销轴的设计与探讨

摘要
摘要
销轴是一类起连接作用的紧固件， 可构成静态固定连接也可与 连接件做相对运动，主要用于两零件的连接处，构成铰链连接。铰链 连接形式被广泛用于工程机械中，SRS 项目中所有动臂与动臂、动臂 与油缸之间的连接都是通过销轴的铰链连接来实现的。 由与 SRS 项目 是通过反求工程方法来设计的，本文主要结合现有的资料、车间师傅 的反馈以及本部门工程师的经验建议来对现车销轴结构进行合理性 验证， 同时还进行了表面参数和与轴套之间的配合公差的设计和销轴 的强度设计。对于存有疑问的地方，本文进行了相关的探讨并且给出 了相应的解决措施和建议。 关键字： 销轴 关键字 结构设计 性能参数设计 强度设计
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目录
目录
摘要 .......................................................................................................... I 目录 .......................................................................................................... i 引言 ......................................................................................................... 1 第一章 项目总体介绍 ...................................................................... 3
1.1 SRS 公铁两用高空作业车的功能用途 ..................................... 3 1.2 SRS 公铁两用高空作业车的系统划分 ..................................... 5 第二章 销轴的结构设计 .................................................................... 7
2.1 高空作业部分销轴的分类 ....................................................... 7 2.2 销轴防转和轴向定位结构的设计 ........................................... 8 2.2.1 使用防转和轴向定位结构的原因..................................... 8 2.2.2 工程应用中常用的防转和轴向定位结构 ........................ 10 2.2.3 防转和轴向定位结构的确定 .......................................... 13 2.3 销轴端部倒角及密封形式的设计 ............................................ 14 2.3.1 销轴端部倒角的设计 ....................................................... 14 2.3.2 销轴密封形式的设计 ...................................................... 16 2.4 关于结构更改的几个探讨 ........................................................ 18 2.4.1 将板件与杆件的连接处改成阶梯轴结构的探讨 ........... 18 2.4.2 将过盈连接的销轴改成阶梯轴结构的探讨 ................... 20 第三章 材料的确定.......................................................................... 23
3.1 杆件材料的选择....................................................................... 23
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目录
3.1.1 轴类零件常用材料 .......................................................... 23 3.1.2 45 钢和 40Cr 的性能对比................................................. 23 3.1.3 确定杆件材料 .................................................................. 24 3.2 板件材料的选择........................................................................ 25 3.3 关于更改杆件材料的探讨 ........................................................ 25 第四章 销轴性能参数及与轴套配合公差的确定 ............................. 27 4.1 销轴表面粗糙度的确定 ........................................................... 28 4.2 销轴硬度的确定....................................................................... 29 4.3 销轴与轴套及自润滑轴承配合公差的确定 ............................ 30 4.4 关于改变原车几个设计的探讨 ............................................... 31 4.4.1 关于改变销轴粗糙度分布的探讨................................... 31 4.4.2 关于改变销轴表面硬度的探讨 ...................................... 32 4.4.3 关于更改销轴配合间隙的探讨 ...................................... 33 第五章 销轴的强度设计 .................................................................. 36
5.1 剪切强度的计算....................................................................... 36 5.1.1 计算剪切力...................................................................... 36 5.1.2 计算剪切应力 ................................................................ 37 5.2 挤压强度的计算....................................................................... 38 5.3 弯曲强度的计算....................................................................... 38 第六章 结论和建议........................................................................ 40
参考文献 ............................................................................................... 41 致谢 ....................................................................................................... 42
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引言
引言
SRS 公铁两用高空作业车高空作业部分主要由回转台、动臂、 工作斗附件和工作斗组成， 它们之间的连接全部都是通过销轴连接来 实现的，销轴传递的载荷很大，在工作过程中承受的挤压应力和弯曲 应力也很大。 在动臂转动过程中较大的挤压力会带动销轴相对于轴套 转动，这将加剧销轴的磨损；另外由于 SRS 公铁两用车主要用于野外 作业，长期承受风吹雨淋和外部灰尘的影响，其工作环境恶劣，也会 加剧销轴的磨损锈蚀，使销轴快速失效。更重要的是在工作过程中销 轴往往是动臂或油缸的回转中心， 销轴的失效将会直接影响到车辆功 能的实现，产生工作斗较大幅度的摆动、阻力增大、达不到设计时确 定的最大工作高度等问题，甚至还有可能产生“自锁”想象。因此， 对销轴进行精心的设计，选择合适的结构对销轴进行轴向和周向定 位，确定合适的表面粗糙度、硬度和销轴与轴套之间的配合是相当必 要，也是相当重要的。 目前，关于销轴结构设计的最新国家标准是 GB/T 882-2008，但 由于该标准中规定的结构形式过于单一，公称直径也太少，远远不能 满足工程应用的要求，因此现在工程机械制造商对销轴进行自行设 计，其所使用的销轴结构也各不相同。不同结构的销轴对销轴功能的 实现、装配性和工艺性都有很大影响，本文将讨论几种常用的结构， 并选择合适于 SRS 公铁两用高空作业车的结构。 对于销轴的表面硬度、粗糙度等性能参数，目前也没有统一的标
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引言
准， 但是这些参数的确定对销轴的磨损和销轴的疲劳强度及其使用寿 命的影响都是非常大的。 本文将参照前人研究的成果结合本车的实际 情况，确定销轴的相关参数，并对销轴进行强度校核，争取设计出符 合本车要求的销轴。
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第一部分
项目总体介绍
第一章
1.1
项目总体介绍
SRS 公铁两用高空作业车的功能用途 公铁两用高空作业车的功能用途 SRS 高空作业车主要用于铁路网上各种电线系统的及其相关固
定设备的检查、维修和安装，同时也用于铁路沿线的植被的控制，还 可用于隧道内和隧道口及其他难以触及的地方的作业。 车辆的最大特 点是提供了公路和铁路两种运行模式， 铁路运行模式使本车可以像火 车一样轻松的在铁路上行驶、停靠，方便车辆在铁路作业；公路模式 具有较快的速度，可以使车辆快速的到达作业地点，减少在路上停留 的时间。另外，只要公路平面的高度和铁路轨面的高度在同一水平高 度之上，两种模式之间便可很容易的实现转换，这是只有单一的公路 或者铁路模式的车辆所无法比拟的。 SRS 公铁两用高空作业车的最大工作高度是离地面 8.6m，以回 转台为中心的旋转半径是 7.2m，其作业范围图（图 1）如下：
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第一部分
项目总体介绍
图 1.1
高空作业车的作业范围
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第一部分
项目总体介绍
1.2
SRS 公铁两用高空作业车的系统划分 SRS 公铁两用高空作业车的设计主要划分为 5 部分，分别是高空
作业部分，前后导向部分，车架和制动部分，液压系统和电气系统。 本人参与设计的是高空作业部分，这部分也是使用销轴最多的部分， 下面重点介绍这一部分。 高空作业部分的主框架从下到上依次由回转台、外伸缩臂、内伸 缩臂、折叠臂、工作斗附件和工作斗组成（参照图 2） ，整个高空作 业部分靠液压驱动，液压油缸安装在动臂上，另外还有剪支撑等杆件 结构，所有的动臂、油缸、杆件彼此之间都是同过销轴来形成铰链连 接的。工作时各个油缸独立运动，带动所对应的动臂或工作斗绕销轴 做回转运动，以使工作斗运动到工作范围内的各个作业点。当工作斗 停留在某个点作业时，销轴所受到的力是静态的；当工作斗由一个工 作位置运动到另一个工作位置时，销轴受到的力是变化的，压力沿周 向做小于 180 度的来回摆动，并且伴有微量冲击。 高空作业的详细结构，见图 2。
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第一部分
项目总体介绍
图 1.2 高空作业机构总成
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第二部分
销轴的结构设计
第二章
2.1
销轴的结构设计
高空作业部分销轴的分类 高空作业部分销轴的分类
高空作业部分所用到的销轴数量众多， 它们安装在不同的位置， 所受力的大小各不相同，长短也不一样。这样，不同的销轴对结构的 要求也是不一样的，为了方便设计与讨论，我们先对销轴进行分类。 根据销轴长度的不同，我们大体的将销轴分成长销轴和短销轴两类， 其中回转台与外伸缩臂之间的连接销轴（销轴 1） 、内伸缩臂与折叠 臂之间的连接销轴（销轴 2） 、折叠臂与工作斗附件之间的连接销轴 （销轴 3） 工作斗附件与工作斗之间的连接销轴 、 （销轴 4） 为长销轴， 其余销轴为短销轴（销轴的编号见图 3） 。
由图 3 中可以看出长销轴都是动臂和工作斗等大件之间的连 接，而短销轴则都是与油缸两边相连的销轴，由于动臂轴套采用的是 自润滑轴承，自润滑轴承的内壁相对于销轴转动；而油缸则采用的是 关节轴承，关节轴承的内圈与外圈之间是可以相对运动的，所以关节 轴承的内圈与销轴之间是没有相对转动的即时有也要比自润滑轴承 的相对转动小得多。通过上面的分析，我们可以得出一个结论，长销 轴的磨损要比短销轴的磨损大的多，正因为这个原因，长销轴和短销 轴的设计会有比较大的差别。
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第二部分
销轴的结构设计
图 2.1 销轴位置图
2.2
销轴防转和轴向定位 销轴防转和轴向定位结构的设计
2.2.1 使用防转和轴向定位结构的原因 工作时销轴的结构如图 2.2 所示，销轴两端通过轴套与支座相 连，有支座提供支持力；中间部分，长销轴通过自润滑轴承与动臂相 连，作为动臂的支撑点，短销轴则通过关节轴承与油缸相连，作为油 缸的支撑点，其受力如图 2.2 所示。由于动臂和油缸均绕销轴做回转 运动，在力 的作用下，销轴和自润滑轴承之间产生摩擦力，这个
摩擦力使销轴产生与自润滑轴承同方向转动的趋势， 因此我们需要设 计某种结构来对销轴进行周向定位，以阻止销轴的转动。当然由于关 节轴承的内圈和外圈之间可以相对转动， 而自润滑轴承只能相对销轴 转动， 所以， 相对以长销轴来说， 短销轴的这种转动的趋势要小得多， 但仍然需要相应的结构来限制这用转动趋势。 另外由于高空作业整个 机构可以绕回转台转动， 且油缸的作用力
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也并非与销轴绝对垂直，

第二部分
销轴的结构设计
因此销轴还受到较小的轴向力，为了防止销轴的攒动，也需要要相应 的结构来对销轴进行轴向定位。 下面我们将进行销轴周向和轴向定位 的设计。
图 2.2a 长销轴结构图和受力图
1.、3 侧支撑 2 油缸活塞 4 销轴 5 关节轴承 图 2.2b 短销轴结构图与受力图
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第二部分
销轴的结构设计
2.2.2 工程应用中常用的防转和轴向定位结构 工程应用中常用的防转和轴向定位结构
在工程应用中，防止销轴转动的方法比较多，比如使用过盈连 接、改变销轴的结构、在销轴的一端加挡圈和采用防转曲拐，下面分 别介绍这几种结构。
过盈连接法
过盈连接就是在销轴和轴套之间有一定的过盈量，装
配时销轴结合面被压缩产生周向压应力和径向压应力， 轴套由于被撑 大而产生周向拉应力和径向拉应力，使销轴和轴套牢固地连接在一 起，不产生轴向运动和转动，以达到轴向定位和防转的目的。但是这 种结构要求销轴和轴套的加工精度高，拆装也非常困难，过盈量选择 不合适时也容易产生松动，另外高空作业部分的长、短销轴受到的力 很大， 并且长销轴的装配会非常的困难， 因此我们并不采用这种结构。
改变销轴结构
这种方法是使销轴一段伸出的部分直径变大，形成
阶梯结构，并且将直径交大的这一端铣平，同时在支座的侧面用钢板 焊接出一个槽，前面铣出的平面刚好卡在这个槽内，一达到防止销轴 转动的目的（如图 2.3 a 所示） 。这种结构可承受较大的圆周切向力， 可有效的防止销轴的转动， 但是该种结构只可防止销轴的转动而无法 限制销轴的轴向定位，若要进行轴向定位，需另外设计相应的结构， 因此该种结构也达不到我们的要求。
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第二部分
销轴的结构设计
图 2.3 a 改变销轴结构
在销轴一端加挡圈
这种结构是在支座的侧面焊接一个内径与销轴
相同的圆环，在圆环上攻出螺纹孔或圆锥孔，同时在销轴伸出的一端 钻出一个定位槽或与定位销配合的孔， 销轴装上之后用螺钉拧如螺纹 孔（如图 2.3 b）或用定位销插入销孔（如图 2.3 c）以达到防转和轴 向定位的目的。这种方法可以同时达到防转和轴向定位的作用，可承 受的圆周切向力也比较大，但是在销轴上钻孔会影响销轴的强度，所 以这用结构也是不可取的。
图 2.3b 螺钉结构
图 2.3c 销钉结构
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第二部分
销轴的结构设计
采用防转曲拐
这种结构的销轴有两部分组成，一部分是传统意义
上的销轴，我们称之为杆件，另一部分则是曲拐，我们称之为板件。 在板件的一端钻出一个与杆件直径一样的孔，另一端攻螺纹，然后将 板件和杆件焊接到一起形成一个整体。 装配时在支座的侧面加工出一 个螺纹孔，用螺栓将板件上的螺纹孔和侧壁上的螺纹孔连接到一起， 这样便可防止销轴转动和阻止销轴的轴向运动（如图 2.3 d） 。这种方 法可以达到防转和轴向定位的目的，它可承受的圆周切向里也比较 大，并且不会影响销轴的强度，因此广泛用于工程机械中；但是这种 方法要求在支座侧壁上钻孔，会降低支座的强度，另外由于曲拐和侧 壁的接触面积很大所要求得加工面比较大，若接触表面不平，螺栓拧 紧时会对销轴产生很大的应力，因此这种结构也不是完全理想的。
图 2.3 d 曲拐结构
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第二部分
销轴的结构设计
2.2.3 防转和轴向定位结构的确定 防转和轴向定位结构的确定 结构的
通过上面各种防转和轴向定位结构的对比， 我们知道防转曲拐最 符合 SRS 公铁两用高空作业车销轴的要求， 但由于它具有降低支座强 度和接触面积太大等缺点，我们将对它的结构做一些改变，以使其结 构更加符合 SRS 公铁两用高空作业车的要求。首先，SRS 公铁两用高 空作业高空作业部分的销轴所承受的力很大， 产生的圆周切向力也很 大，螺栓承受的剪力也很大，因此我们在板件上攻两个螺纹孔，使用 两个螺栓来加强防转的可靠性；第二，在支座侧面焊接一个阶梯凸台 （参照图 2.4 a） ，螺纹孔攻在阶梯凸台上，而不是直接攻在支座上， 这样便可避免降低支座的强度，另外，板件与凸台接触，而不是与侧 壁直接接触，这样接触面就边小了，更容易保证期平面度，有利于销 轴应力的降低。装配后的销轴如图 2.4 b 所示。
图 2.4 曲柄—凸台防转和轴向定位结构
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第二部分
销轴的结构设计
与前面几种结构相比， 曲柄—凸台防转和轴向定位结构具有如下 优点： 1） 2） 可使用间隙配合，方便装配和拆卸； 可同时实现防转和轴向定位，并且不影响销轴和支座的强 度。 3） 可承受很大的圆周切向力，满足 SRS 公铁两用高空作业车 的要求，实现可靠防转和定位。 4） 由于配合面小，对销轴产生的附件应力也非常小。
综合以上各点，我们认为曲柄—凸台防转和轴向定位结构这个 设计是很合理的， 非常适合于 SRS 公铁两用高空作业车高空作业部分 的销轴，另外，由于长销轴中的下链轮连接销轴（图 2.1 中的 5 号销 轴）不便在链轮上钻孔或焊接凸台，所以我们在此处采用过盈连接的 方法来进行防转和轴向定位。 2.3 销轴端部倒角及密封形式的设计 2.3.1 销轴端部倒角的设计
为了使销轴容易装配，改善销轴的装配工艺性，一般会在销轴的 安装端设计倒角，常用的倒角形式有一下 3 种：第一种是倒 45 度角 （如图 2.5 a） ，第二种是倒 30 度角（如图 2.5 b） ，第三种是倒半径为 r 的圆角（如图 2.5 c） 。
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第二部分
销轴的结构设计
a
b
图 2.5 常用的 3 中倒角形式（abc）
c
这三种倒角形式，其加工方法都不困难，但是他们的装配工艺性 有较大的差别：图 2.5 a 中的到角形式可以取较小的 b 值，去除材料 少，但是装配工艺性不是很好，特别是在装大型的工程机械结构时， 很难找正； 2.5 b 的倒角形式中期装配工艺性要比图 2.5 a 的倒角形 图 式好，但 b 的取值比较大，安装完成之后销轴突出部分比较长，不美 观，浪费材料；图 2.5 c 的倒角形式加工不仅装配性要比前面两种好， 而且外形美观， 其圆角半径一般为 3mm-5mm， 加工难度相对大一点。 从上面的分析可知图 2.5 c 的倒角形式装配工艺性最好，加工难度也 不大，比较适合作为 SRS 公铁两用高空作业车销轴的结构，但是由于 原车上采用的是图 2.5 a 的倒角形式，为了与原车保持一致，同时时 间也比较紧，我们仍然沿用了 2.5 a 的倒角形式，但在后面的设计中 我们可以考虑使用图 2.5 c 的倒角形式，以改善销轴的转配工艺性。
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第二部分
销轴的结构设计
2.3.2 销轴密封形式的设计 SRS 公铁两用高空作业车主要用于野外作业，其作业环境恶劣， 灰尘及其他的杂志很容易进入销轴与轴套的相对运动面， 并对销轴和 轴套的相对运动面产生腐蚀；另外，这些灰尘进入相对运动面的话也 会破坏销轴和轴套的原有配合加速销轴的磨损，使销轴迅速失效，因 此对销轴相对运动表面进行密封是很有必要的。 2.3.2.1 销轴装配端的密封结构的设计
笔者现场观察了一些挖掘机、 装载机和高空作业车的销轴连接结 构，同时也搜集了大量有柳工、厦工等公司生产的挖掘机和装载机销 轴连接的图片（图 2.6） ，发现并非所有的装载机和挖掘机的销轴连接 结构的装配端都是使用了密封结构，有部分销轴并没有使用密封结 构， 而是连接端直接暴露在空气中。 通过分析， 笔者发现一个共同点， 即没有使用密封结构的销轴都没有使用额外的防转和轴向定位结构， 也就是说这些销轴是通过过盈连接来达到防转和轴向定位的。 发现了 这个共同点之后，所有问题便迎刃而解，而且这也是很容易理解的， 因为过盈连接配合紧密，灰尘很难进入到销轴与轴套的结合面，因此 也就没必要对销轴进行密封。综合上面的观察，我们最终确定对所有 非过盈配合的销轴装配端进行密封， 过盈配合的销轴装配端则不进行 密封。
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第二部分
销轴的结构设计
图 2.6 挖掘机销轴连接示例图
对于装配端使用密封结构的销轴， 笔者同样搜集了一些知名厂家 生产的工程机械销轴密封结构实例（如图 2.6 ） ，发现他们使用的密 封结构基本上是一样的，即在销轴安装端攻螺纹孔，另外再去一个直 径比销轴直径大 10-15mm 的圆型盖板，在其圆心处也攻出与销轴同 样大小的螺纹孔， 涂抹上润滑油脂之后用螺栓把盖板固定到销轴装入 端（如图 2.7） 。这种结构加工简单，密封效果良好，目前被广泛用于 工程机械中，并且 SRS 原车使用的也是这种结构，因此我们决定沿用 这种结构。
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