|
工业设计/产品设计 |
|
| 按行业筛选 |
|
|
| 按产品筛选 |
|
|
| |
|
查看本类全部文章 |
| |
|
|
|
|
基于机构创新设计的型面联接 |
|
|
作者：贾文友 刘莉 安荣 |
|
引言
型面联接是采用非圆异形截面的轴孔配合代替键和花键来传递扭矩的一种联接方式。成型工艺的发展，更加促进了型面联接的应用研究。当前，随着市场经济竞争机制渗透到各个领域，世界先进的制造业企业已经走过了以产量和质量占领市场的阶段，进入了以创新占领市场的崭新阶段。如何创新，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。在此时代背景下，基于机构创新设计理论，分析验证洗衣机的减速箱组件的输出端与洗涤执行元件(即波轮组件)的联接方式，通过结构设计、联接可靠性分析、设计成本预算，同时结合寿命测试，得出的研究结果是用方形型面联接代替渐开线花键联接。
1 机构创新设计
机构创新设计是机械创新设计的重要内容和理论分支，对于机械产品中的运动子系统，其功能的分解过程也就是根据工作原理来构思工艺动作的过程，整个工艺动作过程往往可分解为若干个动作行为。动作行为载体总是表现为某种物理(技术)装置，在机构学中就是指各种各样的机构。机构是由构件组合而成的。在机构中，每个构件都以一定的方式与其他构件相互联接(即运动副)。
机构创新设计理论体系中，机构演化变异原理与创新是本文工程应用研究的基础。在机构演化变异原理与创新的方法中，本文主要利用机构的等效变换的设计思路和设计方法。
机构的等效变换又称机构的同性异形变换，是指其输入、输出的运动特性相同或等效，但是结构不同的一组机构。常用的设计思路和设计方法是利用运动副的等效代换创新同性异形机构。如图l所示，左侧图中组成平面高副的两元素均为圆，高副接触点为两元的切点C。圆心分别为A和B，半径分别为CB和AC。这是一个滚子摆动从动件盘形凸轮机构，盘形凸轮为一个偏心圆。机构运动时，A和日两点之间的距离始终保持不变，即为两圆半径之和。因此，若用一长度与之相当的附加构件3，并使其在两圆心A和B处铰接，而组成了一个曲柄摇杆机构OABD，该机构与原凸轮机构就成为一组同性异形机构。
图1 机构的等效变换实例的机构简图
2 型面联接的应用研究
型面联接早在16世纪就已在钟表、印刷机械中得到应用。但因其加工制造有相当难度，工业应用并不很广泛。目前，美、英、日等主要研究成形联接在数控机床刀具系统中的应用，前苏联将其用于工程和农业机械。国内研究在煤矿机械上的应用。型面联接与平键联接、花键联接相比，突出的优点是：不存在尖角，大大降低了应力集中，提高了轴的疲劳强度；具有自动定心性能，能实现以间隙配合装配，以过盈配合工作，联接刚度高；节约材料，减少制造成本，降低噪声。迄今为止，型面联接在我国还没有得到推广应用，关键是没有适合我国国情的高效率、高精度的专用加工设备。
2.1 结构设计
2.1.1 渐开线花键的结构设计
渐开线花键的主要基本参数有标准压力角、模数、齿数等。首先选择压力角，压力角使用范围有30.0°，37.5°和45.0°等3种，压力角的选择原则：花键的压力角大，则键齿强度大，在传递的圆周力相同时，大压力角花键的正压力也大，故摩擦力大；选择压力角时，主要应从构件的工作特点即有无滑动、浮动以及配合性质和工艺方法等方面考虑。
花键联接是由外花键和内花键组成。在双桶洗衣机中，减速箱组件的输出轴与波轮组件的嵌件联接的特性为：传递运动和动力，是固定联接，适合的压力角是30°，圆齿根。确定压力角的数值后，根据双桶洗衣机中的减速箱组件的输出轴直径12mm，参考“300外花键大径基本尺寸系列”，查得花键的齿数为11齿，花键的模数为1mm。根据花键尺寸计算公式可以算出需要的相关数值，可以绘制出减速箱组件的输出轴花键段的局部图，如图2所示，是外花键；根据配合要求，同样可以绘制出波轮组件的轴衬嵌件图，如图3所示，是内花键。
图2 减速箱组件的输出轴花键段的局部
图3 波轮组件的轴衬嵌件图
2.1.2 方形型面的结构设计
型面联接属于无键联接，是由轴和相应的轮毂沿光滑的非圆表面接触而成，表面可做成柱形或锥形甚至可以根据需要加工出各种各样的形状。柱形只能传递转矩，锥形除传递转矩外，还能传递轴向力。本文研究的减速箱组件的输出轴与波轮组件的轴衬嵌件之间只需传递转矩。所以型面联接的表面选择柱形。本文为了克服加工复杂性，采用的型面联接属方形型面联接，示意图如图4所示。
图4 方形型面示意图
其中是重要参数，可以通过相关手册和标准查找。双桶洗衣机中的减速箱组件的输出轴直径为12mm，即d1=12mm，参考DIN32712标准，可查到，可以绘制出减速箱组件的输出轴方轴段的局部图，如图5所示。根据配合要求，同样可以绘制出波轮组件的轴衬方嵌件图，如图6所示。
图5 减速箱组件的输出轴花键段的局部
图6 波轮组件的轴衬嵌件图
2.2 可靠性分析
2.2.1 渐开线花键联接的可靠性分析
双桶洗衣机中的减速箱组件的输出轴与波轮组件的轴衬嵌件之间的渐开线花键联接，属于静联接，在结构设计确定之后，进行强度校核计算。静联接主要的失效形式是工作面被压溃，强度条件为：
式中：T—传递的转矩，此处为17 N·m；
ψ—载荷分配不均系数，与齿数多少有关，一般取=0.7-0.8，齿数多时取偏小值，此处取0.8
z—齿数，此处为11；
h—齿的工作高度，渐开线花键，压力角是30°时，h=m(模数)，此处为l；
l—齿的工作长度，此处为18mm；
D—分度圆直径，此处为D=mz=1×11=11mm；
[σp]—花键联接的许用挤压应力/MPa，此处是在静联接的工作方式下，使用和制造情况为中等，齿表面经调质热处理，取值为60-100。
带入计算得：
[σp]=60-100 MPa
即满足σp<[σp]
所以强度条件满足。
2.2.2 方形型面联接的可靠性分析
双桶洗衣机中的减速箱组件的输出轴与波轮组件的轴衬嵌件之间的方形型面联接，属于静联接，在上述尺寸确定之后，进行强度校核计算。其结合面产生的最大压强条件为：
式中：T—传递的转矩，此处为17N·m；．
lt—结合长度，此处取2×1．5=3 mm；
dr—计算直径，以dr=d2+2e，此处d2=9，e=1.6，算得：dr=9+2×1.6=12.2 mm；
er—剖面的偏心度，此处为0.75 mm；
Pp—许用压强力，单位为MPa，此处是轴双向旋转，较大冲击，方形表面经调质热处理，取值为0.45Po，其中Po=200MPa。
代入计算得：
即满足：P
所以强度条件满足。
从可靠性分析的结果来看，渐开线花键联接和方形型面联接均能满足设计的强度条件。
2.3 设计成本分析
2.3.1 减速箱组件的输出轴段的设计成本分析
减速箱组件的输出轴，若为渐开线花键时，花键轴段加工工艺是滚齿或插齿加工，然后进行调质处理；若为方形时，方形轴段加工工艺是铣削加工，再进行调质处理。两种加工工艺对比，铣削加工是使用多齿刀具进行切削的一种加工方法，其生产率高，而滚齿或插齿是利用展成法加工齿轮的方法，生产效率低于铣削加工，即方形型面联接加工成本低，反映出齿轮组件的方形输出轴的设计成本低于渐开线花键输出轴的设计成本。
2.3.2 波轮组件的轴衬嵌件设计成本分析
波轮组件的轴衬嵌件，若为花键联接时，轴衬材料为增强PP(FRPP)，嵌件为铜基烧结，结构如图3所示，有效长度18mm；若为方形型面联接时，轴衬材料为聚甲醛(POM)。嵌件为1Crl3，如图6所示，数量两个，有效厚度3mm。从材料成本上分析，POM成本高于FKPP(方形型面联接的嵌件使用POM材料代替FRPP材料，是因为POM强度高于FRPP，增强轴衬嵌件组件的强度，弥补方嵌件的有效长度短于花键嵌件的有效长度而形成的强度)，但方嵌件成本低于花键嵌件(原因是方嵌件有效长度短。1Crl3的用量少，而花键嵌件的有效长度较长，Cu的用量多，同时1Crl3的市场单价低于Cu)。所以从总体的经济效益来分析，方形型面联接中的轴衬嵌件较花键联接中的轴衬嵌件组件从采购价格上低，即方形型面联接中的轴衬嵌件综合成本低，反映出波轮组件使用方形嵌件的设计成本低于使用渐开线花键的花键嵌件的设计成本。
此外，针对机构创新改进的方形型面联接方案经过样机制作、样机寿命测试合格、小批量试流、抽样寿命测试合格，经批量生产并集合市场反馈，符合产品性能指标。
从上述分析研究的结果来看，减速箱组件的输出轴与波轮组件的轴衬嵌件之间的方形型面联接，在可靠性等性能上满足要求，在设计成本优于渐开线花键联接。故用方形型面联接代替渐开线花键联接方案，是机构的等效变换创新设计在双桶洗衣机上的应用研究成果。
3 结束语
方形型面联接在双桶洗衣机上的应用研究，一方面加深了机构创新设计重要性的理解，另一方面，为机构创新设计其他理论知识的应用提供一个成功的案例。但在机构创新设计的应用研究的深度和力度上有很大的空间，同时型面联接更多结构、更多形式的广泛推广应用研究有广泛的前景。(end)
|
|
| 文章内容仅供参考
(投稿)
(如果您是本文作者，请点击此处)
(5/28/2009) |
对 工业设计/产品设计 有何见解？请到 工业设计/产品设计论坛 畅所欲言吧！
|
