机械设计中轴系的结构方案设计研究

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轴系的结构方案设计和机器的整体质量息息相关，-旦发生轴失效，将导致严重后果。轴系的结构方案设计和- 般零部件的设计存在很大的差异，不仅包括强度设计，还包括结构设计。

1 基于功能元的结构方案设计分析机械产品概念设计内容主要包括下列三个部分：功能抽象化、功能分解、功能结构图设计。机器可被视作-个大系统，在这个系统中，各种零件按照某种关系组合在-起，以满足客户的特定需求，其基本功能要素如下： (1)轴承集--支撑功能的功能元； (2)齿轮副集--传递运动的功能元； (3)螺栓集--紧固功能元。在每-类功能元中，又可根据功能特性的差异而做进-步的细分。以图1所示的单级减速器为例，扭矩通过轴、键、齿轮、轴承、轴承座进行传递，力的传递过程可以用图2表示。

1轴9轴承3齿轮4齿轮6轴13固定件图图2 单级圆锥齿轮减速器力传递有向图2 轴系主要功能元的特征属性分析2.1 轴的属性轴发挥着支撑以及传递转矩的功能，其决定性能的因24素主要有两个：-是刚度，二是强度。在轴的设计过程中，不仅要以工作能力准则为基础，而且要兼顾如下要求： (1)轴向定位方法的运用； (2)周向固定轴上的各类零件，使其符合转矩传递的要求； (3)轴和其他部分存在相对滑动的表面要具有良好的耐磨性； (4)符合实际工艺生产要求。

2.2 传动类结构功能元两轴间的运动通常依靠齿轮传动来完成。齿轮传动不仅效率高，而且持续稳定，因而具有很强的适应性。齿轮副有以下分类： (1)平面齿轮--直齿/斜齿圆柱齿轮传动； (2)空间齿轮--传递相交轴，交错轴运动♂合齿轮的特点及使用条件，采用功能元划分的方法将齿轮副的十大特征总结如下： (1)传动比； (2)传动平稳性；(3)传动效率； (4)耐磨性；(5)结构紧凑性；(6)轴向力； (7)承载能力；(8)转速要求； (9)两轴线方向； (10)制造成本。

2.3 支撑类结构功能元在机器中，轴承装置是-种应用广泛且相当关键的部件，其设计质量关系着机器是否能够正常运转。轴承装置的设计涉及多种知识与技术，表现出了-定的复杂性和灵活性。设计师应在充分满足用户需求的基础上，对轴承的规格、型号、安装等进行科学确定。对于轴承装置设计而言，建立知识库是前提条件。以滚动轴承为例，可总结出十二个特征： (1)高速性能； (2)噪声性能； (3)旋转精度； (4)使用寿命； (5)刚性； (6)摩擦性能；(7)联合载荷； (8)轴向载荷；(9)径向载荷； (10)耐冲击性；(11)径向尺寸； (12)内外圈可分离性。

3 轴系结构设计3.1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案，其重点在于确定轴上关键零件的装配方向、顺序以及彼此关系。它决定了轴的基本形式，是轴结构设计的基础，拟定轴上零件装配方案的过程中，通常需要设计多个不同方案，然后展开分析对比，确定最佳方案。

3.2 轴上零件的定位轴上零件在受力条件下，有可能沿轴向或者周向发生位移，为避免这-问题，两种特殊情况 (有游动要求或者空转要求)除外，其他轴上零件需要做好轴向和周向的有效定位，从而确保轴上零件工作位置的准确性。

3.2.1 零件在轴上的轴向定位。零件在轴上的轴向定位通常依靠以下部件实现：轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈、轴承盖。至于定位方面，则需要根据轴向力的大小确定。除此之外，还需要考虑轴的制造难度、零件装拆难度以及工作稳定性等各类因素。

3.2.2 零件在轴上的周向定位。周向定位是为了避免零件和轴之间出现相对转动。主要的周向定位零件包括以下几种：键、花键、销、紧定螺钉、过盈配合。其中紧定螺钉仅适用于传力不大的部分。

3.3 各轴段直径和长度的确定当零件定位方案与装拆方案被确定之后，轴的基本形状也便基本被确定了。各轴段直接撒于轴上载荷的大小，-般根据轴所承受的扭矩对轴直径进行初步估算～初步估算的直径视作轴段的最小直径编，并根据零件装配方案以及相关定位要求，对各段轴的直径进行逐-确定，同时注意以下四点： (1)对于那些存在配合要求的轴段，旧能采用标准直径；(2)便于装拆，同时降低配合表面擦伤几率，在配合轴段前-般采用相对较小的直径； (3)确定各轴段长度时，主要依据轴上配合零件的有关参数，如毅孔长度、位置、轴承宽度以及轴承端盖的厚度等；(4)应尽量保证结构的紧凑，还要兼顾零件装配空间或者调整空间的留置问题。

3.4 提高轴强度的措施轴上零件 (包括结构、工艺、安装等各个因素)将会对轴的强度产生极大的影响。为了进-步加强轴的承载力，同时减轻机器重量，减小轴尺寸，降低综合制造成本，应认真研究以下四点： (1)做好轴上零件的科学布置，从而有效减小轴的载荷； (2)做好轴上零件结构的改进，从而有效减小轴的载荷； (3)做好轴结构的改进，从而降低应力集中的不利影响； (4)做好轴表面质量的改进，从而提高轴的抗疲劳强度。

4 轴系结构方案设计实例本文以链式运输机为例，对基于结构功能元的轴系结构方案设计进行说明。该链式运输机的设计需求如下：(1)中等冲击环境； (2)以电动机驱动； (3)功率为2.2kW； (4)转速为640r/min； (5)链轮转速为94r/min。

通过相关分析与计算，得出其可使用的运动方案如表1所示 ：表1 可使用的运动方案结合空间布局的实际需要以及各个装配方案的反复对比，最后决定选择方案1中给出的带传动方案。链传动过程中将会受到-定强度的冲击力，运动存在不均匀的问题，同时考虑到摩擦传动在承载力方面相对有限，所以，选择低速级。除此之外，还要综合考虑电动机的各项参数，如功率、外形尺寸、满载转速以及最大转矩等等，最终选择齿轮啮合的单级传动，带和齿轮的传输比分别是2和5，电动机轴转速、高速轴转速、低速轴转速以及工作机轴转速分别是940r/min、470r/min、94r/min、94r/min。

5 结语本文结合了笔者多年的实践工作经验，从理论的角度出发，对机械设计中轴系的结构方案设计进行了深入的分析与研究。实践证明，本文所给出的方法在实践环节具有非常不错的实用价值。随着研究的进-步深入，发现该系统在通用性方面还存在-定的不足，另外，系统的智能化方向将成为日后工作的-个重点。o