非圆柱配合面液压锁紧轴套的锁紧扭矩分析.pdf

非圆柱配合面液压锁紧轴套的锁紧扭矩分析 木 王乾勋 闫 明 孙淑霞 邵诗严 沈阳工业大学机械工程学院， 辽-7 沈阳 1 1 0 8 7 0 摘要为提高液压锁紧轴套的锁紧扭矩 ， 提 出了一种非圆柱配合面液压锁紧轴套 ， 即在与轴套相配合的接 触面上 。 将转轴圆柱加工出若干平行于轴线方向内切扁面 ， 形成非圆柱配合表面 ， 转轴 的圆柱配合 表面仍然可以被轴套锁紧而产生摩擦扭矩， 而在转轴的非 圆柱配合表面处 由于轴套的变形不均匀 性 。 会对转轴产生机械制动效果， 从而增加锁 紧扭矩， 缩短 了制动 时间。做出 7种不同切扁面深度 的轴， 每种切扁面深度对应有 2 、 3 、 4 、 5 、 6个切扁面数量 ， 通过有限元分析软件 A NS Y S和实验 ， 分析 了切扁面数量以及切扁面深度对锁紧扭矩的影响， 发现 当切扁面数量为 4 ， 切扁面深度为 2 mm 左 右时 ， 锁紧力矩出现最大值。 关键词 液压锁紧轴套 ； 弹性变形； 转动自由度 ； 非圆配合面 ； 深度 ； 数量 ； 有限元； 实验 中图分类号 T G 5 0 2 ． 1 文献标识码 A L o c k i n g t o r q u e a n a l y s i s o f h y d r a u l i c l o c k i n g s l e e v e wi t h n o n c y l i n d r i c a l c o n t a c t s u r f a c e WA N G Q i a n x u n ， Y A N Mi n g ， S U N S h u x i a ， S H A O S h i y a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 ， C HN Ab s t r a c t P r e s e n t s a k i n d o f n o nc i r c u l a r c o n t a c t s u r f a c e s h y d r a u l i c l o c k i n g s l e e v e， s e v e r a l s e c t i o n s g e n e r a t e d a ． 1 o ng t h e s h a f t a x i a l d i r e c t i o n o n t h e c o n t a c t s u rfa c e wi t h t h e l o c k i n g s l e e v e，t h e c y l i n d r i c a l c o n t a c t s u r f a c e o f t h e s h a f t c a n s t i l l g e n e r a t e l o c ki ng t o r q ue u n d e r t h e f r i c t i o n a l e f f e c t b e t we e n t h e s h a t a n d t he s l e e v e， a n d d u e t o d e f o r ma t i o n i n h o mo g e n e i t y b u s h i n g s o n t h e n o n c y l i n d ric a l c o n t a c t s u rfa c e o f t he s h aft ，i t wi l l p r o d u c e me c h a n i c a l b r a k i n g e f f e c t o n t h e s h aft ，t h e r e b y i n c r e a s i n g t h e l o c k i n g t o r q u e a n d s h o r t e n t h e b r a k i n g t i me ．Ma k i n g s e v e n di f f e r e n t d e p t h c u t t i n g s urfa c e，a n d t h e n u mb e r o f e a c h c u t s u r f a c e i s d i v i d e d i nt o 2， 3， 4， 5， 6 fiv e t y p e s ；us e s fini t e e l e me n t a n aly s i s s o f t wa r e ANSYS a n d e x p e r i me n t s，a n a l y z e s t he i mp a c t o n t h e l o c ki ng t o r q u e u n de r d i f f e r e n t n u mbe r o f l o c ki n g s e c t i o n a nd de p t h， a n d fi n d s t h a t wh e n t h e n u mb e r o f c u t t i n g s u rf a c e i s 4，t h e d e p t h o f t h e c u t t i n g s u rf a c e i s a b o u t 2 mm， t h e r e wi l l b e a maxi mu m l o c k i n g t o r q u e ． Ke y wo r d sh y d r a u l i c l o c k i n g s l e e v e； e l a s t i c d e f o r ma t i o n； r o t a t i o n al f r e e d o m ； n o n c i r c u l a r c o n t a c t s urfa c e s； d e p t h； n u mb e r；fini t e e l e me n t a na l y s i s；e x p e rime nt 五轴联动机床是一种科技含量高 、 精密度高、 专门 用于加工复杂曲面的机床， 这种机床技术对一个国家 的航空、 航天、 军事、 科研 、 精密器械、 高精医疗设备等 行业有着举足轻重的影响力 。五轴联动机床通常是由 三个直线进给轴和两个旋转 或摆动 进给轴组成 。 五轴联动机床在加工复杂工件时 ， 不仅需要旋转 或摆动 进给轴能够连续进给来实现多角度加工， 还 需要能够 完成特定方 向和角度加工 ， 这就需 要旋转 或摆动 具有角度分度和锁紧的功能。为此研发 了 端齿盘机构 、 U型叉机构 以及液压锁紧轴套等部件来 沈阳市工业科技攻关项 目 F 1 2 0 6 92一 O 0 7 4 实现旋转 或摆动 的分度和锁紧功能 j 。借助端齿 盘机构、 u型叉机构可以在某些预定位置分度锁紧， 而 液压锁紧轴套可以在任意角度实现定位锁紧功能， 此 外 ， 液压锁紧轴套还具有接触 面积大 ， 定心精度高 ， 结 构紧凑 ， 使用寿命长等优点 ， 因此液压锁紧轴套在机床 上的应用越来越广泛 J 。 锁紧扭矩是液压锁紧轴套 的重要参数 ， 锁紧扭矩 的大小受液压锁紧轴套的长度 、 厚度 、 直径 、 油压 以及 与旋转轴之 间的微小间隙等参数 的影响⋯ 。为增 大 液压锁紧轴套的锁紧扭矩 ， 缩短制动时间， 提出了一种 zu 1 0 ■a 此时油腔中的压力保持恒定 ， 液压马达 1 驱动转轴 5 ， 并 缓慢增加扭矩 ， 当转轴发生转动时 ， 圆盘 7的圆弧面压 下行程开关触头 8 ， 触发行程开关 6 ， 液压马达 瞬间停 止 ， 同时液压锁紧轴套卸压。记录下转轴开始转动瞬间 由扭矩传感器 2输出的扭矩数值， 此数值即是在此压力 下液压锁紧轴套对转轴提供的最大扭矩值 。 1 一 液压马达 ；2 扭矩传感器 ；3 一 电子 显示压力表 ；4 一掖压锁紧轴套 ； 5 一转轴 ；6 _ 一 行程开关 ；7 一带切 削面的 圆盘 ；8 一 行程开 关触 头 ； B 液 压油进出 口；P - 一 压力油腔 。 图1 1 液压锁紧轴套实验机工作原理筒图 3 ． 3 实 验过 程及 结果分 析 液压锁紧轴套工作表面 内表面 粗糙度R 0 ． 8 p ． m， 轴套与轴的间隙 C 0 ． 0 2 mm， 轴套与轴间的摩擦 系数 ／ x 0 ． 1 5 ， 接触表面洁净 ， 施加于轴套载荷区的压 力为 5 MP a ； 采用在转轴 的不 同角度多次实验求平均 值的方法 ， 减小实验误 差 ； 实验测得 的扭矩 可 以直 接通过扭矩传感器反馈到显示屏上读取。 实验过程中， 由于存在系统误差 ， 偶然误差等诸多 因素的干扰 ， 实验结果与有 限元法得到的数据存在一 定的差异 ， 但是总体上两者基本一致 ， 能够明确体现切 扁面深度 日和切扁数量 Ⅳ对于液压锁 紧轴套压力 的 影响。图 1 2对 比了有限元法与实验结 果在 H 0 ． 5 mm时切扁面数量 Ⅳ对锁紧力矩大小 的影响， 图 1 3对 比了在 N 4时切扁面深度 日对锁紧力矩的影响。 协赢令萄 } 令 图l 2 锁紧力矩与切削面个数Ⅳ 的关系对比 0 ． 5 mm 4 结语 1 锁紧轴套与转轴接触面上的压力在轴 向的分 布呈现驼峰状 ， 靠近轴套 固定端一侧的峰值较高 。锁 紧轴套与转轴接触面上的压力分布形态是 由轴套本身 的刚度决定 的。 甥赢深霞HI ton i 图1 3 切削面深度 紧力矩的影响对比 N ffi 4 2 非圆柱配合面转轴的圆柱配合表面仍然可以 被轴套锁紧而产生摩擦扭矩 ， 而转轴 的非 圆柱配合表 面会产生机械制动效果而增大锁紧扭矩。 3 实验与有 限元法所得到的结果在误差允许的 范围内表现出了一致性 ， 两者相互验证 ， 证明了非圆配 合面液压锁紧轴套具有提高液压锁紧轴套锁紧扭矩的 作用。当 N4 ， H2 m m左右时 ， 锁紧力矩将会 出现 最大值。 参考文献 [ 1 ] 高秀峰 ， 孙璐． K o s t y k a 运动件锁 紧装置 在机床旋转类 功部件 中的应 用 [ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 1 2 2 1 4 51 4 8 ． [ 2 ] 陈光 ， 张继革． 液压胀管中胀接 残余接触 压力 的理论计算 方法及分 析 [ J ] ． 电站辅机 ， 2 0 1 0 ， 3 3 1 61 1 ． [ 3 ] 王振乾， 卿兆波， 杨惠忠．一种液压胀紧式联接器的研究[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 4， 4 2 1 O 1 1 81 2 1 ． [ 4 ]D a n i e l V a s i l i k i s ，S p y ms A K a r a m a n o s ．S t a b i l i t y o f c o n fi n e d t h i n w a l l e d s t e e l c y l i n d e r s u n d e r e x t e ma l p r e s s u r e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e s ， 2 0 0 9，51 213 2． [ 5 ] E l S a w y K M．I n e l a s t i c s t abi l i t y o f t i g h t l y fi t t e d c y l i n d ri c a l l i n e r s s u b ． j e c t e d t o e x t e r n al u n i f o r m p r e s s u r e [ J ] ． T h i nWa l l e d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 1 ， 3 9 7 31 7 4 4． [ 6 ] Wa n g H F，S a n g Z F ．E f f e c t o f c e o me t r y o f c r o o v e s o n c o n n e c t i o n s t r e n g t h o f h y d r a u l i c a l l y e x p a n d e d t u b e t o t u b e s h e e t j o i n t s [ J ] ． J o u r - h a l o f P r e s s u r e Ve s s e l Te c h n o l o g y， 2 0 0 5 ，1 2 7 4 3 0 43 5． [ 7 ] 黄长征 ．液压缸机械锁 紧技 术新发 展 [ J ] ．韶关学 院学报 自然科 学版 ， 2 0 1 0， 3 1 9 4 O一4 4 ． [ 8 ] Y o s h i n o r i T a t s u d a ， C l a m p i n g s l e e v e ．U n i t e d S t a t e s ．U S 2 0 1 0 ／ 0 1 0 7 8 1 3 a 1 [ P ] ．ma y ． 6， 2 0 1 0 ．[ 2 0 1 4 ． 1 2 ． 1 2 ] 第一作者 王乾勋， 男， 1 9 9 0年生 ， 硕士研 究生， 主 要从事高档数控机床设计研究。 编辑 刘文元 收稿日 期 2 0 1 4 0 9 1 5