过盈连接的设计计算

过盈连接的设计计算

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第15章连接设计

1. 过盈连接的设计计算

教材15.4节简单介绍过盈连接的原理、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，供读者参考。

1.1 过盈连接的特点及应用

过盈连接是利用连接零件间的过盈配合来实现连接的。这种连接也叫干涉配合连接((((((紧配合连接或。(((((

过盈连接的优点是结构简单、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。其主要缺点为配合面的尺寸精度高、装拆困难。过盈连接主要用于轴与毂的连接、轮圈与轮芯的连接以及滚动轴承与轴或座孔的连接等。本节仅介绍圆柱面的过盈连接。

1.2 圆柱面过盈连接的设计计算

(1)过盈连接的工作原理及装配方法

1)过盈连接的工作原理

过盈连接是将外径为dd的被包容件压入内径为的包容件中(图1.1a)。由于配合BA

直径间有的过盈量，在装配后的配合面上，便产生了一定的径向压力。当连接,A，,B

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) 受轴向力的过盈连接

c) 受转矩的过盈连接

图1.1 圆柱面过盈连接的工作原理

2)过盈连接的装配方法

过盈连接的装配方法有压入法和温差法。 ((((((

压入法是利用压力机将被包容件直接压入包容件中。由于过盈量的存在，在压入过程中，配合表面微观不平度的峰尖不可避免地要受到擦伤或压平，因而降低了

连接的紧固性。在被包容件和包容件上分别制出如图1.2所示的导锥，并对配合表面适当加润滑剂，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的连接。加热是利用电加热，冷却采用液态空气(沸

00点为-副194C)或固态二氧化碳(又名干冰，沸点为-79C)。

温差法可以得到较大的固持力，常用于配合直径较大的连接;冷却法则常用于配合直径较小时。

过盈连接的应用实例见图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。因此，为了保证多次装拆后的配合仍能具有良好的紧固性，可采用液压拆卸，即在配合面间注入高压油，以涨大包容件的内径，缩小被包容件的外径，从而使连接便于拆开，并减小配合面的擦伤。但采用这种方法时，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 过盈装配的导向结构图1.3 曲轴过盈连接组装件

图1.4 轴与轴承、齿轮的过盈连接

及拆开时用的注油螺口管道

(2) 过盈连接的设计计算

过盈连接计算的假设条件是:连接零件中的应力处于平面应力状态(即轴向应力,,0)，应变均在弹性范围内;材料的弹性模量为常量;连接部分为两个等长的厚壁z

筒，配合面上的压力为均匀分布。

主要用以承受轴向力或传递转矩，或者同时兼有以上两种作用(个别情况过盈连接

也用以承受弯矩)。由前述工作原理可知，为了保证过盈连接的工作能力，强度计算须包含两个方面:一方面是在已知载荷的条件下，计算配合面间所需产生的压力和产生这个压力所需的最小过盈量;另一方面是在选定的标准过盈配合下，校核连接的诸零件(如轮圈与轮芯、轮毂与轴等)在最大过盈量时的强度。如采用胀缩法装配时，还应算出加热及冷却的温度。此外，须算出装拆时所需的压入力及压出力。必要时还应算出包容件外径的胀大量及被包容件内径的缩小量。现分述于后。

1) 配合面间所需的径向应力p

过盈连接的配合面间应具有的径向应力是随着所传递的载荷类型不同而异的。

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的作用下，配合面上所能产生的

F轴向摩擦阻力，应大于或等于外载荷F。 f

设配合的公称直径为d，配合面间的摩擦系数为f，配合长度为l，则

F,,dlpf f

F,F因需保证，故 f

Fp, (1.1) ,dlf

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的作用下，配合面间所能产生的摩擦阻力M矩应大于或等于转矩T。 f

设配合面上的摩擦系数为f，配合尺寸同前，则

d Mdlpf,,f2

M,T因需保证，故得 f

T2p, (1.2) 2,dlf

配合面间摩擦系数的大小与配合面的状态、材料及润滑情况等因素有关，应由实验测定。表1.1给出了几种情况下摩擦系数值，以供计算时参考。

表1.1 摩擦系数f值

压入法胀缩法

连接零件材无润滑有润滑连接零件材结合方式，润滑 f 料时f 时f 料

钢,铸钢油压扩孔，压力油为0.11 0.08 0.125

矿物油

钢,结构钢油压扩孔，压力油为0.10 0.07 0.18

甘油，结合面排油干

净钢,钢钢,优质结在电炉中加热包容0.11 0.08 0.14 0构钢件至300C 钢,青铜 0.15,0.03,在电炉中加热包容0.2 0件至300C以后，结0.20 0.06 合面脱脂

钢,铸铁 0.12,0.05,钢,铸铁油压扩孔，压力油为0.1

矿物油 0.15 0.10

铸铁,铸铁 0.15,0.15,钢,铝镁合无润滑 0.10,

金 0.25 0.10 0.15

C. 承受轴向力F和转矩T的联合作用此时所需的径向压力为

2T2,,2F，,,d,, (1.3) p,,dlf

,2) 过盈连接的最小有效过盈量 min

根据材料力学有关厚壁圆筒的计算理论，在径向压力为p时的过盈量为

3,,pd(C/E，C/E)，10 1122

则由式(1.1)~(1.3)可知，过盈连接传递载荷所需的最小过盈量为

,,CC312,,,,pd，，10 (1.4) min,,EE12,,

,两式中:、——分别为过盈连接的过盈量和最小过盈量，单位为; ,,mmin p——配合面间的径向压力，由式(1.1)~(1.3)计算，单位为MPa;

d——配合的公称直径，单位为mm;

、——分别为被包容件与包容件材料的弹性模量，单位为MPa; EE21

22d，d1C,,,——被包容件的刚性系数，; C11122d,d1

22d，d2C,，,——包容件的刚性系数，; C12222d,d2

、——分别为被包容件的内径和包容件的外径，单位为mm; dd12

、——分别为被包容件与包容件材料的泊松比。对于钢，;对于铸铁，,,,,0.321

。 ,,0.25