过盈连接的设计计算报告书.doc

提高扩展内容
第15章 连接设计
1. 过盈连接设计计算

教材15.4节简朴简介过盈连接原理、特点及应用。鉴于此连接在机械工程中广泛应用，特作如下扩展，供读者参照。
1.1 过盈连接特点及应用
过盈连接是运用连接零件间过盈配合来实现连接。这种连接也叫干涉配合连接或紧配合连接。
过盈连接长处是构造简朴、对中性好、承载能力大、在冲击载荷下能可靠地工作、对轴削弱少。其重要缺陷为配合面尺寸精度高、装拆困难。过盈连接重要用于轴与毂连接、轮圈与轮芯连接以及滚动轴承与轴或座孔连接等。本节仅简介圆柱面过盈连接。
1.2 圆柱面过盈连接设计计算
（1）过盈连接工作原理及装配办法
1）过盈连接工作原理
过盈连接是将外径为被包容件压入内径为包容件中（图1.1a）。由于配合直径间有过盈量，在装配后配合面上，便产生了一定径向压力。当连接承受轴向力F（图1.1b）或转矩T（图1.1c）时，配合面上便产生摩擦阻力或摩擦阻力矩以抵抗和传递外载荷。

a) 圆柱面过盈连接 b) 受轴向力过盈连接

c) 受转矩过盈连接

图1.1 圆柱面过盈连接工作原理
2）过盈连接装配办法
过盈连接装配办法有压入法和温差法。
压入法是运用压力机将被包容件直接压入包容件中。由于过盈量存在，在压入过程中，配合表面微观不平度峰尖不可避免地要受到擦伤或压平，因而减少了连接紧固性。在被包容件和包容件上分别制出如图1.2所示导锥，并对配合表面恰当加润滑剂，可以减轻上述擦伤。
温差法是加热包容件或（和）冷却被包容件，使之既便于装配，又可减少或避免损伤配合表面，而在常温下即达到牢固连接。加热是运用电加热，冷却采用液态空气（沸点为-副1940C）或固态二氧化碳（又名干冰，沸点为-790C）。
温差法可以得到较大固持力，惯用于配合直径较大连接；冷却法则惯用于配合直径较小时。
过盈连接应用实例见图1.3及1.4。
由于过盈连接拆装会使配合面受到严重损伤，当装配过盈量很大时，装好后再拆开就更加困难。因而，为了保证多次装拆后配合仍能具备良好紧固性，可采用液压拆卸，即在配合面间注入高压油，以涨大包容件内径，缩小被包容件外径，从而使连接便于拆开，并减小配合面擦伤。但采用这种办法时，需在包容件和（或）被包容件上制出油孔和油沟，如图1.4所示。
图1.2 过盈装配导向构造 图1.3 曲轴过盈连接组装件
图1.4 轴与轴承、齿轮过盈连接
及拆开时用注油螺口管道

（2） 过盈连接设计计算
过盈连接计算假设条件是：连接零件中应力处在平面应力状态（即轴向应力），应变均在弹性范畴内；材料弹性模量为常量；连接某些为两个等长厚壁筒，配合面上压力为均匀分布。
过盈连接重要用以承受轴向力或传递转矩，或者同步兼有以上两种作用（个别状况也用以承受弯矩）。由前述工作原理可知，为了保证过盈连接工作能力，强度计算须包括两个方面：一方面是在已知载荷条件下，计算配合面间所需产生压力和产生这个压力所需最小过盈量；另一方面是在选定原则过盈配合下，校核连接诸零件（如轮圈与轮芯、轮毂与轴等）在最大过盈量时强度。如采用胀缩法装配时，还应算出加热及冷却温度。此外，须算出装拆时所需压入力及压出力。必要时还应算出包容件外径胀大量及被包容件内径缩小量。现分述于后。
1) 配合面间所需径向应力p
过盈连接配合面间应具备径向应力是随着所传递载荷类型不同而异。
A. 传递轴向力F 当连接传递轴向力F时（图1.1b），应保证连接在此载荷作用下，不产生轴向滑动。亦即当径向力为p时，在外载荷F作用下，配合面上所能产生轴向摩擦阻力，应不不大于或等于外载荷F。
设配合公称直径为d，配合面间摩擦系数为f，配合长度为l，则

因需保证，故
(1.1)
B. 传递转矩T 当连接传递转矩T时（图1.1c），则应保证在此转矩作用下不产生周向滑移。亦即当径向压力为p时，在转矩T作用下，配合面间所能产生摩擦阻力矩应不不大于或等于转矩T。
设配合面上摩擦系数为f，配合尺寸同前，则

因需保证，故得
(1.2)
配合面间摩擦系数大小与配合面状态、材料及润滑状况等因素关于，应由实验测定。表1.1给出了几种状况下摩擦系数值，以供计算时参照。
表1.1 摩擦系数f值
压入法
胀缩法
连接零件材料
无润滑时f
有润滑时f
连接零件材料
结合方式，润滑
f
钢－铸钢
0.11
0.08
钢－钢
油压扩孔，压力油为矿物油
0.125
钢－构造钢
0.10
0.07
油压扩孔，压力油为甘油，结合面排油干净
0.18
钢－优质构造钢
0.11
0.08
在电炉中加热包容件至3000C
0.14
钢－青铜
0.15～0.20
0.03～0.06
在电炉中加热包容件至3000C后来，结合面脱脂
0.2
钢－铸铁
0.12～0.15
0.05～0.10
钢－铸铁
油压扩孔，压力油为矿物油
0.1
铸铁－铸铁
0.15～0.25
0.15～0.10
钢－铝镁合金
无润滑
0.10～0.15

C. 承受轴向力F和转矩T联合伙用 此时所需径向压力为
(1.3)
2) 过盈连接最小有效过盈量
依照材料力学关于厚壁圆筒计算理论，在径向压力为p时过盈量为

则由式（1.1）~（1.3）可知，过盈连接传递载荷所需最小过盈量为
(1.4)
两式中：、——分别为过盈连接过盈量和最小过盈量，单位为；
p——配合面间径向压力，由式（1.1）~（1.3）计算，单位为MPa；
d——配合公称直径，单位为mm；
、——分别为被包容件与包容件材料弹性模量，单位为MPa；
——被包容件刚性系数，；
——包容件刚性系数，；
、——分别为被包容件内径和包容件外径，单位为mm；
、——分别为被包容件与包容件材料泊松比。对于钢，；对于铸铁，。
由式（1.1）~（1.3）可见，当传递载荷一定期，配合长度l越短，所需径向压力p就越大。再由式（7－11）可见，当p增大时，所需过盈量也随之增大。因而，为了避免在载荷一定期需用较大过盈量而增长装配时困难，配合长度不适当过短，普通推荐采用。但应注意，由于配合面上应力分布不均匀，当时，即应考虑两端应力集中影响，并从构造上采用减少应力集中办法，参看图19.14。
显然，上面求出只有在采用胀缩法装配不致擦去或压平配合表面微观不平度峰尖时才有效。因此采用胀缩法装配时，最小有效过盈量。但当采用压入法装配时，配合表面微观峰尖将被擦去或压平一某些（图1.5），此时按式（1.4）求出即为理论值，应再增长被擦去某些2u，故计算公式为
（1.5）

图1.5 压入法装配时配合表面擦去某些示意图
式中：u——装配时图1.5所示两配合表面上微观峰尖被擦去某些高度之和，取其为，单位为；
、——分别为被包容件及包容件配合表面上微观不平度十点高度，单位为，其值随表面粗糙度而异，见表1.2。
表1.2 加工办法、表面粗糙度及表面微观不平度十点高度
加工办法
精车或精镗，中档磨光，刮（每平方厘米内有1.5～3个点）
铰，精磨，刮（每平方厘米内有3～5个点）
钻石刀头镗，镗磨
研磨，抛光，超精加工等
表面粗糙度代号

10
6.3
3.2
1.6
0.8
0.4
0.2
0.1
0.05

设计过盈连接时，如用压入法装配，应依照（1.5）求得最小有效过盈量，从国标中选出一种原则过盈配合，这个原则过盈配合最小过盈量应略不不大于或等于。若使用胀缩法装配时，由于配合表面微观峰尖被擦伤或压平很少，可以略去不计，亦即可按式（1.4）求出后直接选定原则过盈配合。
还应指出是：实践证明，不平度较小两表面相配合时贴合状况较好，从而可提高连接紧固性。
3) 过盈连接强度计算
前已指出，过盈连接强度涉及两个方面，即连接强度及连接零件自身强度。由于按照上述办法选出原则过盈配合已能产生所需径向压力，即已能保证连接强度，所如下面只讨论连接零件自身强度问题。
过盈连接零件自身强度，可按材料力学中阐明厚壁圆筒强度计算办法进行校核。当压力p一定期，连接零件中应力大小及分布状况见图1.6。一方面按所选原则过盈配合种类查算出最大过盈量（采用压入法装配时应减掉被擦去某些2u），再按式（1.6）求出最大径向压力，即
（1.6）

图1.6 过盈连接中应力大小及分布状况

然后依照来校核连接零件自身强度。当包容件（被包容件）为脆性材料时，可按图1.6所示最大周向拉（压）应力用第一强度理论进行校核。由图可见，其重要破坏形式是包容件内表层断裂。
设分别为被包容件材料压缩强度极限及包容件材料拉伸强度极限，则强度校核公式为：
对被包容件 （1.7）
对包容件 （1.8）
当零件材料为塑性材料时，则应按第三强度理论检查其承受最大应力表层与否处在弹性变形范畴内。设、分别为被包容件及包容件材料屈服极限，则由图1.6可知，不浮现塑性变形校验公式为：
对被包容件内表层 （1.9）
对包容件内表层 （1.10）
4) 过盈连接最大压入力、压出力
当采用压入法装配并准备拆开时，为了选取所需压力机容量，应将其最大压入力、压出力按下列公式算出：
最大压入力 （1.11）
最大压出力 （1.12）
5) 包容件加热和被包容件冷却温度
如采用胀缩法装配时，包容件加热温度或被包容件冷却温度（单位均为）可按下式计算：
（1.3）
（1.14）
式中：——所选得原则配合在装配前最大过盈量，单位为；
——装配时为了避免配合面互相擦伤所需最小间隙。普通采用同样公称直径间隙配合H7/g6最小间隙，单位为，或从手册中查取；
d——配合公称直径，单位为mm；
、——分别为被包容件及包容件材料线膨胀系数，查关于手册；
——装配环境温度，单位为。
6) 包容件外径胀大量及被包容件内径缩小量（普通只需计算其最大绝对值）
当有必要计算过盈连接装配后包容件外径胀大量及被包容件内径缩小量时，可按下列公式计算：
包容件外径最大胀大量 （1.15）
被包容件内径缩小量 （1.16）
式中和单位为mm，别的各符号意义及单位同前。
例1 图1.7所示为一过盈连接组合齿轮，齿圈材料为45钢，轮芯材料为铸铁HT250；已知其传递转矩，构造尺寸如图所示，装配后不再拆开，装配时配合面用润滑油润滑，试决定其原则过盈量和压入力。
解 1.拟定压力p

图1.7 过盈连接组合齿轮

在作用下，连接应具备径向应力p，依照式（7-9），并由表7-5获得

2．拟定最小有效过盈量，选定配合种类
1）求满足上面p值所需最小过盈量 由式（1.4），先计算式中刚性系数、，已知，；，，得

将以上诸值代入式（1.4），得

2）选取原则配合，拟定原则过盈量 依照式（1.5）拟定最小有效过盈量。设配合孔表面粗糙度为，轴为，由表7-6选用；，则

现考虑齿轮所传递转矩较大，由公差配合表选H7/s6配合，其孔公差；轴公差为。此原则配合也许产生最大过盈量；最小过盈量为，合用。
3．计算过盈连接强度
因所选原则配合可以产生足够径向压力，故连接强度已保证。现只需校核连接零件自身强度。已知所选配合最大过盈量为，但因采用压入法装配，考虑配合表面微观峰尖被擦去，故装配后也许产生最大径向应力按式（1.6）及式（1.5）求得为

再由手册查取包容件齿圈材料45钢屈服极限，则由式（1.10）求得

因，即齿圈强度足够；而被包容件轮芯材料为HT250，具备很高抗压强度，务须进行校核，故连接零件自身强度均已足够。
4．计算所需压入力
由表7－5取相应摩擦系数最大值为f=0.10，依照时（1.11）求得压入力为

由上述计算可知，装配此组合齿轮可选用容量为7.5t压力机。