高速压力机中的球头结构及寿命计算

随着近些年来新能源汽车行业日新月异的发展，新能源汽车上所使用的电机也产生了巨大的技术更新。新能源汽车电机里面的核心零件是定子和转子，主要材质是硅钢片，其结构特点是由多片冲裁成形的硅钢片叠铆而成。由于电机在运转过程中，定子和转子中涡流损耗与硅钢片的厚度平方成正比，因此为了降低定子和转子的涡流损耗，提高新能源汽车的电机效率，越来越多的厂家使用了更薄的硅钢片来制造电机的定子和转子，这样单位长度的零件就会叠铆更多的硅钢片。但这要求加工设备生产效率和精度也要更高，高速压力机恰恰拥有这两种优势，因此，在新能源汽车电机行业使用的极为普遍。

高速压力机连杆部件的结构形式

高速压力机主要工作原理是采用曲柄滑块结构把曲柄的回转运动转化为滑块的往复直线运动，连杆部件一端与曲柄偏心部分连接，另外一端通过不同的结构形式与滑块连接。当曲柄转动时，偏心部分带动连杆摆动，从而带动滑块上下往复运动。下面介绍我公司三种高速压力机的连杆部件结构形式，分别为球头连杆式、销轴导柱式、球头导柱式。

球头连杆式

球头连杆式结构如图1 所示，曲柄横置在横梁内部，其偏心部分连接着连杆部件。连杆部件由连杆体和球头螺杆组成。连杆体上端套在曲柄偏心上，下端和球头螺杆的上端通过螺纹副连接在一起，这样不但起到连接作用，还可以通过螺纹副的旋转，调整高速压力机的装模高度。球头螺杆的下端为球头式结构，而滑块中有上、下球碗式结构，并把球头螺杆的下端球头扣装在内部，从而连接在一起。设备运行时，曲柄转动，带动连杆部件摆动，球头也在球碗中摆动摩擦。球头连杆式的优点：结构紧凑，设备高度较小，并且球头结构受力良好，具有良好的耐磨性。但是这种结构也存在缺点：连杆部件除了受压力以外，还要承受一定的弯矩，受力情况较差，因此一般不能做的太长，所以调节量比较小。

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销轴导柱式

销轴导柱式结构如图2 所示，曲轴横置在横梁内部，偏心部分连接着连杆部件。连杆部件由连杆体、销轴和导柱三部分组成。连杆体上端套在曲轴偏心处，下端套有销轴，销轴两端从连杆下端两边伸出连接在导柱上，导柱上端外圆与横梁部件的导套配合形成摩擦副，并起到导向作用。导柱下端和滑块以螺纹副连接，螺纹副在此不但可以起到连接作用，而且也可以用于调整装模高度。曲柄转动时，偏心部分带动连杆体旋转摆动，随之带动销轴—导柱—滑块上下往复运动。销轴式结构的优点：首先，导柱导套结构可以提高运动系统的导向，运动的精度更高；其次，导柱只受到正压力，不承受弯矩，受力状况良好，并且滑块导轨基本上不受侧向压力；再次，因为导柱和滑块的螺纹副之间不受弯矩，因此长度可以放大，增加装模高度的调整量，使设备的适用性更强；最后，销轴的加工也要比球头更为简单一些。而该结构的缺点是：结构长度比较长，设备要做的更高一些；而且销轴要承受公称压力大小的剪切力，如果用在大吨位高速压力机上尺寸就会设计的很大，空间受限，因此大吨位的高速压力很少使用销轴导柱式连杆。

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球头导柱式

球头导柱式结构如图3 所示，曲柄纵放在横梁内部，偏心部分连接着连杆部件。连杆部件由一套杆系结构连接着球头杆(杆系结构在此处设计为其他用途，与本文无关，不再赘述)。球头杆下端为球头，扣装在调节螺杆上端的上、下球碗里，调节螺杆通过螺纹副与导柱连接，螺纹副在此不但可以起到连接作用，而且也可以用于调整装模高度。导柱外圆与横梁部件的导套配合形成摩擦副，并起到导向作用。这种结构的优点：兼顾了导柱导套良好的导向性，球头良好的受力特性以及耐磨性。而这种结构缺点是：加工和装配过程都比较复杂，需要更多的人力和加工设备成本。

根据我公司三种高速压力机连杆部件的结构形式描述和分析，球头结构因具有良好的受力特性以及耐磨性能，在高速压力机结构上比较适用。因为高速压力机工作频次高，摩擦副磨损比较快，所以选取更耐磨的球头结构，使用寿命较长。所以球头的寿命计算也是我们设计过程中很重要一个环节，下面我们就讨论一下球头设计过程中寿命计算问题。

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高速压力机球头设计寿命计算

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球头的pv 极限值见公式(4)

β 为球头摆角，与曲轴偏心以及曲柄中心到球头中心的距离有关，这里不作推算；f为球头摆动频率，即高速压力机单位时间的冲次；D

为球头的等效直径，一般取0.7D。

k 为耐压系数，钢对铜时取50；P

为球头当量动载荷，P

=Y

×F

，对于单点高速压力机，F

取公称压力P

，对于双点高速压力机，F

取0.625P

；

其中，C

为球头轴向额定动载荷；f

为额定动载荷系数，钢件对铜件可以取140 ～170，球头直径越大时取的数值越小；H 为球头与球碗接触的有效高度；D 为球头的直径。

国外药师与医师协作模型的介绍及对我国的借鉴…………………………………………………… 席晓宇等（21）：3000

名义接触压力P 计算见公式(3)

球面滑动速度见公式(2)

我公司高速压力机上球头材质通常为钢件，球碗材质通常为铜件，并以此为例计算。高速压力机在冲压时，球头受力可近似认为只承受轴向载荷。与球头寿命有关的就是球头的pv 极限值，计算如下。

球头轴向额定动载荷见公式(1)

对于球头钢件，球碗为铜件的结构，极限值应 满 足v ≤100mm×s

；P ≤50Nmm

；Pv ≤400 N×mm

s

。

球头的计算磨损寿命L(摆次)见公式(5)

其中，α

为载荷特性寿命系数，对于高速压力机球头受脉冲载荷取1；α

为温度寿命系数，钢对铜取0.25；α

为载荷寿命系数，取0.6；α

为滑动速度寿命系数，α

=v

×f

；α

为球头质量与润滑寿命系数，根据润滑情况取0.1 ～0.3；K

为与摩擦副有关的系数，钢对铜取207600。

结束语

球头结构因其良好的受力特性以及耐磨性在高速压力机上使用广泛，球头寿命作为高速压力机的一个重要指标，是我们不能忽视的重要因素，在设计过程中，我们要根据球头球碗的材质核算其寿命，保证设备的精度以及稳定性。