【doc】基于过载保护的弹簧销设计及优化方法【doc】基于过载保护的弹簧销设计及优化方法 基于过载保护的弹簧销设计及优化方法 2007年第8期?工艺与装备? 文章编号:11301—2265(2007)08—0091—03 基于过载保护的弹簧销设计及优化方法 刘志峰,王志礼,韩涛 (合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009) 摘要:文章介绍了弹簧销的过载保护作用,通过对其结构进行分析,对弹簧销关键 元件的功能做了详细 介绍.根据弹簧销过载保护的作用条件对弹簧预压力进行了设计计算,解释了弹簧 预压力F和弹簧销 初始位置与工件肋条的夹角0...

　　【doc】基于过载保护的弹簧销设计及优化方法 基于过载保护的弹簧销设计及优化方法 2007年第8期?工艺与装备? 文章编号:11301—2265(2007)08—0091—03 基于过载保护的弹簧销设计及优化方法 刘志峰,王志礼,韩涛 (合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009) 摘要:文章介绍了弹簧销的过载保护作用,通过对其结构进行分析,对弹簧销关键 元件的功能做了详细 介绍.根据弹簧销过载保护的作用条件对弹簧预压力进行了设计计算,解释了弹簧 预压力F和弹簧销 初始位置与工件肋条的夹角0之间的关系.通过对弹簧收缩量?与工件轴承座转 过的角度?之间的 关系进行分析,求解出了理论弹簧压力F的关系式,并与实际弹簧压力进行比较做 出优化 关键词:弹簧销;预紧力矩;参考坐标系;力矩平衡 中图分类号:TH122文献标识码:A MethodofDesignandOptimizationofSpringPinBasedonProtectionOverLoading LIUZhi—feng,WANGZhi—li,HANTao (SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,I-Iefei230009,China) Abstract:TointroducethefunctionofSpringPinoverloadingprotection, andtointroducetothefunctionof keypartsindetailbyanalyzingcarefullyonitsstructure.Accordingtothefunctionedconditio nofSpringPin overloadingprotection,theprepressingpowerofSpringisdesignedandcalculated,anditisexpressedbyfor- mulathattherelationbetweentheprepressingpowerFlofSpringandtheangle0oftheSpringP ininitialpo— sitionandtheworkpiecerib.ByanalyzingtherelationbetweenthecontractvalueALofSpring andtheturned angleAOoftheworkpiecebearingseat,theexpressionofthetheoreticSpringpressureFissolv edout,which iscomparedwiththefactualSpringpressureF2,andoptimizing. Keywords:springpin;tighteningtorque;referencecoordinate;torquebalance O引言 弹簧销在各种机械设备上应用非常广泛.设计者 根据应用环境,应用情况的不同,弹簧销可被设计用作 以下用途:口,起柔性:定位作用,b,起辅助支撑作用,c, 起过载保护作用.关于弹簧销的柔性定位与支撑,是 其最为普通的用途.弹簧销被频繁用于设备夹具中, 可以防止工件在放人夹具中时碰伤碰坏.另外还可以 使工件处于超静定状态,无悬空受力,牢固定位_l』. 关于弹簧销的过载保护作用,在研制拧紧机设备 时,用到了弹簧销的:过载保护功能,其被设计用来作为 测量头并保护力传感器.一般情况下,当工件轴承座 的实际预紧力矩超出其允许的预紧力矩范围时,工业 计算机会根据力传感器测量的数值,把信号反馈给拧 紧轴的伺服电机,使其停止转动,此时弹簧销的销轴还 未达到克服弹簧预压力的程度.一旦信号处理及反馈 系统失效,工件轴承座作用在弹簧销上的力会持续增 加,达到设定的额定力时弹簧收缩,销轴后退,让过工件 轴承座肋条,从而对力传感器起保护作用,因此弹簧销 是在电气保护装置失效后才起作用的机械保护装置]. 1弹簧销的结构及调节 弹簧销的结构及工作状态如图1所示,拧紧机拧 紧主动锥齿轮总成螺母后,止转装置升起,主齿轴承座 受到轴承的预紧力矩,随着拧紧轴转动,传递此力矩给 弹簧销,弹簧销传递力到力传感器上,从而测量出轴承 的预紧力矩作用在轴承座与弹簧销接触位置的力的数 值,然后乘以力臂算出预紧力矩值.若轴承座的预紧 收稿日期:2007—02—401 作者简介:刘志峰(1963一),男,陕西宝鸡人,合肥工业大学机械与汽车工程学院教 授,博士,主要从事绿色设计方面的研究,(E—mail)wangzhili @163,com. ? 91? ? 工艺与装备?组合机床与自动化加工技术 力矩过大,反应在轴承座肋条作用于弹簧销上的作用 力过大,一旦信号处理及反馈系统失效,如果无弹簧销 来进行过载保护,不能及时与肋条脱开,则作用力会超 出力传感器的量程范围,造成力传感器的损坏. 图1弹簧销的结构及工作状态图 弹簧销的本体结构如图2所示.销轴作为与工件 轴承座直接接触的零件,其头部为圆球面形状,方便工 件轴承座的肋条与销轴接触,整体淬火硬度HRCA5. 弹簧支撑销轴,使销轴在超过一定压力时收缩,保护力 传感器不受损坏,因此要使得传感器正常工作,弹簧装 配后应有一定的预压力.调整块作为弹簧的调整部 件,可以有效调节弹簧预压力.当弹簧销整体装配完 成后,紧定螺钉的拧紧和旋松,可在一定范围内调节弹 簧预压力. 销轴弹簧弹簧销座调整块紧定螺钉内六角螺栓 图2弹簧销本体结构图 考虑到力传感器的作用范围,可根据实际情况,设 定工件轴承座的预紧力矩不得超过规定的值,否则 作用在销轴上的力将会克服弹簧预压力,使工件轴承 座发生连续转动.因此需要计算出设定的预紧力矩与 弹簧预压力之间的关系,并且列出推算弹簧销销轴与 工件轴承座肋条的最优夹角的方法. 2弹簧销的设计计算及优化方法 2.1弹簧销设计计算 假设工件轴承座肋条在作用位置初始状态与力传 感器轴线平行,其受保护的额定预紧力矩为,弹簧销 的主要尺寸如图3所示,弹簧销初始位置与肋条的夹 角为(090.),并且肋条棱边与弹簧销作用点为 ? 92? 切点位置.需要求解出弹簧预压力与各已知参数之间 的关系. 图3弹簧销的主要尺寸图 当工件轴承座的预紧力矩刚好规定的值时,对 处于初始状态的弹簧销作受力分析,如图4所示 F=(1)L 卜工件轴承座在预紧力矩下,肋条对弹簧 销的作用力 以轴销的球心为坐标原点,销轴伸缩方向为轴, 其垂直方向为Y轴,建立参考坐标系xoy,如图4所示. 图4初始状态弹销受力分析图 由力的静态平衡方程得: Fcos6=Nl一 Fsin8=Fl++ l= = F,——理论弹簧预压力 (2) (3) (4) (5) ?.——弹簧销座对销轴轴身的反作用力 ?2——弹簧销座对销轴台阶根部的反作用力 . —— ?I所产生的滑动摩擦力 —— ?:所产生的滑动摩擦力 ,r滑动摩擦系数 选择坐标系原点为力矩作用点,参照图3和图4 的尺寸和受力,由力矩平衡可得: J』 Nl×(,l一)+.a=×Ll+×-5-(6) 由以上(1),(6)方程组可求得?.,?2,FI的值. M?(2Ll-g?d) 2007年第8期?工艺与装备? 月?(2,】一2,2一?d) 2L?L M?[,sin0-a(2Ll一-/z?d)cos0]一 ————————一 根据实际情况必有F.0,则有 sin0一肛(2L】一一肛d)cos0O 即:t删拿L2 这就可求出来弹簧装配后所需要的预压力以及0 的范围. 2.2弹簧销的优化方法] 当工件轴承座预紧力矩超过其规定值时,工件 轴承座转动,弹簧收缩,设定弹簧收缩量为?,时,工件 轴承座转过的角度为?.工件轴承座与弹簧销工作位 置,如图5所示.由其各自的运动方程可得出A0与 ?,之间的关系,再对弹簧销进行受力分析,进一步得 出理论弹簧压力F:与?,之间的关系,另一方面实际 接决定,比较F与,排除F 弹簧压力由?,直 小于的情况,对弹簧销进行优化. 以工件回转中心为原点,建立参考坐标系xoy,根 据图3和图5中的有关参数,可得出工件轴承座肋条 与销轴连接点的运动方程为: y2=L2(7) 图5角与位移关系图 初始状态销轴球L,詈),在销轴轴心 线方向上收缩?,.则现球心坐标为 (,+ALcosO,d+ALsin0),销轴球面方程为: (x-(,+ALc.s+(y一(手))2:手(8) 由(7)(8)两式可得关于和Y各自的一元二次方程: ay++c=0(9) 其中口,b,c分别为: ?=4(,+aL)+(d+2ALsin0) b=一2(d+2ALsin0)?(2L+AL(2Lcos0+dsin0)+?) c=AL.fAL+dsiinO).(4L+4L.ALcos0+d.ALsin0+ AL) +觑+C=0(10) 其中A,,C分别为: A=4(L+at)+(d+2ALsin0) B=一4(L+ALsin0)?(2L+AL(2Lcos0+dsinO)+?1 C=(2L+AL(2Lcos0+dsin0)+?,)一L(d+2ALsin0) 由(9)(10)两式可求出,Y的解,其中z取较大的值,Y 取较小的值,即: 一 B~/—B2-—4AC 】————一 一 , b一 YJ——— tanA0:(11) 可由公式(11)得出A0与AL的关系力F与轴的夹 角0l: xj-( 兰L+ : ALcos0) 图6收缩过程弹簧销受力分析图 则力F与工件轴承座肋条方向的夹角Oz: 02=0I—A0(13) M=F?Lsin02(14) 则力F与弹簧销轴线,建立力平衡方程得: Fsin03=NI一,v2(16) Fcos03=F++(17) ,与?的关系仍为公式(4)和公式(5),以轴销的 球心为坐标原点,销轴伸缩方向为轴,其垂直方向为 Y轴,建立参考坐标系xoy,如图6所示. 根据图3,图5和图6得出力矩平衡方程: Nj×(,.一L一at)+×导:,v2×(,.一at)+×导 (18) 由(4)(5)(16)(17)(18)式可得 = 告sin (下转第96页) ? 93? ? 工艺与装备?组合机床与自动化加工技术 4切削液的供液方法 传统切削液的供液方法有浇注法,压力喷射法,喷 雾冷却法等.切削液供给量少不能充分发挥其效用, 量大则会引起切削液飞溅,并不能增强效果,同时也是 对切削液的一种浪费,非常不利于清洁生产.因此,在 满足加工要求的情况下,希望切削液用量最少,使与切 削液有关的费用及对环境,设备,操作者的影响也降低 到最小,这就是目前使用最多的最小润滑技术,它主要 有气雾外部润滑和气雾内部冷却两种工作方式,其中 气雾外部润滑方式是将切削液送人高压喷射系统并与 气体混合雾化,然后通过一个多头喷嘴将雾滴尺寸达 毫微米级的气雾连续不断地喷射到加工刀具

　　面,对 刀具进行冷却和润滑.而气雾内冷却方式则是通过主 轴和刀具中的孔道直接将冷却气雾送至切削区域,进 行冷却和润滑.另外,根据加工需要,还可将这两种冷 却润滑方式配合使用,以获得最佳冷却润滑效果,所 以,最小润滑技术可使切削区域以外的刀具,工件和切 屑始终保持干燥,并可避免处理大量切削废液的难题, 是清洁生产的重要润滑技术之一. 5切削液的净化及回收 目前的研究表明,若将切削液中的碎屑等杂质从 40p,m降低到10p,m以下,刀具的使用寿命可延长1,3 倍,另外,由于切削加工的需要不可避免地使用了含亚 硝酸盐,铬酸盐等有害物质的切削液,那么在制造系统 中就应设置相应的废液处理,净化和相应精密的过滤 装置和回收装置,避免未经处理的切削液排出,造成不 必要的环境污染. 清洁生产强调环境效益和经济效益的统一,末端 治理一般投资大,运行成本高,只有环境效益,没有经 济效益;而清洁生产则从改革产品设计,替代有毒有害 材料,改革,优化生产工艺和机械装备,实现经济效益 和环境效益的最佳组合.德国研究表明:与切削液及 其管理有关的费用占大批量生产企业生产成本的 16%,切削液的处理费用约占22%.德国每年必须处 理约750000吨的切削液,目前每吨的处理费用超过了 2000马克,而干切削技术可显着减少这些费用.因此, 干切削技术是最理想的清洁生产方法之一,是21世纪 制造业实现可持续发展的必由之路. [参考文献] [1]郝福安.清洁生产与机械工业可持续发展[J].中国机械工 程,2002,10. [2]刘志峰.清洁生产与切削液的环境适应性[J].机械制造, 1997,3. [3]陈志明.推广清洁生产促进经济发展[J].绿色经济, 2002,9. [4]孙建国,等.论绿色切削液的必要性和可行性[J].润滑与 密封,2001,2. [5]孙建国,等.绿色切削液研究开发的生命周期分析与

　　[J].工具技术,2000,12. [6]陈战,等.新型环保水基切削液的研制及应用[J].润滑与 密封,2001,6.(编辑李秀敏) (上接第93页) Nz=2LLsin0s砌, 11 …) F,一:[!!!二!二二垒墨二:!] ? 2sin 由弹簧作用力公式得: =Fl+k?AL —— 实际弹簧压力 后——弹簧弹性系数 由实际工况可知,只有此时理论弹簧压力恒大于 实际弹簧压力时,弹簧销才能真正对力传感器起到过 载保护作用.使,和各自对求导,则有关系式: d(F:)dF2,— d(A—L) 3结束语 通过对弹簧销销轴的受力情况进行分析,我们得 . 96. 出了弹簧销初始位置与肋条的夹角为0与弹簧预压力 ,,之间的关系,并根据其关系式画出了与的关系 曲线.然后进一步分析了弹簧收缩量?与工件轴承 座转过的角度AO之间的关系,根据此关系重新对该工 作位置进行受力分析,得出理论弹簧压力F的关系 式,并与实际弹簧压力F比较.由于?是微变量,可 以使F和各自对?求导以方便比较大小.由于 关系比较复杂,本文在优化部分仅提供了一种方法以 及重要的关系式. [参考文献] [1]余光国,等.机床夹具设计[M].重庆:重庆大学出版社,1995. [2]程志红.机械设计[M].南京:东南大学出版社,2006. [3]安运铮.热处理工艺学[M].北京:机械工业出版社,1982. [4]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京:人 民教育出版社,1982. [5]周延祜.工程设计的优化方法[M].北京:科学出版社. 1981.(编辑李秀敏)

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