過盈配合指具有過盈(包括最小過盈等于零)的配合,通常是指孔小、軸大的配合,在過盈配合公差帶圖中,孔的公差帶在軸的公差帶之下。過盈連接的配合表面主要有圓柱和圓錐兩種。
從20世紀30年代起,過盈連接在機械領域特別是重型機械領域已得到廣泛應用。蘇聯科學家針對過盈連接,系統地研究了材料彈性范圍內的裝拆、 摩擦系數等問題; 德國學者就過盈連接的設計計算制定了相應的規范標準DIN7190,德國相關專家通過計算圖表代替復雜運算,在較短時間內完成過盈連接的設計運算。1981年,中國原第一機械工業部和原國家標準局發布了過盈配合相關國家標準的制定計劃,由原山東工業大學和機械工業部標準化研究所負責該國標的分析研究和制定工作。
過盈配合的狀態包括最緊狀態和最松狀態兩種。裝配方法主要有:靜力壓入法、動力壓入法、溫差裝配法。作為機械零部件常用的裝配工藝,對于零部件的連接、配合和運行具有重要的作用,具有定心性好,承載力高,運行安全可靠的特點,但對配合面的加工精度要求高,承載能力和裝配產生的應力對實際過盈量很敏感,裝拆不方便,是應用比較廣泛的一種裝配方式,例如重型機械、 機車設備、 化工機械等領域,可以有效的提高裝配質量和裝配效率。
發展歷程
從20世紀30年代起, 過盈連接在機械領域特別是重型機械領域已得到廣泛應用。 隨著對過盈連接裝配過程、 摩擦系數及壓裝工藝等方面的試驗研究,使得過盈聯接的使用范圍不斷擴大,但也僅限于彈性范圍內。國外學者如蘇聯科學家針對過盈連接,系統地研究了材料彈性范圍內的裝拆、 摩擦系數等問題; 德國學者就過盈連接的設計計算制定了相應的規范標準DIN7190,后期發展過程中,為了簡化該標準的求解過程,降低計算誤差,德國方面的相關專家通過計算圖表代替復雜運算, 在較短時間內完成過盈連接的設計運算。
1981年,中國原第一機械工業部和原國家標準局發布了過盈配合相關國家標準的制定計劃,由原山東工業大學和機械工業部標準化研究所負責該國標的分析研究和制定工作。山東工學院的過盈配合試驗研究小組對厚壁圓筒過盈配合進行了壓入、壓出、應力電測等試驗。經過大量的試驗研究, 為制訂國家標準提供了重要依據。過盈連接的研究廣度和深度不斷增加, 設計計算等方面取得較多經驗,主要體現在設計理論方面,考慮因素逐漸全面,在尺寸效應的基礎上增加了溫度和離心力的影響,理論應用也逐漸增多,由單一的厚壁圓筒理論發展為有限元、可靠性、優化設計等理論的集合應用;試驗研究方面,對于接觸面壓力和承載性能的測量方式由間接發展為定量,測試手段也在不斷更新;結構方面,由圓柱聯接到圓錐聯接,由單層結構到多層結構;承載性能方面,由僅考慮載荷要求,到摩擦系數、裝拆方式、加工精度、微動損傷等因素的加入。
定義
過盈配合是指具有過盈(包括最小過盈等于零)的配合。此時孔的公差在軸公差帶之下,通常是指孔小、軸大的配合。在過盈配合中,過盈包括最大過盈和最小過盈。過盈聯接又稱干涉配合聯接或緊配合聯接,是將外徑較大的被包容件裝配到內徑較小的包容件中。是依靠孔和軸配合后產生的過盈值而達到緊固連接的目的,過盈連接件在裝配后,軸的直徑被壓縮孔的直徑被擴大,由于材料的彈性變形,在軸和孔的配合面之間產生壓力,工作時便靠此壓力產生的磨擦力來傳遞扭矩、軸向力或復合載荷等。
主要特點
性質特點
1.除零過盈外,孔的實際尺寸永遠小于軸的實際尺寸;
2.孔、軸配合時存在過盈,不允許孔、軸有相對轉動;
3.孔的公差帶在軸的公差帶下方。
裝配特點
在通用機械工程實際中普遍采用過盈配合來傳遞扭矩和軸向力,例如軸承配合、軸瓦配合、鐵道車輛的輪軸、制動盤等。它是利用過盈量產生半徑方向的接觸面壓力,并依靠由該面壓力產生的摩擦力來傳遞扭矩和軸向力。由于過盈配合兩個相配合的接觸面上不能粘貼應變片,因此難以對其應力狀態進行測定,對整個組裝過程的應力狀態更難以進行跟蹤研究,而且這種配合方式往往承受著交變載荷的作用,配合面間可能發生相對滑動,這一滑動是隨著應力變化而變化的,因而配合面邊緣的接觸狀態和應力狀態也隨著應力的交變而變化,因此一般只能憑經驗確定采用的過盈量。
過盈問題是接觸問題的一種,屬于邊界條件高度非線性的復雜問題,其特點是在接觸問題中某些邊界條件不是在計算開始就可以給出,兩接觸體間的接觸面積和壓力分布隨外載荷的變化而變化,同時還包括正確模擬接觸面間的摩擦行為和可能存在的接觸傳熱。
結構特點
過盈配合是一種常用的零部件裝配方式,被普遍應用在機械制造領域中,過盈配合的結構比較簡單,操作起來方便,而且具有較高的承載能力和良好的定心性,使得機械零部件在運行時更加的安全可靠。過盈配合可用在軸與輪轂之間、輪圈與輪芯之間、滾動軸承與軸或軸承座孔的連接,在實際裝配中,軸比孔的實際尺寸略大,這就要求在裝配零部件的過程中遵守一定的裝配要求,按照規范的裝配工藝進行裝配,這對于零部件之間的配合、連接和運轉是比較重要的。
關鍵技術
在機械裝置的裝配過程中,會涉及大量的零部件,而且這些零部件具有十分精密的特點。在裝配時,需要對每個環節都嚴格控制,所以對于裝配施工工藝具有非常高的技術要求。另外,在對不同零部件的組合實施過程中,首先需要工作人員對機械設備運行的主要方式、零部件結合的運用場所等方面進行了解,保證在施工的過程中,能夠控制各種意外情況,保證機械裝配工作的順利完成。
1、接觸壓力計算
接觸壓力過盈量與接觸壓力計算對過盈聯接件的性能具有決定性作用, 主要表現在聯接件厚度、結合長度、摩擦系數、錐面過盈聯接位移、結合面變形程度、過盈聯接件剛度等方面。
2、裝拆方式
裝拆方式對過盈聯接件的承載能力具有重要作用, 主要表現為表面粗糙度、錐度和過盈量等方面對摩擦系數的影響。 同時,裝配時不同的裝配方法對過盈聯接的性能具有不可或缺的影響。
3、加工精度與材料處理方式
過盈量是影響過盈聯接性能的重要因素之 一, 加工精度和配合公差直接對過盈量產生作用。過盈聯接承載性能與加工精度和材料處理方 式具有一定關系, 加工方式的不同決定表面粗糙 度的不同, 從而影響過盈聯接件的承載性能; 過 盈聯接結合件材料的熱處理、冷處理、激光強化 等處理方式可以提高其承載能力。
4、運轉工況研究
運轉工況對過盈聯接的性能具有重要作用,主要表現在工況溫度與旋轉速度對過盈量的影響,從而改變結合面的接觸壓力, 隨著工況溫度和旋 轉速度的提高, 過盈聯接件的承載能力會降低。
5、接觸面的微動損傷
由于過盈聯接接觸面端部的接觸部位很容易 發生微動磨損, 微動疲勞破壞大幅度降低零部件的使用壽命。 過盈聯接結合面端部的微動磨損會影響零部 件的使用壽命, 提高結合面接觸壓力, 會減少結合面的周向滑移量, 從而降低微動磨損, 提高零部件使用壽命。
6、過盈聯接可靠性
過盈聯接的可靠性設計對提高過盈聯接件的承載能力、增加過盈聯接件的使用壽命具有積極效果, 過盈聯接的可靠性穩健設計對過盈聯接件的正常工作提供了重要的理論依據。
7、多層過盈聯接
通常情況下, 影響多層過盈聯接性能的主要因素是過盈量的取值、接觸面積的大小和變形狀態的改變程度。隨著過盈裝配的進行, 由外到內, 各過盈層的裝配間隙依次減少、消除, 通過層層壓緊、層層過盈的方式, 各過盈層最終形成多層過盈配合關系。
技術要求
1、合適的過盈量:過盈量太小不能滿足傳遞轉矩的要求,過盈量太大則增加裝配難度。2、配合表面精度要求:配合表面應有較高的形狀、位置精度和較細的表面粗糙度。裝配時注意保持軸孔的同軸度要求,以保證有較高的對中性。3、有適當的倒角,為了便于裝配,孔端和軸端應有倒角。
配合狀態
最松狀態
孔的最大極限尺寸減軸的最小極限尺寸所得的差值為最小過盈Ymin,是孔、軸配合的最松狀態。
最緊狀態
孔的最小極限尺寸減軸的最大極限尺寸所得的差值為最大過盈Ymax,是孔、軸配合的最緊狀態。
過盈計算
最小過盈等于孔的最大極限尺寸(或上偏差)減去軸的最小極限尺寸(或下偏差)所得的代數差;
最大過盈等于孔的最小極限尺寸(或下偏差)減去軸的最大極限尺寸(或上偏差)所得的代數差。
最大過盈和最小過盈統稱為極限過盈,取值都為負值。公式表達式為:
最小過盈
最大過盈
應用
不同尺寸范圍的過盈連接廣泛應用在重型機械、機車設備、化工機械等領域。根據過盈量的大小可做成可拆連接,也可做成不可拆連接。裝配后,包容件和被包容件的徑向變形使配合面間產生很大的壓力。工作時,靠壓緊力產生的摩擦力來傳遞載荷。常見的多層過盈聯接件包括鎖緊盤、力矩限制器、擠壓筒、型腔模具等,這些部件作為大型發電設備、金屬擠壓成型制造裝備的核心部件,在國民生產、經濟建設、社會發展等方面具有不可替代的作用。
同類技術
同類的配合還包括:間隙配合和過渡配合。
間隙配合指當孔的公差帶在軸的公差帶之上,形成具有間隙的配合(包括最小間隙等于零的配合)。
過渡配合指當孔的公差帶在軸的公差帶之下,形成具有過盈的配合(包括最小過盈等于零的配合)。
配合公差指:允許間隙或過盈的變動量稱為配合公差。
間隙配合:配合公差=最大間隙一最小間隙;過渡配合:配合公差=最大間隙+最大過盈
配合公差=軸公差十孔公差。
公差配合在機械設計制造中的應用包括機械設備維護、單個零件生產的選用。公差配合決定機械設計產品的使用性能,公差配合需依據產品情況,選擇能獲得經濟效益的公差配合。配合零件要分析選擇基準制,配合方面通過類比法實現。如石油鉆并機械設備公差配合設計無法按傳統標準選擇,通常對設備設計從經濟角度考慮。在配合公差選用上,考慮設備鏈輪承受負荷,較大時選用H8/k7,在軸等配合公差選擇時,依據零件特點選擇合理偏差值。車床夾具公差選擇依據配合設計標準,從實用角度出發。注意軸配合下依據產品特點選擇公差。軸承建選擇配合公差依據用途,相同孔空套旋轉配合選擇H7,用于支撐可選擇G。機械設計制造中,公差項目選址是結合項目,選擇時要依據被測要素幾何性質;類比法是公差等級選擇常用方法,保證按圖紙生產軸具有良好配合性。將被加工零件尺寸分布調整到公差帶中心,機械產品加工誤差值符合正態分布規律,操作者在加工孔時控制最小極限值處,生產中不出現極限配合尺寸,理論上會出現極限配合尺寸。中國機械設計制造業的發展,國家出臺了相應選擇標準。類比法通過參照存在公差等級,確定配合類別,調整配合松緊。實驗法周期較長,選擇配合時應推薦優先使用基孔制,不同零件的加工方法不同,配合選擇應根據實際加工需求,降低加工對配合的影響。經常更換零件選擇較松的配件。如制漿造紙設備運行環境惡劣,設備購買前無裝配圖。考慮配合部位受力情況,制漿造紙設備中限制過盈配合,傳遞扭矩相同,配合方式存在不同。應考慮零件裝配難度,選擇過盈量較大配合裝拆困難,應對零件尺寸全面考慮,小尺寸選擇較緊的配合。軸承需要經常更換,應合理選擇軸承配合。
裝配要求
1.根據過盈量的大小來選擇合適的裝配措施:過盈量的大小受系列公差的影響,過盈情況不同相應的所造成的過盈量也存在差異,過盈量的大小和位置不相同,會使零部件在分解和裝配的過程中需要采取不同的措施。
2.受力位置要恰當合理:零件在裝配的過程中,受力位置要注意恰當合理,這對于裝配的質量有重要影響。以F314U球狀軸承同主動軸間的連接來看,在進行過盈配合的過程中,如果簡單的采用同沖對稱的方法來對軸承進行敲擊,那么很可能因為敲擊產生一定的傾斜角度,影響裝配的質量。要預防此種情況的發生,可以軸承沖子作為緩沖媒介,盡可能的使零部件受力保持均衡。在對軸承分解和裝配的過程中,要盡可能的把受力位置集中在內圈,達到受力均衡的目的來提高零部件使用壽命,使機械設備安全可靠的運行。
3.零部件的裝配按拆裝方向進行,因為機械設備設計的要求以及裝配工藝的需求,有一部分零件本身就具有一定的圓錐度。比如有一些銷孔的裝配需要相互配合才能進行正常的運行工作,在對其裝配的過程中,要遵循拆裝的方向,從孔的大端位置開始著手進行裝配,同樣的拆解工作也應按照拆裝方向來進行。
4.使用專業的裝配和拆解工具:使用專業工具進行零部件的裝配和拆解,可以保證零部件的裝配質量,延長零部件的使用壽命,比如對行星轉向設備的裝配和拆解。如在沒有專業工具的緊急情況下,要注意使用軟質材質對零部件進行敲打裝配。
5.注意保護配合面:在裝配過程中要注意對配合面加以保護,防止配合面損壞。例如對滾子軸承和傳動軸承進行過盈連接的過程中,盡可能的減少配件分解的次數,以避免配合面的磨損,從而提高裝配質量。
裝配方法
常用零部件過盈配合的裝配方法
1.靜力壓入法:多用于軸與輪轂之間的配合連接。一般借用千斤頂、臺虎鉗等工具,采用人工、機械、液壓等方法來實現零部件的過盈連接。在壓力載荷方面有一定的限制。在過盈量較大的情況下,需要對零部件預先進行溫度處理,以使零部件膨脹或縮小,方便下一步的安裝,此方法對配合面會有一定的影響。
2.動力壓入法:在對零部件裝配的過程中通常會配合沖擊工具來使用,適用于過盈量較小的零部件。沖擊工具可分為手動沖擊工具和機械沖擊工具兩種。工具與零部件接觸的過程中,常會采用墊木、沖子等作為介質。此種方法不適合應用于脆性原料,如生鐵、淬[cuì]火鋼等。此方法對配合面也會有一定的損傷。
3.溫差裝配法:零部件材質的不同,對應的膨脹系數會不同。因此,對機械零部件進行配裝時,可以利用溫度使零部件進行熱脹或者冷縮的特性,使零部件達到機械裝配所需要的“容易裝配值”,在安裝過程中不需要再借助機械的作用,只需較小的作用力,就可達到高質量裝配的目的,提高機械零部件的裝配效率。溫差裝配法優勢明顯,對于脆性材料零部件也同樣適用。可結合上面兩種方法一起使用。
發展趨勢
多層過盈聯接的研究對單層過盈聯接起到了驗證與拓展的作用, 一方面通過研究多層過盈聯接, 可以改善單層過盈聯接的相關理論, 提高過盈聯接理論的科學性與準確性; 另一方面, 多層過盈聯接的研究, 是對單層過盈聯接的應用與發展, 增加過盈聯接的應用范圍, 符合工程實際需要, 提高過盈聯接相關理論的可行性與實用性。深入研究過盈聯接設計理論與技術, 對其應用于重大裝備關鍵基礎件, 比如軸承、脹緊套等結構設計和求解實際工程問題具有一定的指導作用。 通過合理選定影響過盈聯接過盈量與結合壓力各方面的影響因素, 探索過盈聯接結構的最優裝拆工藝, 從而減少過盈聯接因工況因素或壓裝過程發生的損傷事故, 提高過盈聯接結構件的使用壽命, 降低企業制造成本。隨著非線性理論的不斷完善和計算機技術的飛速發展,利用非線性有限元法來分析這類問題已日趨成熟。
參考資料 >
過盈配合.術語在線.2023-12-01
公差配合與技術測量.湖北省圖書館.2023-12-01
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針對通用機械過盈配合分析的功能及應用介紹.仿真互動.2023-12-11
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