軸用彈性擋圈的承載能力分析

王子龍 王夢夢

摘 要：介紹了軸用彈性擋圈的工作原理及應(yīng)用范圍，分析了其失效模式，研究了擋圈承載能力的理論計算方法，對于指導(dǎo)擋圈的設(shè)計、優(yōu)化和匹配應(yīng)用以及分析其可靠性、避免總成結(jié)構(gòu)失效具有重大意義。

關(guān)鍵詞：軸用彈性擋圈;承載能力;計算分析

中圖分類號：TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

軸用彈性擋圈，又稱為軸用卡簧，是一種重要的機(jī)械緊固件，用于固定軸上的部件或總成，且可承受一定的軸向力。軸用彈性擋圈可依靠模具沖壓成型，或者由線型鋼材卷繞成型，一般為環(huán)形結(jié)構(gòu)，用于軸向限位，其典型安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。在傳動系統(tǒng)軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，軸用彈性擋圈因其結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)得到了大量的應(yīng)用，且其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)展，軸用彈性擋圈的可靠性直接影響著整個傳動系統(tǒng)的可靠性及安全運(yùn)行[1]。目前我國已經(jīng)制定的軸用彈性擋圈國家新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 894-2017絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于德國擋圈制造標(biāo)準(zhǔn)DIN471[2]，缺乏相應(yīng)的理論支撐。軸用彈性擋圈作為一種重要的基礎(chǔ)零部件，其可靠性的研究對整個國家的工業(yè)發(fā)展有著巨大的推動作用，也是制約“中國制造2025”計劃取得重大突破的關(guān)鍵所在。

軸用彈性擋圈在工作狀態(tài)下，應(yīng)能依靠擋圈自身彈力及其與相配溝槽尺寸差箍緊在槽底隨軸一起轉(zhuǎn)動，否則會造成擋圈與槽底的相對運(yùn)動，使相關(guān)零部件破壞或者失效，甚至導(dǎo)致?lián)跞γ撀涫?。目前對于軸用彈性擋圈的設(shè)計，主要依據(jù)擋圈及相配軸相關(guān)配合尺寸，依靠經(jīng)驗(yàn)或參照已有產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計、選型，如果擋圈參數(shù)設(shè)計不當(dāng)、選型出現(xiàn)偏差，將會使擋圈與卡簧槽的配合間隙調(diào)整不當(dāng)，可能會導(dǎo)致?lián)跞υ诠ぷ鬟^程中，出現(xiàn)振動或者滑移，嚴(yán)重時甚至斷裂或者飛出。這種設(shè)計方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代精密機(jī)械的需求。本文基于典型軸用彈性擋圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，給出了擋圈的承載能力的計算公式及校核方法，可供相關(guān)設(shè)計者參考。

1 軸用彈性擋圈承載能力分析

軸用彈性擋圈的承載能力是評價其性能的重要指標(biāo)之一，能在很大程度上反映出擋圈的綜合性能，當(dāng)軸用彈性擋圈受到過度壓力或者外力作用時，會造成擋圈嚴(yán)重變形。軸用彈性擋圈的承載能力分析需要對溝槽的承載能力FN和擋圈的承載能力FR分別計算，擋圈最終的承載能力取決于兩者的較小值。

1.1 溝槽的承載能力分析

軸用彈性擋圈的承載能力與其相配軸的結(jié)構(gòu)、材料及熱處理方式息息相關(guān)，在擋圈選型過程中需要通盤考慮軸系的設(shè)計。

按照圖1的安裝結(jié)構(gòu)示例，與擋圈配合的溝槽擋肩面積為：

溝槽的承載能力計算公式為：

式中：為軸的屈服強(qiáng)度[3];SF1為溝槽承載的額定安全系數(shù)，一般取SF1≥1;q為載荷系數(shù)，其值取決于擋肩長度系數(shù)（見圖2）。

從圖2可知，擋肩長度系數(shù)值越大，載荷系數(shù)值越小，溝槽擋肩的承載能力越強(qiáng)，一般推薦擋肩長度系數(shù)取1≤n/t≤4，過低會影響軸的強(qiáng)度，導(dǎo)致軸被壓潰或者斷裂;而過高則不會再對載荷系數(shù)產(chǎn)生更顯著的影響。

1.2 擋圈的承載能力分析[4]

擋圈的承載能力除了與相配軸的結(jié)構(gòu)相關(guān)外，更重要的是擋圈自身的結(jié)構(gòu)、材料及表面處理方式。

軸用彈性擋圈承載能力計算公式為：

式中：為擋圈的許用翻轉(zhuǎn)角，由軸的外徑?jīng)Q定（見圖3）;K為擋圈的特征值;h為擋圈承載時翻轉(zhuǎn)力矩的杠桿臂（見圖4）;SF2為擋圈承載的額定安全系數(shù)，一般取SF2≥1。

從圖3可知，許用翻轉(zhuǎn)角隨著軸徑d1的增加而增大，但軸徑d1增大到一定值后，許用翻轉(zhuǎn)角不再變化。

計算常量值K由軸用彈性擋圈的結(jié)構(gòu)和材料決定，其公式如下：

其中：E為軸用彈性擋圈材料的彈性模量;s為軸用彈性擋圈的厚度;（b的定義見圖1）。

當(dāng)支撐面帶倒角（或圓角）g時，軸用彈性擋圈的承載能力FRg的計算公式為：

軸用彈性擋圈最終的承載力：

由于軸用彈性擋圈需要承受一定的軸向力，材料選擇上均采用高等級的彈簧鋼，同時進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鏌崽幚?，具體設(shè)計時需要結(jié)合擋圈的應(yīng)用工況及相配件的狀態(tài)，綜合考慮其結(jié)構(gòu)及材料性能，如彈性模量、屈服點(diǎn)、伸長率以及硬化能力等。

軸用彈性擋圈在傳動系統(tǒng)軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計中能否實(shí)現(xiàn)其軸向限位和固定作用，擋圈的承載能力分析計算是必不可少的，只有工作在彈性擋圈許用的承載能力范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計者對其提出的功能要求。

2 結(jié)論

軸用彈性擋圈作為基礎(chǔ)緊固件的重要組成零件，從各種工業(yè)機(jī)械中均是不可或缺的部分，其承載能力的研究對于擋圈的優(yōu)化設(shè)計、用戶的選型、傳動系統(tǒng)的總成性能等均有很大的影響。雖然軸用彈性擋圈在設(shè)計中所占的比重很小，但一旦發(fā)生脫落造成的損失較大，所以，應(yīng)對其承載能力進(jìn)行校核計算，結(jié)合使用工況，選擇合理的安全系數(shù)，使設(shè)計滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒲良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社， 2006.

[2]DIN471-2011.04，Retaining rings for shafts-Normal type and heavy type[S].

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.