升降機驅動滾筒脹緊套連接的設計與應用

沈俊雄 黃 巍 潘振華

（東風汽車有限公司東風日產乘用車公司，花都 510800）

現有帶式升降機采用鍵式連接，在升降機升降往復運動中頻繁出現鍵槽及鍵磨損導致傳動失效的情況，嚴重影響正常的生產經營活動[1]。

1 原有鍵式連接驅動輥筒鍵連接存在的問題

1.1 原有升降機驅動輥筒結構

如圖1所示，原有皮帶升降機由驅動滾筒、滑架組件、配重系統、支架立柱、作業工裝治具以及提升機構及其制動保護裝置組成，其中驅動裝置的軸孔連接采用鍵連接方式，如圖2所示，是一種傳統的裝配連接結構。此裝配中，鍵是用來連接軸上零件并對它們起周向固定作用，以達到傳遞扭矩的一種機械零件[2]。根據裝配兩部件的配合過盈量，鍵連接可分為間隙配合（較松鍵連接）、過渡配合（一般鍵連接）和過盈配合（較緊鍵連接）3種[3]。其中：松鍵連接適用于需要經常拆卸且負荷不大的結構；較緊鍵連接適用于無須拆卸且負荷較大的結構。如果選型不當，可能出現鍵連接失效的異常狀態，如圖3所示。

圖1 升降機整體結構

圖2 驅動輥筒鍵連接

圖3 鍵連接失效

1.2 原有升降機驅動輥筒鍵連接存在問題

原有皮帶升降機驅動輥筒連接方式為平鍵連接[4]。平鍵連接方式的工作面為鍵的兩側面，是靠鍵和鍵槽側面擠壓傳遞轉矩，其上表面和輪轂槽底之間留有間隙。該連接具有結構簡單、裝拆方便、對中性好等優點，因而得到了廣泛應用。公司總裝車間升降機驅動輥筒鍵連接方式選擇上，原始設備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）選擇了平鍵連接。

然而，該升降機在日常使用和維護中要求具備易拆裝特性和正反轉特性，導致現有的平鍵連接不能完全滿足現有工況的實際需求，頻繁出現鍵及鍵槽磨損導致鍵連接失效的問題。一旦出現鍵連接失效故障，需要數小時搶修才能恢復生產，嚴重影響生產線的生產效率。

因為滾筒支撐軸承等關鍵部件隨著長時間的使用需要進行維護保養、更換，所以要求輥筒連接方式方便拆卸，不能采用直接焊死或者采用過盈配合。升降機的作用是實現車體等工件在不同高度快速、平穩切換，是汽車自動化生產線的重要轉載設備，要求升降機的運轉方式是不斷循環正反轉。OEM考慮拆卸的方便性，采用間隙配合的平鍵連接。在長期正反轉沖擊下，鍵槽及鍵逐漸磨損直至傳動失效[5]。

2 原因分析

2.1 原有升降機驅動輥筒鍵連接結構缺陷

設備工況需求條件為重載荷運行，正反往復升降，保養需便于拆卸。OEM為了安裝方便，將原有升降機輥筒鍵連接及軸孔配合設計為間隙配合。該軸孔配合方式中，驅動軸和安裝孔之間存在微小的間隙，便于安裝，缺點是嚴重降低了設備耐用性。

2.2 原有升降機驅動輥筒鍵連接失效形成

升降機長期上升下降運動，使得鍵及鍵槽反復受到正反轉沖擊。初期的微小沖擊不易發現，長期沖擊后，配合之間的間隙逐漸擴大，沖擊加大，直至鍵連接傳動失效，如圖4所示。

圖4 原升降機輥筒連接軸承配合尺寸關系

3 解決方案和設計計算

3.1 脹緊套工作原理

脹緊套是一種無鍵連接裝置，通過高強度螺栓擰緊力作用，在內環與軸之間、外環與輪轂之間產生巨大膨脹抱緊力，實現無鍵連接。當承受負荷時，靠脹套與機件、軸的結合壓力及相伴產生的摩擦力傳遞轉矩、軸向力或二者的復合載荷，如圖5所示。脹套連接對中精度高，安裝、調整、拆卸方便，強度高，連接穩定可靠，在超載時可以保護設備免受損壞，尤其適用于傳遞重型負荷。脹緊套既能實現接近過盈配合的效果，又能在需要時拆卸，可以解決本案遇到的疑難問題。

圖5 脹緊套工作原理

3.2 升降機驅動輥筒脹緊套連接的設計計算

脹緊套結構具有適合重載荷運行、正反往復運動以及便于拆卸的特性。選用脹緊套主要考慮傳遞扭矩、承受的軸向力和接觸面壓強等因素。

傳遞扭矩、承受軸向力和接觸面壓強，分別需滿足

式中：M為需傳遞的轉矩，N·m；Mt為脹套的額定轉矩，N·m；Fx為需承受的軸向力，kN；Ft為脹套的額定軸向力，kN；Fr為需承受的徑向力，kN；d為脹套內徑，mm；l為脹套內環寬度，mm；Pt為脹套與軸結合面上的實際壓強，MPa；Pf為脹套與軸結合面上的額定壓強，MPa。

以內飾空滑板升降機賬套選型核算為例進行闡述。已知輥筒半徑L為0.18 m，F為升降機滑架工裝質量G1（900 kg）和載體空滑板質量G2（2 500 kg）之和，則需傳遞的轉矩M為

式中：g為重力加速度，取值9.8 N·kg-1。代入數值，計算可得M為5 997.6 N·m。Z12A-095/100/120型脹緊套最小額定傳遞轉矩Mt為19 000 N·m，大于M的取值5 997.6 N·m，且有3倍安全系數，滿足需求。

需承受的徑向力Fr和需承受的軸向力Fx，分別為

式中：g為重力加速度，取值9.8 N·kg-1。代入數值，計算可得Fr為33.32 kN，Fx為15.37 kN。Z12A-095/100/120型脹緊套最小額定軸向力Ft為412 kN，大于Fx的取值15.37 kN，且有10倍以上安全系數，滿足需求。

接觸面壓強Pt為

代入數值，計算可得Pt為4.5 MPa。Z12A-095/100/120型脹緊套最小額定接觸面壓強Ff為112 MPa，大于Pt的取值4.5 MPa，且有10倍以上安全系數，滿足需求。

綜上所述，采用Z12A-095/100/120型脹緊套滿足現場實際需求。

3.3 實施

目前，東風日產花都工廠總裝配車間25臺升降機已全部改造為脹緊套連接方式，如圖6所示，驅動輥筒上的聯軸器和驅動輥筒上的連接均采用脹緊套。最早改造的已使用2年多，改良效果明顯。同時，采用雙電機驅動方式，隨時進行切換，提升了設備使用的可靠性。

圖6 升降機驅動輥筒脹緊套連接

4 結語

文章提出了一種升降機驅動滾筒的連接方式，闡述了平鍵連接在往復正反轉的升降機驅動滾筒上使用的弊端，說明了脹緊套工作的基本原理，并用公司實際使用的升降機脹套選型計算進行分析。方案在公司實施3年，效果顯著。