现代型面联接研究及其应用

刘 莉，陈 浩，贾文友，李仁军，许德章

(安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000)



现代型面联接研究及其应用

刘 莉，陈 浩，贾文友，李仁军，许德章

(安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000)

在经典型面联接的研究现状和构建四叶形型面联接典型的力学模型基础上，研究现代型面联接及其应用.首先，提出现代型面联接三个研究方向及其定义，在每个研究方向的定义中，分别给出工程应用案例；然后，以案例为基础，探讨如何进行具体现代型面联接的受力分析；最后，寻求建立现代型面联接应用的快速设计平台，以提高实现效率.

经典型面联接；现代型面联接；力学模型；快速设计平台

在齿轮传动、带传动及凸轮机构等传动机构中实现既定功能时，因平键和花键等键配合表面的制造技术相对比较成熟，通常采用平键或花键等键联接传递动力和周向固定，然而其在使用和制造中存在着诸多固有的缺点.如键配合如果过紧则装配不便，过松会造成早期磨损，降低寿命；花键的制造需要专业机床、刀具，加工过程复杂、要求精度高、加工工时长、制造成本高.因此，寻求替代的联接机构—型面联接机构被广泛研究.经典型面联接的基本定义是采用不规则曲面或者光滑非圆柱截面的轴与轮毂来传递扭矩的一种联接方式[1-2].型面形状可以采用椭圆形、三叶形、四叶形和五叶形等.型面联接实现能够较好地克服上述平键和花键等键联接的缺点.例如，型面联接能减少应力集中、传递较大的扭矩、增大刚度、降低制造成本、延长机器寿命等[1,3].型面联接的诸多优点使得开展现代型面联接研究具有重要的学术意义和较高的工程应用价值.分析经典型面联接的国内外研究现状，同时分析建立四叶形型面联接的典型力学模型，拓展经典型面联接的研究，确定现代型面联接的三个研究方向及其定义，研究每个研究方向定义下的典型工程应用案例.

1 经典型面联接

最初，经典型面联接研究主要在钟表、印刷机械等行业中应用，直到20世纪60年代德国修订了型面联接相关的国家标准，使得经典型面联接应用研究快速推广.其后，Szwedowicz D[4]等采用轴毂之间增加型面联接块以改善其联接，但是其结构复杂；Kumar M[5]等研究了内摆线的型面联接的实现；Saidin S[6]等将型面联接实现应用于生物工程的移植领域；3D打印技术提高了型面联接的制造工艺性[7].我国对经典型面联接的理论和适用范畴研究起步相对较晚[1,8-10].随着制造现代加工技术的提高，型面联接的研究与应用取得了显著发展.如李长胜[11]等将型面无键联接技术应用到农业机械中；贾文友[12]等研究家用电器用四叶形的型面联接替代花键联接；王洪青[13]进一步将型面联接应用到船舶行业；杜艳霞[14]研究矿山机械的等距型面联接等.

随着经典型面联接研究的深入，在研究对象、功能需求、实现形式等研究方面得到拓展，即现代型面联接的研究.目前没有文献系统规范地描述现代型面联接的研究方向及其定义、应用案例和设计平台等.

图1 等距四叶形型面联接力学模型

型面联接实现中接触--冲击特性的评估必不可少，等距四叶形型面联接力学模型如图1所示.由图1可知，D为公称直径；a为截面边长；q0为三角形分布载荷的最大值；F为三角形分布载荷的合成；M为总扭矩；[σ]为正应力的许用值；[τ]为剪切应力的许用值；l为配合长度.

根据正应力的最大值约束，则公称直径D约束表达式为：

(1)

根据剪切应力的最大值约束，则公称直径D约束表达式为:

(2)

根据式(1)和式(2)可以确定经典型面联接实现的D的取值范围.

在经典型面联接实现的力学行为中，型面联接和渐开线花键联接的强度条件校核对比如下：渐开线花键联接主要的失效形式是工作面被压溃，强度条件为：

(3)

式中,T表示传递的转矩；ψ表示载荷分配不均系数；z表示齿数；h表示齿的工作高度，渐开线花键，压力角是30°时，h=m(模数)；[σp]表示花键联接的许用挤压应力.

型面联接结合面产生的强度条件为：

(4)

式中,dr表示计算直径；er表示剖面的偏心度；pp表示许用压强力.

2 现代型面联接研究方向定义及其应用

经典型面联接和现代型面联接的共同核心是研究符合设计要求的型面结构，即不规则曲面或者光滑非圆柱截面，现代型面联接是经典型面联接的研究拓展.现代型面联接的研究方向之一是在基于经典型面联接的基本定义中“传递扭矩”功能要求上，将典型面联接的“轴与轮毂之间联接”研究拓展至“非轴和轮毂的可拆联接”研究；现代型面联接的研究方向之二不再局限于“传递扭矩”功能要求，而是为了提高装配过程的可靠性和效率等，基于不规则曲面或者光滑非圆柱截面设计必要辅助联接结构；现代型面联接的研究方向之三是其研究方向一和二的更进一步拓展，所研究的具有不规则曲面或者采用光滑非圆柱截面的不同构件不再是严格意义上装配联接在一体的要求，而是通过型面接触形式，实现特定的功能要求.

研究方向一的定义.即所有的采用不规则曲面或者光滑非圆柱截面，将两个或两个以上的构件按某种方式装配在一起，用于传递扭矩的非轴和轮毂的可拆联接.

图2 面向可延伸的既定功能的现代型面联接机构

案例1 刘莉[15]等对研究方向一中的现代型面联接展开深入研究，其中，基于研究方向一的定义解决了柔性制造系统快速重构的工程应用，面向可延伸的既定功能的现代型面联接机构如图2所示.由图2可知，基于现代型面联接实现了重构传动轴在长度调整过程中传递力矩达到要求、长度调整范围连续、锁紧可靠性的同时，确保了重构时短的准备时间，即通过“n”型的型面联接结构的“凸”轴、“工”型的型面联接结构的“凹”轴及其锁紧机构快速实现可延伸的既定功能.基于现代型面联接的重构传动轴的较短长度a和较长长度b不同情形下的重构状态如图3所示.

图3 基于现代型面联接的重构传动轴的重构状态

研究方向二的定义.即所有的采用不规则曲面或者光滑非圆柱截面将两个或两个以上的构件按某种方式装配在一起用于辅助装配等的可拆联接.

图4 现代型面联接下快速定位与夹紧装置示意图

案例2 刘莉[16-18]等对研究方向二中的现代型面联接展开深入研究，其中，基于研究方向二的定义解决了一种快速定位、夹紧的更换装置的工程应用，如图4所示.由图4可知，装置包括固定板和定位支撑板等结构.关于冲头要实现完全定位，由固定板、定位支撑板和定位圆柱销共同实现；关于冲头模块要实现快速定位，由型面联接处楔形的现代型面联接实现；关于冲头模块要实现可靠夹紧，由紧定支撑板等元件共同实现；关于固定板要实现准确、可靠地安装到冲压设备上，由固定板实现，即固定板设计为U型槽结构.

研究方向三的定义.即所有的采用不规则曲面或者光滑非圆柱截面将两个或两个以上的构件按某种方式相互作用在一起以满足输送等既定功能.

图5 面向理环的既定功能现代型面联接装置主视图

案例3 在燃油发动机的气缸中，为了防止活塞左右两腔相互窜气并将活塞上产生的热量传给气缸壁，活塞上设有活塞密封圈(即活塞环)，安装于活塞环槽中.梯形活塞环是其重要的一种类型，主要加工工艺流程为：首先制作活塞环毛坯；然后加工活塞环外圆；再按工作间隙尺寸铣出切口，扩张至所需要的自由切口间隙尺寸，并在此状态下热处理定型，形成所需尺寸的活塞环；最后进行活塞环的表面处理.梯形活塞环互相错开的开口在此加工工艺流程中极易产生活塞环相互之间的杂乱缠绕，一方面降低理环效率，另一方面易产生活塞环变形等质量缺陷.一种面向理环既定功能的型面联接装置如图5所示.由图5可知，该装置主要包括接受活塞环处、螺旋型面联接处和V形型面联接处等.理环过程包括活塞环的接收、输送和输出过程.在活塞环的接收过程中，完成该道工序的半成品活塞环通过加工设备的落料口，直接套落在接受活塞环处，然后自然滑至螺旋型面联接处的一端.在活塞环的输送过程中，螺旋型面联接处的一端接收到滑落而至的活塞环，螺旋槽在电机带动下不停地旋转，梯形活塞环的开口与螺旋槽的螺旋型面联接处相接触，并被平稳输送.在活塞环的输出过程中，活塞环平稳地被输送到螺旋型面联接处的另一端后，顺利脱离螺旋槽，在重力和惯性的作用下，梯形活塞环的开口与V形型面联接处相接触，成功地滑落到活塞环的收集器上.

诚然，现代型面联接的其他研究方向有待进一步研究拓展，可重构输送线的托板装置既具有研究方向二定义中用于辅助装配的特性，又具有联接研究方向三定义中以满足输送等特定的功能要求.

相对经典型面联接中的有三叶形、四叶形和摆线形等规范统一的力学模型，现代型面联接的力学模型则形态各异，需要结合具体的工程应用案例进行针对性的受力分析.以案例2为例，设计要求是夹紧可靠，采取螺旋夹紧机构，其夹紧力F为：

(5)

图6 型面联接处冲头模块的受力图

由于现代型面联接的形态各异，不方便建立规范统一的力学模型，因而使用Ansys有限元分析软件构建相关三维接触非线性动态仿真模型，通过设置边界条件、载荷添加及位移约束，进而分析与讨论轮轴和轮彀应力分布情况，不同配合公差、偏心率、轮彀尺寸等结构参数以及不同转速、阻力矩等载荷参数对接触—冲击特性评估是又一个重要途径.

3 现代型面联接的快速设计平台

随着计算机技术的快速发展，现代型面联接的实现期望开发快速设计平台.AutoCAD、UGNX、Pro/E、CATIA等二维、三维设计软件以及Ansys等可靠性分析软件为开发快速设计平台提供有效途径.现代型面联接实现的快速设计平台的构建框架包括三个模块：现代型面联接结构设计、现代型面联接的接触—冲击特性评估方法和制造工艺分解与规划.在现代型面联接结构设计模块中包括三维模型、二维图、爆炸图等；在现代型面联接的接触—冲击特性评估方法中包括力学模型和Ansys有限元分析等；在制造工艺分解与规划中包括工序号、工序名称、工步号、内容、设备名称及型号、工艺装备编号及名称和工序动画等.基本设计流程：针对一个新的现代型面联接工程案例，根据经典型面联接库和现代型面联接工程案例确定其具体结构方案，导入结构模型；选择接触—冲击特性评估方法进行模型评价；拟制制造工艺；保存或导出等.现代型面联接实现的快速设计平台的主要界面如图7所示.

图7 现代型面联接实现的快速设计平台的主要界面

4 结束语

基于经典型面联接的研究成果，提出了现代型面联接的三个研究方向的定义.对于每个研究方向分别研究了不同的工程应用案例，并探索现代型面联接的接触—冲击特性评估.为了缩短现代型面联接的实现周期，提出现代型面联接实现的快速设计平台框架.研究进一步表明现代型面联接研究方向及应用领域越来越广，值得拓展其研究深度.

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Modern Profile Connection and Its Applications

LIU Li，CHEN Hao,JIA Wen-you,LI Ren-jun,XU De-zhang

(College of Mechanical and Automotive Engineering ，Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Based on the literature review and the mechanical model of the four-sided of the classical profile connection,the modern profile connection is addressed.Firstly,three different definitions of the modern profile connection are proposed.These three cases correspond to the three different definitions respectively.Then, how to formulate the mechanical model of the modern profile connection is explored.Lastly,in order to enhance the design efficiency,the rapid design platform of the modern profile connection is presented.

classical profile connection;modern profile connection;mechanical model;rapid design platform

1672-2477(2016)05-0033-05

安徽省高等学校省级自然科学研究基金资助项目(KJ2016A057,TSKJ2014B14)

刘 莉(1975-)，女，安徽合肥人，副教授，硕士．

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