機(jī)械設(shè)計軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計思索

王云龍

機(jī)械產(chǎn)品的性能如何使用、維護(hù)和制造性能在很大程度上取決于設(shè)計過程。在機(jī)械設(shè)備的制造中，軸系是至關(guān)重要的部件之一，它不但是支撐軸上零件、傳遞運(yùn)動和動力的關(guān)鍵部件，機(jī)器的工作能力和工作質(zhì)量也在很大程度上與軸有關(guān)。軸系一旦失效，有可能造成嚴(yán)重后果,因此軸系的設(shè)計非常重要，其設(shè)計它不僅包含結(jié)構(gòu)設(shè)計，還包含了強(qiáng)度設(shè)計。為了軸上零件能夠準(zhǔn)確定位并且要符合軸加工和裝配要求，必須合理設(shè)計出軸各個部分結(jié)構(gòu)尺寸，還要有軸的強(qiáng)度設(shè)計。

軸系是機(jī)械產(chǎn)品的重要組成部分，其功能主要是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動形式、運(yùn)動及動力參數(shù)的轉(zhuǎn)變。機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計是機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)，也是決定機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新性和性能的重要階段。在過去的二十年里，軸系概念設(shè)計的自動化成為了國內(nèi)外眾多學(xué)者和專家的研究熱點(diǎn)之一。

1 軸系主要功能元的特征屬性

軸系是機(jī)器中最為廣泛應(yīng)用的部件之一，軸系設(shè)計質(zhì)量的好壞直接影響到機(jī)器是否為正常工作狀態(tài)。軸承裝置設(shè)計包括：根據(jù)工作條件選擇正確的軸承類型和計算所需的規(guī)格型號，以及它的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等。因此，軸承裝置設(shè)計是一個復(fù)雜的過程。

常見的軸有直軸和曲軸。軸的支撐方式、軸的工作能力決定于它對于機(jī)床主軸的強(qiáng)度和剛度，高速轉(zhuǎn)軸則決定于它的振動穩(wěn)定性。為保證軸承正常工作滾動軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，除正確選擇軸承類型和確定型號外，還需要合理設(shè)計軸承的組合，并考慮軸系的固定、軸承與相關(guān)零件的配合、軸承的潤滑與密封、提高軸承系統(tǒng)的剛度。為保證滾動軸承軸系能正常傳遞軸向力且不發(fā)生竄動，在固定軸上各零件定位基礎(chǔ)上，必須合理設(shè)計軸系支點(diǎn)的軸向固定結(jié)構(gòu)。

2 軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸系的設(shè)計，以軸上零件的拆裝是否方便、定位是否準(zhǔn)確固定是否牢靠來衡量軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞。設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)時，往往可以先擬定幾種不同方案進(jìn)行比較后再選擇最優(yōu)的方案。軸的結(jié)構(gòu)主要取決于：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式，軸的加工工藝等，軸系沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計時必須針對不同情況進(jìn)行具體的分析。

（1）擬定軸上零件的裝配方案。裝配方案，就是預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系，它是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。擬定裝配方案時，一般應(yīng)設(shè)計幾個方案，進(jìn)行分析比較后再選擇。

（2）軸上零件的定位。為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運(yùn)動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置的準(zhǔn)確性。①零件在軸上的軸向定位。軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋等來保證的。零件在軸上的軸向定位方法，主要取決于它所受軸向力的大小。②零件的周向定位。軸上零件的周向定位用于周向定位常用的定位零件有銷、鍵、花鍵、過盈配合以及一些緊定螺釘?shù)?，主要目的是為了防止軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。

（3）各軸段直徑和長度的確定。各軸段所需的直徑與軸上的載荷大小有關(guān)，可按軸所受的扭矩初步估算出軸所需的直徑。將初步求出的直徑，作為承受扭矩的軸段的最小直徑編，然后再按軸上零件的裝配方案和定位要求，逐一確定各段軸的直徑。應(yīng)有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直徑；應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。

（4）軸結(jié)構(gòu)的工藝性。軸結(jié)構(gòu)的工藝性是指軸的結(jié)構(gòu)要盡量簡單，減少勞動量，提高勞動生產(chǎn)率。軸結(jié)構(gòu)要有良好的加工和裝配工藝性，以提高軸的疲勞強(qiáng)度。

（5）提高軸的強(qiáng)度的常用措施。軸上零件的結(jié)構(gòu)、工藝以及安裝布置等對軸的強(qiáng)度有很大影響，應(yīng)充分考慮：合理布置軸上零件以減小軸的載荷；改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷；改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)以減小應(yīng)力集中的影響；改進(jìn)軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強(qiáng)度。

3 軸系設(shè)計的具體實(shí)例分析

軸承支點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是軸系支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，以滾動軸承的軸系支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，具體設(shè)計時應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計。要按照支點(diǎn)結(jié)構(gòu)選擇好軸承的類型和軸承內(nèi)、外圈的軸向固定方式，主要方式有兩種，一是兩端單向固定，二是一端固定，一端游動。當(dāng)采用不同類型的軸承時，其固定和定位的方式是不同的。

（2）支點(diǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。一是軸向間隙的調(diào)整兩端單向固定的軸系結(jié)構(gòu)中，兩端應(yīng)留有適量的軸向間隙，可用調(diào)整的方法來實(shí)現(xiàn)。二是軸系位置的調(diào)整，有些軸系的軸向位置需要調(diào)整。三是軸承的預(yù)緊。對于某些可調(diào)游隙的軸承——一般為成對并列安裝的向心角接觸軸承，為了提高軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和軸承的剛度需要預(yù)緊。

（3）滾動軸承的潤滑和密封。當(dāng)齒輪采用油潤滑，而滾動軸承采用脂潤滑，應(yīng)在齒輪和軸承之時間安裝擋油環(huán)，以防止齒輪油沖入軸承將潤滑脂沖掉，或使其變質(zhì)失效。

4 結(jié)語

軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性對整個設(shè)備的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計主要就是軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了保證軸系擁有足夠的工作能力，還要進(jìn)行軸系的強(qiáng)度設(shè)計，為了保證其有足夠的工作能力，必要時還要做剛度計算、振動穩(wěn)定性計算等。軸系結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的過程是一個發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計的過程，是一個求解實(shí)現(xiàn)功能的，滿足各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的，可能存在的各種方案并最終確定綜合最優(yōu)方案的過程。在方案設(shè)計的過程中，需要運(yùn)用各方面的知識和技能。

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