機械設計中軸系的結構方案設計研究

摘要：對于機械設備而言，軸是一個極為關鍵的部件。軸不但發揮著支撐軸上零件的功能，還負責運動和動力的傳遞，是機械設備工作能力以及工作質量的重要保障。文章針對機械設計中軸系的結構方案設計展開研究，并結合實例進行探討，旨在促進機械產品設計水平的進一步提高。

關鍵詞：機械設計；軸系結構；功能元

中圖分類號：TH133 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0024-02

軸系的結構方案設計和機器的整體質量息息相關，一旦發生軸失效，將導致嚴重后果。軸系的結構方案設計和一般零部件的設計存在很大的差異，不僅包括強度設計，還包括結構設計。

1 基于功能元的結構方案設計分析

機械產品概念設計內容主要包括下列三個部分：功能抽象化、功能分解、功能結構圖設計。機器可被視作一個大系統，在這個系統中，各種零件按照某種關系組合在一起，以滿足客戶的特定需求，其基本功能要素如下：（1）軸承集——支撐功能的功能元；（2）齒輪副集——傳遞運動的功能元；（3）螺栓集——緊固功能元。在每一類功能元中，又可根據功能特性的差異而做進一步的細分。以圖1所示的單級減速器為例，扭矩通過軸、鍵、齒輪、軸承、軸承座進行傳遞，力的傳遞過程可以用圖2表示。

2 軸系主要功能元的特征屬性分析

2.1 軸的屬性

軸發揮著支撐以及傳遞轉矩的功能，其決定性能的因素主要有兩個：一是剛度，二是強度。在軸的設計過程中，不僅要以工作能力準則為基礎，而且要兼顧如下要求：（1）軸向定位方法的運用；（2）周向固定軸上的各類零件，使其符合轉矩傳遞的要求；（3）軸和其他部分存在相對滑動的表面要具有良好的耐磨性；（4）符合實際工藝生產要求。

2.2 傳動類結構功能元

兩軸間的運動通常依靠齒輪傳動來完成。齒輪傳動不僅效率高，而且持續穩定，因而具有很強的適應性。齒輪副有以下分類：（1）平面齒輪——直齒/斜齒圓柱齒輪傳動；（2）空間齒輪——傳遞相交軸/交錯軸運動。結合齒輪的特點及使用條件，采用功能元劃分的方法將齒輪副的十大特征總結如下：（1）傳動比；（2）傳動平穩性；（3）傳動效率；（4）耐磨性；（5）結構緊湊性；（6）軸向力；（7）承載能力；（8）轉速要求；（9）兩軸線方向；（10）制造成本。

2.3 支撐類結構功能元

在機器中，軸承裝置是一種應用廣泛且相當關鍵的部件，其設計質量關系著機器是否能夠正常運轉。軸承裝置的設計涉及多種知識與技術，表現出了一定的復雜性和靈活性。設計師應在充分滿足用戶需求的基礎上，對軸承的規格、型號、安裝等進行科學確定。對于軸承裝置設計而言，建立知識庫是前提條件。以滾動軸承為例，可總結出十二個特征：（1）高速性能；（2）噪聲性能；（3）旋轉精度；（4）使用壽命；（5）剛性；（6）摩擦性能；（7）聯合載荷；（8）軸向載荷；（9）徑向載荷；（10）耐沖擊性；（11）徑向尺寸；（12）內外圈可分離性。

3 軸系結構設計

3.1 擬定軸上零件的裝配方案

擬定軸上零件的裝配方案，其重點在于確定軸上關鍵零件的裝配方向、順序以及彼此關系。它決定了軸的基本形式，是軸結構設計的基礎，擬定軸上零件裝配方案的過程中，通常需要設計多個不同方案，然后展開分析對比，確定最佳方案。

3.2 軸上零件的定位

軸上零件在受力條件下，有可能沿軸向或者周向發生位移，為避免這一問題，兩種特殊情況（有游動要求或者空轉要求）除外，其他軸上零件需要做好軸向和周向的有效定位，從而確保軸上零件工作位置的準確性。

3.2.1 零件在軸上的軸向定位。零件在軸上的軸向定位通常依靠以下部件實現：軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈、軸承蓋。至于定位方面，則需要根據軸向力的大小確定。除此之外，還需要考慮軸的制造難度、零件裝拆難度以及工作穩定性等各類因素。

3.2.2 零件在軸上的周向定位。周向定位是為了避免零件和軸之間出現相對轉動。主要的周向定位零件包括以下幾種：鍵、花鍵、銷、緊定螺釘、過盈配合。其中緊定螺釘僅適用于傳力不大的部分。

3.3 各軸段直徑和長度的確定

當零件定位方案與裝拆方案被確定之后，軸的基本形狀也便基本被確定了。各軸段直接取決于軸上載荷的大小，一般根據軸所承受的扭矩對軸直徑進行初步估算。將初步估算的直徑視作軸段的最小直徑編，并根據零件裝配方案以及相關定位要求，對各段軸的直徑進行逐一確定，同時注意以下四點：（1）對于那些存在配合要求的軸段，盡可能采用標準直徑；（2）便于裝拆，同時降低配合表面擦傷幾率，在配合軸段前一般采用相對較小的直徑；（3）確定各軸段長度時，主要依據軸上配合零件的有關參數，如毅孔長度、位置、軸承寬度以及軸承端蓋的厚度等；（4）應盡量保證結構的緊湊，還要兼顧零件裝配空間或者調整空間的留置問題。

3.4 提高軸強度的措施

軸上零件（包括結構、工藝、安裝等各個因素）將會對軸的強度產生極大的影響。為了進一步加強軸的承載力，同時減輕機器重量，減小軸尺寸，降低綜合制造成本，應認真研究以下四點：（1）做好軸上零件的科學布置，從而有效減小軸的載荷；（2）做好軸上零件結構的改進，從而有效減小軸的載荷；（3）做好軸結構的改進，從而降低應力集中的不利影響；（4）做好軸表面質量的改進，從而提高軸的抗疲勞強度。

4 軸系結構方案設計實例

本文以鏈式運輸機為例，對基于結構功能元的軸系結構方案設計進行說明。該鏈式運輸機的設計需求如下：（1）中等沖擊環境；（2）以電動機驅動；（3）功率為2.2kW；（4）轉速為640r/min；（5）鏈輪轉速為94r/min。通過相關分析與計算，得出其可使用的運動方案如表1

所示：

結合空間布局的實際需要以及各個裝配方案的反復對比，最后決定選擇方案1中給出的帶傳動方案。鏈傳動過程中將會受到一定強度的沖擊力，運動存在不均勻的問題，同時考慮到摩擦傳動在承載力方面相對有限，所以，選擇低速級。除此之外，還要綜合考慮電動機的各項參數，如功率、外形尺寸、滿載轉速以及最大轉矩等等，最終選擇齒輪嚙合的單級傳動，帶和齒輪的傳輸比分別是2和5，電動機軸轉速、高速軸轉速、低速軸轉速以及工作機軸轉速分別是940r/min、470r/min、94r/min、94r/min。

5 結語

本文結合了筆者多年的實踐工作經驗，從理論的角度出發，對機械設計中軸系的結構方案設計進行了深入的分析與研究。實踐證明，本文所給出的方法在實踐環節具有非常不錯的實用價值。隨著研究的進一步深入，發現該系統在通用性方面還存在一定的不足，另外，系統的智能化方向將成為日后工作的一個重點。

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（責任編輯：秦遜玉）