1、机械设计中轴系的结构方案设计【摘要】在了解过轴系结构的设计目的与思路后，在轴系设计的原理上通过选择几种普遍的传动方案来进行设计和分析，并且列出轴系结构设计方案产生的结果，这些方案存有一定的代表性，能够增强机械设计教学内容的多样性。 【关键词】机械设计 轴 轴系结构机械设计 一、前言 在机械设备制造过程中，轴是关键的零部件之一，它不仅支撑着轴上零件、传递运动与动力的重要部件，也在非常大的程度上影响着机器设备的工作能力与工作质量。如果轴失效，便有可能产生严重的后果，所以轴的设计至关重要，其设计方法不同于普通零件的设计，它包含了强度设计与结构设计。为了确保安装在轴上的零部件能够正确地定位与固定并且符
2、合轴的加工与装配要求，需要合理地确定轴各部分的形状与结构尺寸，即进行正当的结构设计。 二、基于功能元结构方案的设计分析 （一）基本功能的要素 机械产品概念设计内容包含以下三部分：一是功能的抽象化;二是功能的分解;三是功能的结构图设计。机器是许多零部件按照特定的关系组合而形成用以实现某些客户需求的系统，客户需求一般转化成设计功能，通过找寻满足功能的特定结构元件来完成方案的设计过程。基本功能的要素如：用来实现传递运动的齿轮副集;用来实现支撑功能的滚动轴承集;用作实现紧固功能的螺栓集这些都是各类型的功能元，每一类的功能元又因其功能特性的不同可以细分成很多类型。通过系统工程的观点，以变速箱的结构设计为
3、特例，通过先对这个大的产品实行分解，而后对分解形成的最基本单元再按特征信息的观点实行分类处理。 （二）结构方案的设计流程 轴系结构方案的设计首先是对特征属性分析，这不仅是后续设计的基本，而且是对设计功能元要素的关键管理，并且可以解决设计中信息不明确、难于找到适用的数学语言与方式维护问题。在方便有效的运行前提下，一旦滚动轴承作为国际标准件，则可以通过事先的设计手册与相关的设计资料总结出其相对应特征，由于滑动轴承的设计要素比较复杂而且其特征信息不好提取，其应用场合能够并用现有的系统描述，所以将滑动轴承分开列出，并没有纳入到特征系统统一管理中，接下来便是齿轮副的一些特征属性，以及轴系可能的一些支撑方
4、案的计算公式，相应地把轴系中可能用到的零部件键等也做相同的总结以取得有关的数据库。基础数据的成功建立为后续设计打下了基础。 三、轴系的主要功能元特征和属性 （一）轴系部件的特征 轴系是在机器中普遍应用的主要零部件，在机械设计过程中占有很重要地位，其设计的质量好与坏直接能够影响机器的正常工作。轴承的装置设计应包括：依据工作条件而选择适用轴承的类型与计算所需要的规格型号，以及轴承的调整、安装、密封、润滑等。所以，轴承装置的设计是非常复杂的过程，其中可能用到许多不确定的知识，不同的设计师可能设计出不同的结构，所以，轴系的设计包含有一定的灵活性。 （二）轴的属性 作为回转并且运动的零部件都要安装在轴上
5、来实现回转运动，大多数轴还拥有传递转矩的作用。但是轴需用滑动轴承或者滚动轴承支撑，一般常见的轴有直轴与曲轴，曲轴主要是用于作往复运动的机械中，这里讨论直轴。轴的工作能力、支撑方式取决于它对于机床主轴的强度与刚度，尤其后者非常重要，而高速转轴则取决于它的振动稳定性。为了保证轴承的正常工作以及滚动轴承的组合结构设计，除了正确选择轴承类型与确定型号外，还要合理的设计轴承的组合，主要考虑因素：轴承和相关零件的配合、轴系的固定以及轴承的润滑和密封、提高轴承系统刚度。为了确保滚动轴承轴系能够正常传送轴向力并且能够不发生窜动，在固定轴上各零部件定位基础上，必须要合理设计适合轴系支点的轴向固定结构。 （三）其
6、他功能元的特征提取 对于链传动、带传动等传动方式，同样可以应用上面描述的特征属性和功能元的概念对其进行提取，一般定位件键的特征属性可以归结为：载荷性质是挤压、剪;导向性要求;定心精度;轴毅的对中性要求;传递轴向力;工艺性;应力集中等。 四、轴系的结构设计 轴系结构的设计没有固定的标准，它根据轴上载荷方向、大小与分布情况，轴上零部件的布置与固定方法，及轴的加工与装配方法等进行灵活决定的，以轴上零部件装拆方便、固定牢靠、定位准确等来衡量轴结构的设计好坏。因此在设计轴的结构时，一般可以先拟定好几种不同方案通过相互比较后再加以取舍。轴的结构设计应包括定出轴的合理外形与全部尺寸。在满足刚度、强度与装配、
7、加工等要求的条件下，轴的结构应该设计的越简单越好。轴的结构取决于：轴在机器中安装的位置以及形式;轴上安装零部件的类型、数量、尺寸以及联接方法;载荷的性质、方向、大小及分布情况;轴加工的工艺等。轴系是没有标准结构形式的，设计时一定要针对不同情况而进行具体的分析。但是，无论何种具体的条件，轴的结构都应该满足：轴及装在轴上的零部件要有精准的工作位置;轴上的零部件应该便于装拆与调整;轴应该具有良好的制造工艺性能等。 （一）拟定轴上零部件的装配方案 所谓的装配方案，就是指预定出轴上的主要零部件的装配方向、顺序以及相互关系。进行轴的结构设计的前提条件便是拟定轴上零部件的装配方案，它确定了轴的基本形式。在拟
8、定装配方案时，原则上应设计几个方案，然后进行分析比较后再进行选择。 （二）轴上零件的定位 一般为了防止轴上零部件受力时发生沿轴向或者周向的相对运动，轴上零部件除了要有空转或游动的要求外，都需要进行轴向以及周向定位，用以保证工作位置的准确性。 1.零件在轴上的轴向定位 轴上零部件的轴向定位一般是以套筒、轴肩、圆螺母、轴端挡圈以及轴承端盖等来确保的。零部件在轴上的轴向定位方法，主要是取决于它所到的受轴向力大小。此外，还应该考虑轴的制造以及轴上零件拆装的难易程度以及对轴强度的影响与工作可靠性等因素。 2.零件的周向定位 周向定位目的是为了防止轴上零部件与轴发生相对转动。一般常用的周向定位零部件有键、
9、销、花键、紧定螺钉及过盈配合等，而紧定螺钉用在传力不大处。 （三）各轴段直径与长度的确定 在零部件的定位与装拆方案确定以后，轴的形状也大致确定了。各轴段所需要的直径与轴上载荷大小有关，可以按轴所受的扭矩来初步计算出轴所需要的直径。将初步计算出的直径，用来作为承受扭矩的轴段的最小直径编，然后再按轴上零部件的装配方案及定位要求，逐一来确定各段轴的直径。应有配合一定要求的轴段，应该尽量采用标准的直径;为了拆装方便，并且减少配合表面擦伤，在配合轴段前应该采用较小直径;为了确保与轴作过盈配合的零部件易于装配，一般相配轴段的压入端应该制出锥度;或者在同一轴段的两个部位采用不一样的尺寸公差;确定各轴段长度时
10、主要是根据轴上配合零部件的毅孔位置、长度、轴承端盖的厚度、轴承宽度等因素确定;应尽量使结构紧凑，同时还要确保零件所需的装配以及调整空间。 （四）提高轴的强度的常用措施 轴上零部件的结构、工艺与安装布置等对轴的强度有非常大影响，为了提高轴的承载能力，机器的质量和减小轴的尺寸，降低制造成本，应该充分考虑：应合理去布置轴上零部件以减轻轴的载荷;通过改进轴上零部件的结构用以减轻轴的载荷;通过改进轴的结构用以减轻应力集中的影响;通过改进轴的表面质量用以增强轴的疲劳强度。 （五）轴系设计的具体案例分析 轴承的支点结构设计无疑是轴系支点结构设计中至关重要的环节，现以滚动轴承轴系支点结构的设计为例，具体设计时
11、应该注意以下几个方面： 第一，支点结构的设计。这里应注意，需按照支点的结构来选择好轴承类型及轴承内圈、外圈的轴向固定方式，其主要方式有两种，一种是两端单向固定。在这种支点结构中可采用的轴承类型一般有角接触轴承、深沟球轴承，轴承的内、外圈的固定方式为对角固定。二是一端固定而另一端游动。在这种支点结构中可采用的轴承类型分为两种情况：固定端方面可以采用一对角接触轴承、深沟球轴承，其内、外圈应该分别双向固定，外圈可以分别用套杯凸肩及轴承端盖双向固定、内圈可用轴上零件、轴肩（或套筒）及圆螺母双向固定，这一端便可以保证轴承组合的双向定位;游动端方面可以采用向心圆柱滚子轴承、深沟球轴承，应该注意到：由于游动
12、端不可能承受轴向力，当采用了不同类型的轴承时，其固定及定位的方式是不一样的。 第二，支点结构的调整。首先是轴向的间隙调整，在两端单向的固定轴系结构中，两端应该留有一定量的轴向间隙，可以用调整的方式来实现。对于可调间隙的向心推力轴承，可以调整轴承内圈、外圈的相对位置来取得需要的轴承间隙。对于不可以调整间隙的轴承（例如向心球的轴承） ，可以在装配的时候通过调整，使的固定端盖和轴承外圈端面间留有一定量的间隙，用以容许轴系的热伸长。用于固定轴承端盖一般分为嵌入式与外装式（法兰式）两种。其次是轴系位置的调整，有些轴系的轴向位置需调整，例如，锥齿轮传动一般要求两锥齿轮的顶点重合，从而需要大小锥齿轮无法来调
13、整其轴向位置。锥齿轮普遍是悬臂安装，故而常将整个轴系安装在一个套杯内从而形成一个独立的组件。为了调整其中的轴向位置，应该在轴承的端盖处以及套杯的凸缘处分别加上垫片，通过增加、减少垫片用来调整轴承的间隙以及轴系轴向的位置，进而使这两个锥齿轮得到准确无误的啮合位置。同样的，蜗杆传动中，蜗轮主平面一定要通过蜗杆轴线才能够保证传动的正确啮合，在设计中应该使蜗轮轴系相应的轴向位置可以调整，为此，应该在箱体间与轴承端盖加装垫片，垫片的厚度用来调整蜗轮轴向的位置，从而确保传动正确无误的啮合。最后是轴承的预紧。对于一些可调游隙的轴承通常为成对并列安装（反装或正装）的向心角接触轴承，为提高轴系运转的精度及轴承刚
14、度需要的预紧。轴承预紧可以采用金属隔离环，或者通过在轴承的内圈、外圈之间加入不同厚度的调整环的办法加以实现。 第三，滚动轴承润滑及密封。当齿轮采用了油润滑，而滚动轴承采用了脂润滑，应在齿轮及轴承之时间安装挡油环，用以防止齿轮油冲入轴承进而将润滑脂冲掉，或者使其变质失效。这可以通过在轴外伸端的端盖轴孔内装置密封件来实现，其中端盖通孔的直径一般较轴径大 1mm左右。因轴系结构设计的可靠性对于整个设备的运行以及可靠性起着非常重要的作用，轴系结构设计重点便是结构设计，下一步应该加上强度的设计，为了保证其能有足够的工作能力，在必要时还要进行振动稳定性计算、刚度计算等。 参考文献： 1龚桂乙，潘沛霖，等.
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