机械设计中零部件定位配合的工艺性分析

1、机械设计中零部件定位配合的工艺性分析3谷莉,孟刚,曹锈鸽(兰州城市学院培黎工程技术学院,甘肃兰州730070摘要:在机械设计中,正确地选择定位配合的形式和确定零部件定位配合的精度,是一项重要的设计内容之一。论述了零件定位配合的类型及在零件定位配合设计中主要应考虑的因素。根据分析结论可为设计人员提供一定的参考依据。关键词:零件;定位配合;类型;设计;因素中图分类号:T H16文献标识码:A文章编号:1006-4414(200903-0073-03Ana lyz i n g of the technology of partspositi on f i x i n g i n m echan i

2、ca l desi gnGu L i,Meng Gang,Cao Xiu-Ge(B ailie engineering and technology school of L anzhou city college,L anzhou Gansu730070,China Abstract:I n mechanical design courses,it is one of the most i m portant design contents t o choose the p r oper f or m and t o make sure the p recisi on of partsposi

3、ti on fixing.The types and main fact ors considering in partspositi on fixing are discussed.The result may p r ovide the references f or designer.Key words:parts;positi on fixing;types;design;fact ors零件的定位配合从功能的角度上是指相互联接的零件具有良好的对中性,且兼有其他功能或工艺特性、要求其配合时保持相互位置不变、提供配合中相对位置改变的可能、要求配合中装拆方便。定位配合的本身不能传递载荷,一

4、般也不具有相对运动的条件。从设计角度看,这种配合形式主要由过度配合构成,也可由小间隙的配合和小过盈量配合构成,在工程实际中定位配合的间隙量或过盈量都很小13。在机械结构设计中,如何考虑和确定零件定位配合的形式及精度也是一项较重要的内容。1零件定位配合的主要类型从零件配合面的几何形状可分为以下3种。(1圆柱面配合是指配合的表面是圆柱面或是不完整的圆柱面,其特点是相配合表面直径的基本尺寸相同。如图1所示的轴承装配示意图中,滚动轴承内孔与轴径<30K6、轴承外圆与座孔<62j7的配合等既是圆柱面配合。再如图2所示的花键联接,采用小直径d或大径D定心时的配合要求,小径的配合要求远大于大径的

5、配合要求,标准中推荐的用小径定心,此时配合表面是不完整的圆柱面4。(2平面配合是指零部件相配合的表面是一对平面或多对平面,其特点是相配合表面间距的基本尺寸相同。如图3所示的平键联接,键的两侧面是工作面,工作时靠键同键槽侧面的挤压来传递扭距,平键的上表面和轮毂键槽的底面间则留有间隙,平键联接具有对中性较好的优点5。平键和轴上键槽、平键和轮毂键槽均形成平面结合。这种配合要求平键和轴上键槽的中心面、平键及轮毂键槽的中心面对中,而相互联接的孔、轴的对中靠圆柱面配合实现。如图2所示的花键联接,由轴上和轮毂孔上的多个键齿和键槽组成。因而可认为,花键联接是平键联接在数目上的扩展。当定心精度不高,但为有利于各

6、齿受载均匀时采用巨型花键联接。这时,若采用键的侧面定心时,配合面是多对平面,被对中的是内外花键设计基准面的中心。对于花键联接,若选定一种定心方式(如小径定心或大径定心,要注意另两处有潜在定心功能的配合(如大径处或小径和键的侧面,不能参与定心,以免发生干涉 。图1传动轴轴端装配示意图图2花键联接(3圆锥面配合是指零件相配合的表面是圆锥面,特点是配合面的锥度相同。配合时,通过改变内、外圆锥面间的轴向相对位置,来实现圆锥配合需3收稿日期:2009-04-21作者简介:谷莉(1965-,女,河南郑州人,副教授,主要从事金属材料性能及焊接方面的教学工作。要的间隙或过盈量。因此,内、外圆锥相对位置是圆锥配

7、合的重要参数。按照确定它们的轴向相对位置所采用的方法,圆锥配合可分为结构型圆锥配合和位移型圆锥配合两种。 图3平键联接结构型圆锥配合是由内、外圆锥本身的结构或控制内外圆锥基准面之间的距离,来确定它们之间的轴向相对位置。如图4(a 所示,是用内圆锥端面和外圆锥轴肩的贴合来形成最终的装配位置,以获得圆锥配合所需要的间隙;图4(b 为用内圆锥基准面和外圆锥基准面之间的距离来形成最终的装配位置,以获得所要求的圆锥配合的过盈量。位移型圆锥配合是由控制内、外圆锥的相对轴向位移或装配力,来确定它们之间的轴向相对位置。图5(a 所示为不受力的情况下,内、外圆锥面相接触为初始位置P a ,若内圆锥向右轴向移动的

8、距离设定为E a ,到达终止位置P f 时,而获得所要求的圆锥配合间隙;图5(b 所示是在不受力情况下,内、外圆锥面相接触为初始位置P a ,对内圆锥施加设定的装配力F s ,使内圆锥向左产生轴向位移E a (数值非设定,而获得所要求的圆锥配合的过盈量。2零件定位配合设计时的主要因素零件定位配合的设计,就定位配合的主要功能,对中性来说容易实现,只要配合面间隙很小或没有间隙,就能保证对中性。因此,在做定位配合的精度设计时,应主要考虑其他功能或工艺特性。本文仅就设计中应考虑的几个因素,给予论述。2.1工作时配合面间相对位置的稳定性机器工作时,由于工作中的载荷和主要由于工作载荷所产生的额外载荷,配合

9、面间有发生相对位置改变的可能。如图1所示的轴承装配中,轴旋转时,轴承的滚动体与轴承内、外圈滚道之间的摩擦力,有使内圈发生与轴的旋转方向相反、外圈发生与轴的旋转方向相同的位置改变的可能。如果这种位置的改变在工作中不是必需的,就应避免它,因为这种位置的改变在机器工作中有一定害处。显然,配合面间的过盈越大,发生位置改变的可能性越小。若设图1中轴承内圈承受循环载荷,外圈承受局部载荷,轴在工作中会产生热应力而伸长。为了减少轴承轨道磨损,减小轴的热应力,避免轴的弯曲变形,轴承内圈与轴颈的配合应该紧一些,使它们的相对位置不发生改变;外圈与机座轴承孔的配合应该松一些,允许其间的位置发生微小改变,包括周向改变和

10、轴向改变3。图2所示的花键联接,由于结构的原因,花键联接的内外花键之间,通常有轴向位移的需要以补偿机器结构的误差,所以花键配合的配合面之间都为间隙配合。2.2零件配合面上的载荷状况 零件相配合的表面,在承受较大的载荷或承受冲击载荷时,配合面间的间隙十分有害。因为较大的间隙会使配合面间发生不均匀的载荷传递,导致相配合的表面层产生较大的接触应力,从而引起接触表面产生疲劳损伤。若图1中的齿轮是重载齿轮,传递的载荷具有冲击性,则齿轮孔与轴颈的配合应该紧一些。另外应注意,滚动轴承是设想在滚动状态下使用而制造的,因此,如果使其在禁止状态(不滚动状态下承受载荷,则在接触点将发生永久变形,以后不能正常滚动6。

11、如图3中,若键传递的是冲击性重载荷,它与键槽的配合应紧一些,否则应松一些,以利于装配。2.3零件的装配变形当配合面间为过盈配合时,零件就会有装配变形。若相配合的零件上,存在有与配合面同心的表面,并尺寸精度要求很高时,就应该考虑装配变形。图1所示的滚动轴承内圈,当它与轴颈装配有小过盈时,滚道直径就会增大,轴承径向游隙相应减小。因此,定位配合的装配变形影响到相关零(部件的选用。若滚动轴承不是标准件,它还会影响到相关表面加工要求、加工工艺的制定。例如,日本五十铃HRT114吨载货汽车,发动机型号是6BD1,大修时的难关是缸套的装配。缸套与缸体轴承孔间为过盈配合且过盈量较大,因而装配时需用机器压入,装

12、配压力在涂抹机油的情况下一般为25t。而6BD1发动机缸套在装配上有特殊要求,外表面上不容许涂抹任何润滑物质,因而其装配压力必然加大。装配压力大,薄壁缸套难免要引起变形,缸套压力装配造成的变形很严重,达不到技术要求。要保证技术要求,就应采用冷装技术。2.4对中性要求很高且又需经常拆卸对于对中性要求很高且在工作中又需经常拆卸的配合件,采用圆锥配合就可很好地满足要求。特别是通过增大配合面的过盈量,还可传递很大的转矩。如机床主轴与机床附件的联接,就多采用了圆锥配合。2.5装配维修时拆装方便为了装配和维护调整的需要,机器的某些零(部件要求装拆方便。为保证装配件的装拆工艺性,当对中性要求不高时,只需配合

13、面处有间隙,满足要求。如果零件配合的对中性要求较高,同时又要求便于拆卸,则需使装配处尽量不出现过盈配合,目的是避免装拆时造成配合表面的损伤。2.6零件之间的两定位联接在有些情况下,零件间的相互位置,需其上两个部位的定位配合才能确定。如汽车发动机的连杆总成,连杆体和连杆盖的联接,如图6所示。装配后要求两片连杆轴瓦的错位不能超过允许值。这种联接要求,不是仅靠单个螺栓与连杆体和连杆盖的对中所能保证的,它需要两根螺杆与连杆体和连杆盖螺栓孔,采用较紧密的配合才能实现2。根据装配的技术要求,设计当中取它们之间的配合精度为<12.2 (H80+0.027/(h70-0.018。由于无法对连杆体和连杆盖

14、的螺栓孔分别给出位置公差,只能将连杆体与连杆盖组合后,再加工其上螺栓孔的配合面来保证两者尺寸的一致性。这时两孔间的距离尺寸的精度就不需很高,图中给出的孔距是81±0.25mm 。图6连杆与连杆盖的联接表1定位配合常用配合的特性配合种类配合方法过盈概率对中性使用条件H8/p7H6/n5(H6/h5 H7/n6(N7/h6压力机压入66.893.68077.782.4用于可承受很大扭矩、振动及冲击(但需附加紧固件,不经常拆卸的地方,同心度及配合紧密性较好。H8/n6(N6/h7H6/m5(M6/h5 H7/m6(M7/h6 H8/m7(M8/h7铜锤打入58.367.6772.65062

15、.15056用于配合紧密不经常拆卸的地方。当配合紧密度不大于1.5倍直径时,用来代替H7/n6,同心度好。H6/k5(K6/h5H7/k6(K7/h6 H8/k7(K8/h7手锤打入46.249.141.74541.754.2用于受力不大的冲击载荷处,同心度仍好,可拆卸,为广泛采用的一种过度配合。H6/js5(Js6/h5H7/js6(Js7/h6 H8/js7(Js8/h7手或木锤装卸19.221.118.82017.420.8P用于频繁拆卸且同心度要求不太高的地方,是最松的一种过度配合,大部分都将得到间隙。H6/h5(H6/h5 H7/h6(H7/h6H8/h7(H8/h7 H8/h8(H

16、8/h8 H9/h9(H9/h9加油后用手旋进配合间隙较小,能很好的对准中心,一般多用于经常拆卸或在调整时需移动或转动的联接处,或工作时滑移较慢并要求较好的导向精度的地方,以及对同心度有一定要求,通过紧固件传递转矩的固定联接处。间隙定位配合,适用于同心度较低,工作时一般无相对运动、负荷不大、无振动处。拆卸方便加键可传递扭矩。(下转第82页根据以上数据点的情况,在MAT LAB中以负载转矩为横坐标,负载转速为纵坐标绘制机器人各关节的负载特性曲线图,曲线表明了机器人关节驱动所需电机的工作点的分布情况,如图5所示。通过负载特性曲线与理想电机机械特性曲线相比较,可知所需电机的工作转速和工作转矩的所有数

17、据点都位于理想电机的机械特性曲线之内,这样就验证所选的仿人机器人各关节所选电机能符合机器人运动性能要求。6结论由以上的选型过程来看,通过虚拟样机建模和仿真,而不必对结构的运动学方程及其求解进行繁琐的分析、推导和论证,只需运用ADAMS软件就可对系统的运动学和动力学进行分析和论证,并通过仿真得到各构件的运动特性参数。以这些运动仿真的动力学参数为依据,进行电机系统的精确选型,使选型结果能满足机器人运动性能要求。采用虚拟样机有利于方案的筛选和优化,可以节省大量时间,为仿人机器人设计中电机选型的问题提供了一条新的思路。参考文献:1Sardain P,Rosta m i M,Thomas E,et al

18、.B i ped r obots:correlati onsbet w een technol ogical design and dyna m icbehavi orJ.Perga mon Contr ol engineering p ractice,1999,7(4:401-411.2张博.小型双足仿人机器人机构设计与步态规划D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.3M.Hardt,O.von Stryk,D.Wollherr,et al.Design of an aut onomousfast-walking humanoid r obotJ.I EEE internati onal co

19、nference onintelligent r obots and syste m s,2002(3:2491-24964乔凤斌,谢霄鹏,杨汝清.基于准极限理论的排爆机器人直流电动机选择J.上海:上海交通大学学报,2005,39(6:52-54. 5Johanss on,Jan W ikander.Op ti m al selecti on of mot or and gearhead inmechatr onic app licati onsJ.Mechatr onics,2006,16(1:63-72 6陈立平,张云清.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程M.北京:清华大学出社,200

20、5.7高秀华.机械三维动态设计仿真技术-Pr o/E NGI N EER和Pr o/MECHAN I CA应用M.北京:化学工业出版社,2004.8李军,刑俊文,覃文洁.ADAMS实例教程M.北京:北京理工大学出版社,2002.(上接第75页3定位配合常用配合种类在G B/T1800.3-1998极限与配合中,一些优先、常用配合常被用于定位配合。现将这些配合的一些装配方法、出现过盈的概率及配合特性和使用条件列出,如表1所示。4结语上面叙述了设计相互配合的零件时,确定它们定位配合的方式和配合精度应该考虑的几个问题。对于定位配合常用配合种类的特点,G B/T1800.3-1998极限与配合中给予了较详细的介绍。国家标准中所表示的一些常用配合常被用于定位配合,设计时可以根据这些配合的一般装配方法、出现过盈的概率以及配