浮動萬向軸的設計

吉林農業科技學院機械工程學院 孫曉雪

1 浮動萬向軸的設計應用前景及特點

采用萬向聯軸器與彈簧結合可提高工作效率，用途非常廣泛，主要可將其用于電器設備（電風扇、監控攝像頭、電刷、小型磨光機等）清潔工具（掃帚、拖布等）只要是產品在工作時遇到無法處理的死角問題都可以在產品上加上此設計裝置。此裝置用途廣泛，針對性強，在許多場景下都可以使用。而當下時代萬向浮動裝置非常少，采用萬向浮動可以盡可能地減少機器的工作時間，提高工作效率。現有浮動機構主要是彈簧、滾珠以及彈簧和滾珠結合。滾珠的弊端是浮動機構的整體穩定性較低，浮動程度不易控制。彈簧在外力的作用下發生彈性形變，外力撤回，恢復原位[1]，在機構中彈簧由于形變不易控制，外力大小無法確定，導致彈簧在浮動機構中無法實現精確控制。而本設計在浮動的基礎上還有萬向功能，能夠在更多的場景發揮其作用，對于未來的節能起到很大的作用，將萬向聯軸器與彈簧結合起來，實現萬向浮動，具有浮動穩定、結構簡單的特點。

現有浮動機構主要是彈簧、滾珠或彈簧和滾珠結合。滾珠的弊端是浮動機構的整體穩定性較低，浮動程度不易控制。彈簧在外力的作用下發生彈性形變，外力撤回恢復原位[2]，在機構中彈簧由于形變不易控制，外力大小無法確定，無法根據操作者施加力的大小，達到極優的浮動。在設計浮動萬向軸時，首先要進行彈簧的初步計算及對標準件彈簧的選擇，根據軸的大小選擇合適的萬向節，對萬向節進行改進，對萬向節上下左右移動的距離稍作優化，將其擺動的幅度增大，最后將萬向節與合適的彈簧相結合構成萬向浮動軸。

2 浮動萬向軸在作用點和連接桿間的作用

萬向浮動軸一端連接作用部分一端連接支撐桿部分，在產品中起到一個可以浮動和方向轉動作用，在作用部位工作時起到上下左右浮動的作用，左右浮動的程度小，上下浮動程度大，操作者在給產品施加力度時，產品在萬向浮動軸的作用下，根據操作者力的大小，接觸面凹凸程度的不同，產品可以很好的與墻面接觸，提高接觸程度，隨時進行方位調整，提高清理工具的潔凈程度，更快、更好地完成工作量。

3 彈簧的選擇

彈簧材料選擇必須充分考慮到彈簧的用途、彈簧減震性、彈簧方位使用程度與所受的載荷性質、大小、循環特性、工作溫度、周圍介質等使用條件，以及加工、熱處理條件和經濟性等因素[3]，以便使選擇結果與實際要求相吻合。鋼絲是最常用的彈簧材料。當受力較小而又要求防腐蝕、防磁等特性時，彈簧主要是靠彈力來工作的機械零件，主要原理是材料在受力的條件下，發生彈性形變，撤回外力，材料恢復到原來的狀態。每件材料所含成分的不同，強度及塑性的不同，在彈性形變時，形變的程度也會不同。拉伸彈簧是受外力的條件下，使之拉長，外力撤回，恢復到原狀態。此設計考慮到小型剛性十字萬向聯軸器的結構因素，采用拉伸彈簧，如采用壓縮彈簧，該設計浮動穩定性降低。WXD小型十字萬向聯軸器側面采用18～22厘米的彈簧，萬向節成90度時在一端的下部與另一端上部采用12～15厘米的彈簧，彈簧主要以剛性材料為主，剛性彈簧彈力大，彈簧屈服極限強。此設計要采用彈簧延伸率較高的彈簧，故選用線材剛性模數非常高的琴鋼絲，兩端不磨平的帶鉤拉伸彈簧。

4 聯軸器的選擇

主要考慮所需傳遞軸轉速的高低、載荷的大小、被聯接兩部件的安裝精度、回轉的平穩性等[9]。適用于聯接空間同一平面上兩軸線夾角小于等于45度的傳動場合傳遞公稱轉矩。此設計主要運用于輕便型產品，故只能采用塑料或合成材料，以此來降低產品的總重量，使其輕便，降低產品使用時的笨重感。

5 萬向節與彈簧的結合及結構設計

萬向節兩端成90度時，在兩端最近的地方加一彈簧使之連接，使兩頭上下浮動的力度得到控制，在萬向節側面也加上彈簧，使之左右浮動力度得到控制，由于萬向節的上下浮動力度大，不可能光靠一個彈簧來把握其浮動力度，故在萬向節成90度時，在其旋轉的的背部及拱部加上鍵，使之上下浮動度控制在0度到110度。

萬向節兩端采用軸套設計加上兩端長為40mm的桿使之成為軸，在萬向節上下浮動時，其上下兩端都打孔，采用帶鉤的拉伸彈簧，連接在萬向節連接處另一端的端部，在萬向節呈90度連接時使其兩端與彈簧連接構成等腰三角形狀態，三角形具有穩定性，這樣可使彈簧在使用者施加力的同時，得到一個左右浮動的穩定性。另一方面在萬向節呈90度時在萬向節夾角面上各設置一個螺栓，用壓縮彈簧將兩端連接，使其旋轉的力度得到控制，左右上下浮動的力度都可以得到彈簧的限制[4]。

萬向浮動軸的設計使軸有一定的支撐能力，使軸的連接處達到浮動，方向可以旋轉。在日新月異的當天，科技發達，產品多元化，廣泛應用萬向浮動軸，能夠更好地節省人力，此萬向浮動軸的浮動力度可以很好地得到控制。制作簡單，結構簡單，原理簡單。

[1]孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理[M].高等教育出版社,2016.05.

[2]盧彩云,李洪文.小麥免耕播種機浮動支撐式防堵裝置[J].2013.12.

[3]龐興華.機械設計[M].電子工業出版社,2010.10.

[4]劉鴻文.材料力學[M].高等教育出版社,2013.10.