機械設計軸系結構設計思索

王云龍

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

軸系是機械產品的重要組成部分，其功能主要是實現運動形式、運動及動力參數的轉變。機械傳動系統的設計是機械產品概念設計過程中的一個重要環節，也是決定機械產品創新性和性能的重要階段。在過去的二十年里，軸系概念設計的自動化成為了國內外眾多學者和專家的研究熱點之一。

1 軸系主要功能元的特征屬性

軸系是機器中最為廣泛應用的部件之一，軸系設計質量的好壞直接影響到機器是否為正常工作狀態。軸承裝置設計包括：根據工作條件選擇正確的軸承類型和計算所需的規格型號，以及它的安裝、調整、潤滑、密封等。因此，軸承裝置設計是一個復雜的過程。

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床主軸的強度和剛度，高速轉軸則決定于它的振動穩定性。為保證軸承正常工作滾動軸承的組合結構設計，除正確選擇軸承類型和確定型號外，還需要合理設計軸承的組合，并考慮軸系的固定、軸承與相關零件的配合、軸承的潤滑與密封、提高軸承系統的剛度。為保證滾動軸承軸系能正常傳遞軸向力且不發生竄動，在固定軸上各零件定位基礎上，必須合理設計軸系支點的軸向固定結構。

2 軸系的結構設計

軸系的設計，以軸上零件的拆裝是否方便、定位是否準確固定是否牢靠來衡量軸結構設計的好壞。設計軸的結構時，往往可以先擬定幾種不同方案進行比較后再選擇最優的方案。軸的結構主要取決于：軸在機器中的安裝位置及形式，軸的加工工藝等，軸系沒有標準的結構形式，設計時必須針對不同情況進行具體的分析。

（1）擬定軸上零件的裝配方案。裝配方案，就是預定出軸上主要零件的裝配方向、順序和相互關系，它是進行軸的結構設計的前提，它決定著軸的基本形式。擬定裝配方案時，一般應設計幾個方案，進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生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉的要求外，都必須進行軸向和周向定位，以保證其準確的工作位置的準確性。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等，主要目的是為了防止軸上零件與軸發生相對轉動。

（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，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。應有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑；應盡可能使結構緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調整空間。

（4）軸結構的工藝性。軸結構的工藝性是指軸的結構要盡量簡單，減少勞動量，提高勞動生產率。軸結構要有良好的加工和裝配工藝性，以提高軸的疲勞強度。

（5）提高軸的強度的常用措施。軸上零件的結構、工藝以及安裝布置等對軸的強度有很大影響，應充分考慮：合理布置軸上零件以減小軸的載荷；改進軸上零件的結構以減小軸的載荷；改進軸的結構以減小應力集中的影響；改進軸的表面質量以提高軸的疲勞強度。

3 軸系設計的具體實例分析

軸承支點結構的設計是軸系支點結構設計中的重要環節，以滾動軸承的軸系支點結構設計為例，具體設計時應注意以下幾個方面：

（1）支點結構設計。要按照支點結構選擇好軸承的類型和軸承內、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）支點結構的調整。一是軸向間隙的調整兩端單向固定的軸系結構中，兩端應留有適量的軸向間隙，可用調整的方法來實現。二是軸系位置的調整，有些軸系的軸向位置需要調整。三是軸承的預緊。對于某些可調游隙的軸承——一般為成對并列安裝的向心角接觸軸承，為了提高軸系的運轉精度和軸承的剛度需要預緊。

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

4 結語

軸系結構設計的可靠性對整個設備的運行起著至關重要的作用，軸系結構設計主要就是軸的結構設計，為了保證軸系擁有足夠的工作能力，還要進行軸系的強度設計，為了保證其有足夠的工作能力，必要時還要做剛度計算、振動穩定性計算等。軸系結構方案設計的過程是一個發散思維和創新設計的過程，是一個求解實現功能的，滿足各種技術和經濟指標的，可能存在的各種方案并最終確定綜合最優方案的過程。在方案設計的過程中，需要運用各方面的知識和技能。

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