double diaphragm couplings， innovative technologies.目 录摘要Abstract目录1绪论11.1课题的研究背景11.2国内外联轴器的研究现状11.2.1国内的研究现状11.2.2国外的研究现状21.2.3国内外的研究现状对比21.3研究的内容及意义31.3.1研究的内容31.3.2研究的意义32HL弹性注销联轴器的工作原理和改进设计42.1弹性联轴器的概述42.2HL弹性注销联轴器的工作原理42.3HL弹性注销联轴器存在的问题52.4HL弹性注销联轴器的改进设计53梅花形EK2弹性联轴器的工作原理和结构设计73.1梅花形EK2弹性联轴器的工作原理73.2梅花形EK2弹性联轴器弹性的材料选择73.3弹性联轴器弹性材料与金属的粘结84GLD双膜片弹性联轴器的选型与结构设计104.1GLD双膜片弹性联轴器简介104.2GLD双膜片弹性联轴器材料选择114.3GLD双膜片弹性联轴器的整体设计11总结13参考文献错误！未定义书签。致谢161 绪论1.1 课题的研究背景联轴器产品分刚性、弹性、挠性及万向联轴器等40多个系列上百种规格。广泛用于冶金、矿山、起重运输、石油化工、造纸、通用等行业1。并先后在首钢、武钢、宝钢等大型企业中使用，为国内众多钢厂的大型设备国产化提供了技术和设备的有力支持。随着人类社会科技的不断提高，大功率、高精度等机械设备也迅速发展，各种机械设备对联轴器也提出了更新的要求。如：除了基本的传递转矩或运动外，还要求具有补偿偏移、提高传动效率、减震、缓冲、提高传动精度等。针对各式各样的机械设备提出不同的要求。因此，本次本课题就是要进行联轴器的设计，并且尽可能的克服目前联轴器存在的普遍缺陷。1.2 国内外联轴器的研究现状联轴器是机械零部件的重要部分,是机械行业普遍通用的机械零部件,适用于交通运输、航天航空、船舶机械、等人们生活中的各行各业。其最基本的功能是传递运动和动力。不同的联轴器使用的场合不同,当然力矩和转速也肯定不同。以离合器和联轴器为例来说明,他们使用场合不同。离合器最主要的是片式离合器，近些年又出现了气胎离合器、锥体离合器、液粘调速离合器、弹性离合器。联轴器也由开始的柱销联轴器渐渐发展到今天弹性联轴器。1.2.1 国内的研究现状我国联轴器主要经历了四个阶段：第一阶段是上世纪五、六十年代，主要是自给自足，自己制造一些联轴器，但是功率小，品种少，不成规模；第二阶段是上世纪的七、八十年代，随着对外开放，专利技术的引进和国外的先进设备的使用，对联轴器的发展起了推动作用；第三阶段是上世纪八十年代到本世纪初，经过20年的发展，国内的联轴器基本能够满足市场需求，已形成联轴器产业化；第四阶段是二十一世纪至今，随着科技发展，国内自主研发和创新能力的不断提高，我国联轴器行业高速发展，从而使联轴器的发展与国际接轨，在某些个别的技术上甚至远远超过国际标准。我们对弹性联轴器的真正研究是从上世纪70年代开始的，我们的的弹性联轴器是建立在国外联轴器的基础上，然后根据自己的需要改进而成。如TD型轮胎式联轴器，是第一重机的系列产品；XL系列高弹性橡胶联轴器是我国位列第一的高弹性橡胶联轴器GB产品；。由我国研制的新型高性能联轴器是弹性柱销联轴器，它集中现有联轴器的所有优点。国内目前设计的好多联轴器都已达到国内标准，有的已达国际标准甚至超越标准。1.2.2 国外的研究现状国外联轴器的研究较早，生产的联轴器也很专业，生产的联轴器技术含量高，满足重机配套的需要，加工先进，尤其是注重技术开发和技术进步。弹性联轴器的功能在于传递扭矩，补偿主、从动轴的中心位移；缓冲和吸振。而高弹性联轴器更是传动性能优良，品种繁多，广泛应用于重机中2。非金属弹性元件也就是弹性联轴器的弹性元件在受剪切并压缩状态下依然可以传递扭矩。有点是：弹性模量变化范围大，容易得到不同的刚度，以及内摩擦大、单位体积存储的变性能大，没有机械摩擦和滑动，不需要润滑等优点。橡胶是联轴器采用的非金属弹性材料中应用最多的材料。国外自上世纪50年代就开始对橡胶弹性联轴器进行生产和研究，如德国研制了伏尔康新型联轴器；澳大利亚研制的新型联轴器在轮船上取得了良好的效果；日本生产的轮胎式联轴器，其弹性元件由尼龙线布制成；例如压缩应力型联轴器就是借助于变形应力去实现扭矩传送，所以这样的联轴器用于正反方向运行，启动次数多，断断续续运转的机器非常适应；国外的各种联轴器已经发展的非常的成熟，包括有些我们所不及的，也可以进行借鉴和考量。1.2.3 国内外的研究现状对比国内联轴器的技术水平，结构型式和技术参数还有性能指标，大部分可以达到国外同类产品的水平；但从加工精度和使用寿命相差很大。主要是因为国内的加工设备陈旧，加工精度差所导致的。国内的弹性联轴器的研究也取得了一些进展，特别是在产业化等方面。为了实现不同的环境下，联轴器能够满足降噪、长寿命、减振、大转矩的要求，同时，为了维修和避免共振。目前，国内的对弹性联轴器研究方向主要是采用新材料、采用新结构、采用新技术、采用新的计算方法，计算机的发展，也促进了计算方法的发展和应用3。1.3 研究的内容及意义1.3.1 研究的内容本文主要的目的是学习和掌握联轴器的有关知识，了解数控机床电机、丝杠链接用弹性联轴器设计的关键技术及发展现状；了解数控机床高速进给运动对弹性联轴器的要求；总结弹性联轴器的设计要点、技术关键及发展方向；最后提出弹性联轴器设计的发展方向；本文的主要研究内容如下：（1）结合资料设计三种弹性联轴器，然后对其做详细的介绍；（2）HL弹性连轴器的介绍；（3）梅花形EK2弹性联轴器的相关介绍；（4）GLD双膜片弹性连轴器的介绍；（5）对弹性连轴器的现在和未来做简单的预测1.3.2 研究的意义本课题研究的意义是对弹性联轴器进行结构设计，预期的结果是承载能力好，抗缓冲能力强，使用寿命长。该联轴器减振效果要好，适用于机床行业中。本文主要是结构的设计，让其基本符合机床中采用电机主轴和滚珠丝杠的连接，本次的设计既是对以前联轴器的继承，又是希望对联轴器的行业产生哪怕一点点的影响，只要可以克服联轴器的固有缺陷，就能达到我这次的毕设能力要求。172 HL弹性柱销联轴器的工作原理和改进设计1.4 弹性联轴器的概述弹性联轴器主要是拥有弹性元件，弹性元件能够补偿两轴的相对位移，并且能够缓冲和吸振的作用4。在机械运动过程中，传动轴系的运动会引起载荷的变化，如电机转速不稳定、载荷的突变和周围环境的不稳定引起载荷的变化。载荷的变化分为周期载荷、无规律变化的载荷和冲击载荷，而弹性联轴器恰恰由于刚度和阻尼，可以适应载荷的波动，具有缓冲和减振功能。联轴器的刚度包括轴向刚度、径向刚度、和扭转刚度。而在实际工程中大部分由于因为扭矩波动引起扭转振动的，所以最主要的是刚度和扭矩对联轴器的影响。在平常情况下，轴系传动中其他部件的刚度比较大，所以用联轴器的扭转刚度作为传动轴系的扭转刚度的标准。弹性联轴器的扭转刚度不变的是等刚度联轴器，转角和转矩成线性。当刚度可变时是变刚度联轴器，变刚度联轴器的刚度随扭矩增大。变刚度联轴器主要通过改变固有频率来避免共振。 弹性联轴器的两大功能就是缓冲和减振，但不是在任何情况下都能产生减振有时会增加振动。所以，只有在联轴器可协调时的情况下，才能产生减振的效果。1.5 HL弹性注销联轴器的工作原理HL弹性柱销联轴器适用于机械联接两同轴线的传动轴，通常用于启动频繁的高低速运动，传递公称扭矩为4020000N.m。柱销通常采用尼龙制成，有补偿两轴线偏移能力的功能，但是补偿能力不大。注销放在两半联轴器凸缘孔中,通过柱销把两半联轴器连起来。当出现磨损或着出现较大的剪切力距超过其受力极限时,柱销便会因为力矩而切断, 起到保护两个半联轴器的作用。HL弹性柱销联轴器中在为了防止柱销脱落,在半联轴器的两边,用螺钉固定了两个半环形挡板以防止注销的脱落。弹性柱销联轴器结构造型简单并且维护保养方便、因其对称可互相交换使用,减小了其磨损，增加了其抗疲劳性。允许有比较大的轴向运动,具有缓冲、减震、耐磨等。其二维图图图2-1所示：图2-1 HL弹性注销图纸1.6 HL弹性柱销联轴器存在的问题弹性柱销联轴器用的是销轴挡板和螺钉固定防止在工作状态下影响机器性能。每次更换销轴时,必须要重新安装螺钉,所以在现实中显得比较繁琐,而且螺钉也容易断裂在螺孔中,所以经常出现螺钉断裂的问题,有时甚至会影响正常生产或者说不能使用。1.7 HL弹性注销联轴器的改进设计针对HL型弹性柱销联轴器最初的设计中存在的问题,我对型弹性柱销联轴器的挡销结构进行了改进设计。如图2-2所示:图2-2 改进的HL弹性柱销联轴器现将改进措施做一一的介绍：1.左半联轴器的孔设计为通孔，但是直径要不一样,这样就去除了最初设计的左侧挡板。在对轴销进行更换时,轴销可通过小孔从右侧滑出。2.右半联轴器的内侧加工凹槽。该凹槽位于凸缘孔周径的中心位置。当更换新的轴销时，就替代了挡板起到挡销作用。本次改进设计对联轴器技术参数均没有发生任何变化。但我相信，本次的改进可以使螺钉断裂的问题不再存在,而且使得维修方便、效率提高，值得推广。2 梅花形EK2弹性联轴器的工作原理和结构设计2.1 梅花形EK2弹性联轴器的工作原理橡胶联轴器主要是通过弹性体承受挤压或严重压缩变形来传递扭矩，能够补偿角向位移，并且有减振、降低噪音的效果5。有鉴于此，设计出一种梅花形EK2弹性联轴器，该联轴器具有梅花弹性圈而拥有较高的刚度，减振效果特别好，补偿位移很大等特点。各种各样结构形式的橡胶原件，在使用时传递扭矩也不同，主要包括剪应力和压缩应力元件。对于挤压型联轴器来说梅花形联轴器是典型的联轴器，如橡胶元件通过相互挤压来传递扭矩。其实物图如3-1所示：图3-1 梅花形联轴器实物图梅花联轴器是由一个梅花状的弹性原件放在两个半联轴器之间，用来确定两个半联轴器的连接。他是通过键的形式与弹性圆环之间的相互压迫传递动力，通过弹性环生成的弹性变形可以补偿两轴之间的相对位移，来实现减小振动功能和缓冲载荷的功能。梅花形弹性联轴器的优点是：零件数量特别少，尺寸小方便制造，装备和拆卸时沿着轴向移动的两个半联轴器。2.2 梅花形EK2弹性联轴器弹性的材料选择弹性联轴器的弹性元件有很多，列如橡胶弹性元件、聚氨酯弹性元件和尼龙。 橡胶：（1）弹性变形量非常的大，不同的橡胶拥有不同的弹性模量；（2）可以储存的变性能非常大，拥有较好的阻尼性，可以缓和突然冲击并且衰减振动效果很好；（3）可通过硫化的方式保持橡胶与金属面之间的粘合，以此来防止橡胶垫的滑脱。聚氨酯弹性元件：具有高弹性、高硬度、高耐磨性，它的耐磨性是其他的8倍，耐化学性良好。耐热性不行，最高工作温度只有80，是聚氨酯弹性体所欠缺的。目前在弹性联轴器中应用较多。尼龙弹性元件：有弹性，具有兼有较高的耐磨性，尼龙的强度比较高，化学稳定性、耐油性和耐热性也非常好。但是尼龙在弹性方面不如橡胶。主要用于对缓冲和吸振要求较低的地方。综合以上的信息对比，选用橡胶作为EK2弹性联轴器的弹性材料，橡胶材料的力学性能差别加大。橡胶硬度低的则承载能力不高；橡胶硬度高的缺乏弹性，易产生塑性变形。综合对比考虑之下，我们用硅橡胶材料作为弹性元件。硅橡胶的硬度合适，且硅橡胶具有较好的耐热、耐老化性能。2.3 弹性联轴器弹性材料与金属的粘结对于金属和橡胶两种不同的材料，硫化粘结可以将其很好地粘结到一起。橡胶-金属的热硫化粘接一般情况下都是采用双涂层胶粘剂，主要是胶粘剂渗入到金属表面空隙内与金属进行粘结，并排除杂质的吸附,然后产生橡胶与金属之间的相互作用，最终给以产生足够的粘接强度；胶粘剂与橡胶之间通过分子作用实现粘接；同时，三者之间也发生化学反应，从而使橡胶和金属牢牢地连接在一起。金属表面的加工决定橡胶与金属是不是很牢固地结合在一起。获的较好粘结强度另一个因素是获得良好的粘结界面。粘结界面清洁、耐蚀，那么他的附着力就好。所以粘结过程的好坏对粘合性能有着直接的巨大影响。另外弹性联轴器所处的周围环境的温度和湿度，风力的大小等对粘结性能也有关系。在粘合施工前将粘结剂中的溶剂必须一定要全部挥发完，因为粘结剂会对粘合性能将产生非常不利的负面影响。橡胶-金属热硫化粘接，其中最常见的失效类型主要有以下4类：（1）胶粘剂自身内部的过期失效； （2）橡胶与胶粘剂之间发生不该发生的化学反应失效；（3）胶粘剂与金属间发生反应破坏；（4）橡胶自身内部破坏失效； 我们就只对粘接破坏而言，大部分情况下橡胶-金属粘接体系所要求破坏形式是100%橡胶本体破坏。所以只要橡胶的成分和生成配方合理，即使橡胶破坏时，我们更换完橡胶以后又是可以使用的。3 GLD双膜片弹性联轴器的选型与结构设计3.1 GLD双膜片弹性联轴器简介GLD双膜片弹性联轴器主要由左右两个半联轴器、膜片组、中间体、螺栓、防松螺母等一系列零部件组成，常见结构如图4-1所示：图4-1 双膜片联轴器实物图他的工作原理是转矩从半联轴器的两边输入，膜片组是由旋转强度通过螺栓把转矩传送给他的，中间体上是通过通过旋转传输传达，相同的转矩通过中间体传送到达另一个端面，最后才能输入转矩。GLD双膜片弹性联轴器膜片常用的结构有轮辐式、圆环式、连杆式、多边式、束腰式。其示意图如图4-2所示：图4-2 膜片的各种形式轮幅式和连杆式是最初时设计的形式，圆环式相对来说，结构比较简单，但柔性相对来说较差，目前多边式和束腰式的膜片是最常用的。特别是束腰式螺栓孔周围应力非常的低，离心力又是特别的小，去除多余的质量，转速还可大幅度的提高。但是我们这次采用的膜片如图4-3所示：图4-3 膜片的二维图膜片联轴器兼有刚性联轴器和弹性联轴器的优点，他的优点如下： （1）片式避免了齿式联轴器的滑移或滚动摩擦接触，所以无需润滑，这大大的省去了复杂的滑油系统和更换润滑油； （2）使用寿命长； （3）采用非对中的形式，适应能力超大，一般是齿式的十倍； （4）产生的轴向推力非常小，基本上只有齿式的十几分之一；（5）膜片联轴器传动效率高于弹性柱销联轴器，还有有节能作用； （6）膜片联轴器适应能力强于弹性柱销联轴器在偏转，弹性圈经常发生损坏现象，而膜片联轴器基本无损坏现象； （7）膜片联轴器具有良好的减振作用。3.2 GLD双膜片弹性联轴器材料选择膜片在跟随联轴器转动的过程中受到的主要是拉应力和压应力，以及在三向位移受到的高周循环疲劳应力。为了适应各种艰难的工作环境，双膜片弹性联轴器有常规型、耐腐蚀型、耐热型和耐高周疲劳型四中。他们的基本结构都一样，主要区别在于膜片材料不一样，常规型的照片材料采用1Cr18Ni91/2H冷轧不锈钢带，耐腐蚀型膜片材料采用904L不锈钢带，耐热型膜片材料采用155PH沉淀硬化不锈钢带，耐高周疲劳型膜片材料采用oCr18Ni92/3H不锈纲带。3.3 GLD双膜片弹性联轴器的整体设计这里的设计标准ZB/TJ191221991中JM2J型接中间轴的整体式膜片联轴器的型号和大小，用以配合机床自身的主轴和滚珠丝杠要求进行设计6。装配在电机和丝杠间的双膜片弹性联轴器，要想到电机运行的条件，装配等要求。通常与电机高速轴联接的左半联轴器采用平键联轴器；膜片采用膜片组，每组两片，单个膜片厚度为2mm左右，中间体采用绝缘的橡胶结构，与滚珠丝杆相连接的右半联轴器采用无键联轴器。通过上面的选型用CAD对其进行整体的设计，设计图形如图4-4所示：图4-4 GLD双膜片弹性联轴器总结本文主要是研究了3种弹性连轴器的设计，联轴器的种类很多，按不同的方法有不同的分类，每种弹性连轴器的性能又不相同，故本次研究了3种，现将所做的报告做如下的回报（1）首先对弹性连轴器做一个整体的简介，让大家了解联轴器，并且了解联轴器的国内外发展现状，在这个基础上设计3种弹性联轴器；（2）对HL弹性连轴器做一个简单的概述，对这种联轴器出现的问题进行改正和修正，并且达到很好的效果；（3）对梅花形EK2弹性联轴器的的工作原理做相关介绍，对其材料进行选择，选择其材料和金属的粘结方式；（4）对GLD双膜片弹性连轴器进行简单的介绍，对其进行材料的选择和整体的结构设计。参 考 文 献1 周明衡.联轴器选用手册.北京:化学工业出版社,20012 施高义,周培德,翟东升.机械设计手册4.第二版.北京:机械工业出版社,20003 洪庆章,刘清吉,郭嘉源.ANSYS教学范例.第一版.北京:中国铁道出版社,20024 博嘉科技.有限元分析软件ANSYS融会与贯通.第一版.北京:中国水利水电出版社,20025 王志群.非线性有限元原理和应用.第一版.南京:华东工学院,19896 蒋孝煌.有限元基础.第一版.北京:清华大学出版社,19927 刘鸿文.板壳理论.第一版.浙江:浙江大学出版社,19878 葛子余.金属软管.第一版.北京:宇航出版社,19859 丁皓江,何福保,谢贻权,徐兴.弹性和塑性力学中的有限元法.第一版.北京:机械工业出版社,198910 廖林清,王化培,石晓辉.机械设计方法学.第一版.重庆:重庆大学出版,200011 姚东,王爱民.MATLAB命令大全.第一版.北京:人民邮电出版社,200012 柳承茂.MATLABS.X入门与应用.第一版.北京:科学出版社,199913 张培强.MATLAB语言演算纸式的科学工程计算语言.第一版.北京:中国科技术出版社,199514 N.Baehselllllid,P.Pe
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