機械設(shè)計中軸系的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1、機械設(shè)計中軸系結(jié)方設(shè) 一、前言在機械設(shè)備制造過程中，軸是關(guān)鍵的零部件之一，它不僅支撐著軸上零件、傳遞運動與動力的重要部件，也在非常大的程度上影響著機器設(shè)備的工作能力與工作質(zhì)量。如果軸失效，便有可能產(chǎn)生嚴重的后果，所以軸的設(shè)計至關(guān)重要，其設(shè)計方法不同于普通零件的設(shè)計，它包含了強度設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了確保安裝在軸上的零部件能夠正確地定位與固定并且符合軸的加工與裝配要求，需要合理地確定軸各部分的形狀與結(jié)構(gòu)尺寸，即 進行正當?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計。二、基于功能元結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計分析（一）基本功能的要素機械產(chǎn)品概念設(shè)計內(nèi)容包含以下三部分：一是功能的抽象化 二是功能的分解三是功能的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計。機器是許多零部件按照特定的

2、關(guān)系組合而形成用以實現(xiàn)某些客戶需求的系統(tǒng)，客戶需求一般轉(zhuǎn)化成設(shè)計功能，通過找尋滿足功能的特定結(jié)構(gòu)元件來完成方案的設(shè)計過程?；竟δ艿囊?素如：用來實現(xiàn)傳遞運動的齒輪副集用來實現(xiàn)支撐功能的滾動軸承集用作實現(xiàn)緊固功能的螺栓集這些都是各類型的功能元，每一類的功能元又因其功能特性的不同可以細分成很多類型。通過系統(tǒng)工程的觀點，以變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計為特例，通過先對這個大的產(chǎn)品實行分解，而后對分解形成的 最基本單元再按特征信息的觀點實行分類處理。（二）結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計流程軸系結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計首先是對特征屬性分析，這不僅是后續(xù)設(shè)計的基本，而且是對設(shè)計功能元要素的關(guān)鍵管理，并且可以解決設(shè)計中信息不明確、難于找到適用的

3、數(shù)學語言與方式維護問題。在方便有效的運行前提下，一旦滾動軸承作為國際標準件，則可以通過事先的設(shè)計手冊與相關(guān)的設(shè)計資料總結(jié)出其相對應特征，由于滑動軸承的設(shè)計要素比較復雜而且其特征信息不好提取，其應用場合能夠并用現(xiàn)有的系統(tǒng)描述，所以將滑動軸承分開列出，并沒有納入到特征系統(tǒng)統(tǒng)一管理中，接下來便是齒輪副的一些特征屬性，以及軸系可能的一些支撐方案的計算公式，相應地把軸系中可能用到的零部件鍵等也做相同的總結(jié)以取得有關(guān)的數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的 成功建立為后續(xù)設(shè)計打下了基礎(chǔ)。三、軸系的主要功能元特征和屬性（一）軸系部件的特征軸系是在機器中普遍應用的主要零部件，在機械設(shè)計過程中占有很重要地位，其設(shè)計的質(zhì)量好與壞直接

4、能夠影響機器的正常工作。軸承的裝置設(shè)計應包括：依據(jù)工作條件而選擇適用軸承的類型與計算所需要的規(guī)格型號，以及軸承的調(diào)整、安裝、密封、潤滑等。所以，軸承裝置的設(shè)計是非常復雜的過程，其中可能用到許多不確定的知識，不同的設(shè)計師可能設(shè)計 出不同的結(jié)構(gòu)，所以，軸系的設(shè)計包含有一定的靈活性。（二）軸的屬性作為回轉(zhuǎn)并且運動的零部件都要安裝在軸上來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，大多數(shù)軸還擁有傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。但是軸需用滑動軸承或者滾動軸承支撐，一般常見的軸有直軸與曲軸，曲軸主要是用于作往復運動的機械中，這里討論直軸。軸的工作能力、支撐方式取決于它對于機床主軸的強度與剛度，尤其后者非常重要，而高速轉(zhuǎn)軸則取決于它的振動穩(wěn)定性。為了保

5、證軸承的正常工作以及滾動軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了正確選擇軸承類型與確定型號外，還要合理的設(shè)計軸承的組合，主要考慮因素：軸承和相關(guān)零件的配合、軸系的固定以及軸承的潤滑和密封、提高軸承系統(tǒng)剛度。為了確保滾動軸承軸系能夠正常傳送軸向力并且能夠不發(fā)生竄動，在固定軸上各零部 件定位基礎(chǔ)上，必須要合理設(shè)計適合軸系支點的軸向固定結(jié)構(gòu)。（三）其他功能元的特征提取對于鏈傳動、帶傳動等傳動方式，同樣可以應用上面描述的特征屬性和功能元的概念對其進行提取，一般定位件鍵的特征屬性可以歸結(jié)為：載 荷性質(zhì)是擠壓、剪導向性要求定心精度軸毅的對中性要求傳遞軸向力工 藝性應力集中等。四、軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計沒有固定的標準

6、，它根據(jù)軸上載荷方向、大小與分布情況，軸上零部件的布置與固定方法，及軸的加工與裝配方法等進行靈活決定的，以軸上零部件裝拆方便、固定牢靠、定位準確等來衡量軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計好壞。因此在設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)時，一般可以先擬定好幾種不同方案通過相互比較后再加以取舍。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應包括定出軸的合理外形與全部尺寸。在滿足剛度、強度與裝配、加工等要求的條件下，軸的結(jié)構(gòu)應該設(shè)計 的越簡單越好。軸的結(jié)構(gòu)取決于：軸在機器中安裝的位置以及形式 軸上安裝零部件的類型、數(shù)量、尺寸以及聯(lián)接方法;載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況軸加工的工藝等。軸系是沒有標準結(jié)構(gòu)形式的，設(shè)計時一定要針對不同情況而進行具體的分析。但是，無論何種具體的條件

7、，軸的結(jié)構(gòu)都應該滿足：軸及裝在軸上的零部件要有精準的工作位置 軸上的零部 件應該便于裝拆與調(diào)整軸應該具有良好的制造工藝性能等。（一）擬定軸上零部件的裝配方案所謂的裝配方案，就是指預定出軸上的主要零部件的裝配方向、順序以及相互關(guān)系。進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提條件便是擬定軸上零部件的裝配方案，它確定了軸的基本形式。在擬定裝配方案時，原則上應設(shè)計幾個方 案，然后進行分析比較后再進行選擇。（二）軸上零件的定位一般為了防止軸上零部件受力時發(fā)生沿軸向或者周向的相對運動，軸上零部件除了要有空轉(zhuǎn)或游動的要求外，都需要進行軸向以及周向定位， 用以保證工作位置的準確性。零件在軸上的軸向定位軸上零部件的軸向定位一般是以

8、套筒、軸肩、圓螺母、軸端擋圈以及軸承端蓋等來確保的。零部件在軸上的軸向定位方法，主要是取決于它所到的受軸向力大小。此外，還應該考慮軸的制造以及軸上零件拆裝的難易 程度以及對軸強度的影響與工作可靠性等因素。零件的周向定位周向定位目的是為了防止軸上零部件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。一般常用的周向定位零部件有鍵、銷、花鍵、緊定螺釘及過盈配合等，而緊定螺釘用 在傳力不大處。（三）各軸段直徑與長度的確定在零部件的定位與裝拆方案確定以后，軸的形狀也大致確定了。各軸段所需要的直徑與軸上載荷大小有關(guān)，可以按軸所受的扭矩來初步計算出軸所需要的直徑。將初步計算出的直徑，用來作為承受扭矩的軸段的最小直徑編，然后再按軸上零部件

9、的裝配方案及定位要求，逐一來確定各段軸 的直徑。應有配合一定要求的軸段，應該盡量采用標準的直徑 為了拆裝方便，并且減少配合表面擦傷，在配合軸段前應該采用較小直徑 為了確保與軸作過盈配合的零部件易于裝配，一般相配軸段的壓入端應該制出錐 度或者在同一軸段的兩個部位采用不一樣的尺寸公差確定各軸段長度時主要是根據(jù)軸上配合零部件的毅孔位置、長度、軸承端蓋的厚度、軸承寬 度等因素確定應盡量使結(jié)構(gòu)緊湊，同時還要確保零件所需的裝配以及調(diào) 整空間。（四）提高軸的強度的常用措施軸上零部件的結(jié)構(gòu)、工藝與安裝布置等對軸的強度有非常大影響，為了提高軸的承載能力，機器的質(zhì)量和減小軸的尺寸，降低制造成本，應該 充分考慮：應

10、合理去布置軸上零部件以減輕軸的載荷;通過改進軸上零部件的結(jié)構(gòu)用以減輕軸的載荷通過改進軸的結(jié)構(gòu)用以減輕應力集中的影響; 通過改進軸的表面質(zhì)量用以增強軸的疲勞強度。（五）軸系設(shè)計的具體案例分析軸承的支點結(jié)構(gòu)設(shè)計無疑是軸系支點結(jié)構(gòu)設(shè)計中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，現(xiàn)以滾動軸承軸系支點結(jié)構(gòu)的設(shè)計為例，具體設(shè)計時應該注意以下幾個方 面：第一，支點結(jié)構(gòu)的設(shè)計。這里應注意，需按照支點的結(jié)構(gòu)來選擇好軸承類型及軸承內(nèi)圈、外圈的軸向固定方式，其主要方式有兩種，一種是兩端單向固定。在這種支點結(jié)構(gòu)中可采用的軸承類型一般有角接觸軸承、深溝球軸承，軸承的內(nèi)、外圈的固定方式為對角固定。二是一端固定而另一端游動。在這種支點結(jié)構(gòu)中可采用的

11、軸承類型分為兩種情況：固定端方面可以采用一對角接觸軸承、深溝球軸承，其內(nèi)、外圈應該分別雙向固定，外圈可以分別用套杯凸肩及軸承端蓋雙向固定、內(nèi)圈可用軸上零件、軸肩 （或套筒）及圓螺母雙向固定，這一端便可以保證軸承組合的雙向定位 游動端方面可以采用向心圓柱滾子軸承、深溝球軸承，應該注意到：由于游動端不可能承受軸向力，當采用了不同類型的軸承時，其固定及定位的 方式是不一樣的。第二，支點結(jié)構(gòu)的調(diào)整。首先是軸向的間隙調(diào)整，在兩端單向的固定軸系結(jié)構(gòu)中，兩端應該留有一定量的軸向間隙，可以用調(diào)整的方式來實現(xiàn)。對于可調(diào)間隙的向心推力軸承，可以調(diào)整軸承內(nèi)圈、外圈的相對位置來取得需要的軸承間隙。對于不可以調(diào)整間隙的

12、軸承（例如向心球的軸承裝配的時候通過調(diào)整，使的固定端蓋和軸承外圈端面間留有一定量的間隙，用以容許軸系的熱伸長。用于固定軸承端蓋一般分為嵌入式與外裝式（法蘭式）兩種。其次是軸系位置的調(diào)整，有些軸系的軸向位置需調(diào)整，例如，錐齒輪傳動一般要求兩錐齒輪的頂點重合，從而需要大小錐齒輪無法來調(diào)整其軸向位置。錐齒輪普遍是懸臂安裝，故而常將整個軸系安裝在一個套杯內(nèi)從而形成一個獨立的組件。為了調(diào)整其中的軸向位置，應該在軸承的端蓋處以及套杯的凸緣處分別加上墊片，通過增加、減少墊片用來調(diào)整軸承的間隙以及軸系軸向的位置，進而使這兩個錐齒輪得到準確無誤的嚙合位置。同樣的，蝸桿傳動中，蝸輪主平面一定要通過蝸桿軸線才能夠保證傳動的正確嚙合，在設(shè)計中應該使蝸輪軸系相應的軸向位置可以調(diào)整，為此，應該在箱體間與軸承端蓋加裝墊片，墊片的厚度用來調(diào)整蝸輪軸向的位置，從而確保傳動正確無誤的嚙合。最后是軸承的預緊。對于一些可調(diào)游隙的軸承通常為成對并列安裝（反裝或正裝）的向心角接觸軸承，為提高軸系運轉(zhuǎn)的精度及軸承剛度需要的預緊。軸承預緊可以采用金屬隔離環(huán)，或者通過在軸承的內(nèi)圈、外圈之間加入不同厚度的調(diào) 整環(huán)的辦法加以實現(xiàn)。第三，滾動軸承潤滑及密封。當齒輪采用了油潤滑，而滾動軸承采