机械设计中轴系结构方案的设计与研究

　　摘　要：在了解了轴系结构设计的目的和思路后，在轴系设计的基础上选择几种常用的传动方案进行设计与分析，并列出轴系结构设计方案的结果，这些方案具有一定的代表性，能增强机械设计教学内容的丰富多样性。

　　关键词：轴；轴系结构；机械设计

　　在机械设备的制造中，轴是至关重要的部件之一，它不但是支撑轴上零件、传递运动和动力的关键部件，机器的工作能力和工作质量也在很大程度上与轴有关。一旦轴失效，有可能造成严重后果，因此轴的设计很重要，其设计不同于一般零部件的设计，它包含强度设计和结构设计。为了保证安装在轴上的零件能正确地定位和固定以及符合轴的加工和装配要求，必须合理地定出轴各部分的形状和结构尺寸，即进行合理的结构设计。

　　一、基于功能元的结构方案设计分析

　　（一）基本功能要素

　　机械产品的概念设计内容由以下三部分组成：一是功能抽象化；二是功能分解；三是功能结构图设计。机器是由许多零件按特定关系组合而成用以实现客户需求的大系统，客户需求通常转化为设计功能，通过寻找满足功能的结构元件完成方案设计过程。基本功能要素如：用来完成支撑功能的功能元有滚动轴承集；用来完成传递运动的有齿轮副集；用作紧固功能元的螺栓集都是各个类型的功能元，每一类功能元又因为其功能特性不同而细分为很多类型。根据系统工程的观点，以一个变速箱的结构设计为例，先对这个较大的产品进行分解，然后对分解的Z基本单元又按特征信息的观点进行分类处理。

　　（二）结构方案设计流程

　　轴系的结构方案设计首先是特征属性的分析，这是后续设计的基础，更是对设计功能元要素的有效管理，从而可以解决设计信息不明确、难于找到合适的数学语言和方式维护的问题。在方便有效运行前提下，如果滚动轴承为标准件，则可以通过设计手册和相关设计资料归纳总结出其对应特征，滑动轴承的设计要素较为复杂并且其特征信息难于提取，其应用场合可以并用现有的系统描述，因此将滑动轴承单独列出，而没有并入到特征系统中统一管理，接下来是齿轮副的特征属性，以及轴系可能的支撑方案的计算方式，相应地可以把轴系中用到的零件键等也做类似的总结归纳以得到相关的数据库。基础数据的建立为后续设计奠定了基础。

　　二、轴系主要功能元的特征与属性

　　（一）轴系部件的特征

　　轴系是机器中广泛应用的主要部件，它在机械设计中占有重要地位，其设计质量的优劣直接影响到机器的正常工作状态。轴承装置设计包括：根据工作条件选择正确的轴承类型和计算所需的规格型号，以及它的安装、调整、润滑、密封等。

　　因此，轴承装置设计是一个复杂的过程，其中将用到很多不确定的模糊知识，不同的设计师会设计出不同的结构，因此，轴系的设计具有一定的灵活性。

　　（二）轴的属性

　　作为回转而运动的零件都要装在轴上来实现其回转运动，大多数轴还起着传递转矩的作用。而轴需用滑动轴承或滚动轴承来支撑，常见的轴有直轴和曲轴，曲轴主要用于作往复运动的机械中，这里只讨论直轴。轴的支撑方式、轴的工作能力决定于它对于机床主轴的强度和刚度，后者尤为重要，高速转轴则决定于它的振动稳定性。为保证轴承正常工作滚动轴承的组合结构设计，除正确选择轴承类型和确定型号外，还需要合理设计轴承的组合，主要考虑：轴系的固定、轴承与相关零件的配合、轴承的润滑与密封、提高轴承系统的刚度。为保证滚动轴承轴系能正常传递轴向力且不发生窜动，在固定轴上各零件定位基础上，必须合理设计轴系支点的轴向固定结构。

　　（三）其他功能元的特征提取

　　对于带传动、链传动等传动方式，同样可应用上面的特征属性与功能元的概念对其进行提取，如定位件键的特征属性可归结为：载荷性质是剪、挤压；轴毅的对中性要求；导向性要求；定心精度；工艺性；传递轴向力（轴向固定）；应力集中等。

　　三、轴系的结构设计

　　轴系的结构设计并没有固定的标准，它是根据轴上载荷大小、方向和分布情况，轴上零件的布置和固定方法，以及轴的加工和装配方法等而灵活决定的，以轴上零件装拆方便、定位准确、固定牢靠等来衡量轴结构设计的好坏。因此设计轴的结构时，往往可以先拟定几种不同方案进行比较后加以取舍。轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部尺寸。在满足强度、刚度和装配、加工等要求的条件下，轴的结构应设计得越简单越好。

　　轴的结构主要取决于：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。轴系没有标准的结构形式，设计时必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。

　　（一）拟定轴上零件的装配方案

　　所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。拟定装配方案时，一般应设计几个方案，进行分析比较后再选择。

　　（二）轴上零件的定位

　　为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置的准确性。

　　1.零件在轴上的轴向定位

　　轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。零件在轴上的轴向定位方法，主要取决于它所受轴向力的大小。此外，还应考虑轴的制造及轴上零件装拆的难易程度、对轴强度的影响及工作可靠性等因素。

　　2.零件的周向定位

　　周向定位的目的是防止轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处。

　　（三）各轴段直径和长度的确定

　　在零件的定位和装拆方案确定后，轴的形状便也大体确定了。各轴段所需的直径与轴上的载荷大小有关，可按轴所受的扭矩初步估算出轴所需的直径。将初步求出的直径，作为承受扭矩的轴段的Z小直径编，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，逐一确定各段轴的直径。应有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径；为了装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径；为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位采用不同的尺寸公差；确定各轴段长度时主要根据轴上配合零件的毅孔长度、位置、轴承宽度、轴承端盖的厚度等因素确定；应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。

　　（四）提高轴的强度的常用措施

　　轴上零件的结构、工艺以及安装布置等对轴的强度有很大影响，为提高轴的承载能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本，应充分考虑：合理布置轴上零件以减小轴的载荷；改进轴上零件的结构以减小轴的载荷；改进轴的结构以减小应力集中的影响；改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。

　　四、轴系设计的具体实例分析

　　轴承支点结构的设计（相对机座轴向固定）是轴系支点结构设计中的重要环节，以滚动轴承的轴系支点结构设计为例，具体设计时应注意以下几个方面：

　　，支点结构设计。在这里应注意，要按照支点结构选择好轴承的类型和轴承内、外圈的轴向固定方式，主要方式有两种，一是两端单向固定。在这种支点结构中可采用的轴承类型通常有深沟球轴承、角接触轴承，轴承内、外圈的固定方式为对角固定。二是一端固定，一端游动。在这种支点结构中可以采用的轴承类型分为两种情况：固定端方面可采用深沟球轴承、一对角接触轴承，其内、外圈应分别双向固定，外圈可分别用套杯凸肩和轴承端盖双向固定、内圈则用轴上零件、轴肩（或套筒）和圆螺母双向固定，这一端便保证了轴承组合的双向定位；游动端方面可采用深沟球轴承、向心圆柱滚子轴承，应注意：由于游动端不能承受轴向力，当采用不同类型的轴承时，其固定和定位的方式是不同的。

　　第二，支点结构的调整。一是轴向间隙的调整两端单向固定的轴系结构中，两端应留有适量的轴向间隙，可用调整的方法来实现。对可调间隙的向心推力轴承，可通过调整轴承内、外圈的相对位置得到需要的轴承游隙。对不可调间隙的轴承（如向心球轴承），可在装配时通过调整，使固定端盖与轴承外圈端面间留有适量的间隙，以容许轴系的热伸长。用于固定的轴承端盖分为嵌入式及外装式（法兰式）两种。二是轴系位置的调整，有些轴系的轴向位置需要调整，例如，锥齿轮传动要求两锥齿轮的顶点重合，这就需要大小锥齿轮无法调整其轴向位置。锥齿轮通常是悬臂安装，故常将整个轴系安装于一个套杯内而形成一个独立组件。为调整其轴向位置，应在轴承端盖处及套杯凸缘处分别加装垫片，通过增、减垫片来调整轴承间隙及轴系的轴向位置，从而使两个锥齿轮获得准确的啮合位置。同样，在蜗杆传动中，蜗轮主平面必须通过蜗杆轴线才能保证传动的正确啮合，设计中应使蜗轮轴系的轴向位置可调整，为此，应在轴承端盖与箱体间加装垫片，通过调整垫片厚度来调整蜗轮的轴向位置，从而保证传动的正确啮合。三是轴承的预紧。对于某些可调游隙的轴承——一般为成对并列安装（正装或反装）的向心角接触轴承，为了提高轴系的运转精度和轴承的刚度需要预紧。轴承的预紧可采用一个金属隔离环，或通过在轴承内、外圈之间加不等厚的调整环的办法来实现。

　　第三，滚动轴承的润滑和密封。当齿轮采用油润滑，而滚动轴承采用脂润滑，应在齿轮和轴承之时间安装挡油环，以防止齿轮油冲入轴承将润滑脂冲掉，或使其变质失效。这可通过在轴外伸端的端盖轴孔内应装置密封件实现，其中端盖通孔直径一般较轴径大1mm。

　　轴系结构设计的可靠性对整个设备的运行及可靠性起着至关重要的作用，轴系结构设计的重点是结构设计，下一步应加上强度设计，为了保证其有足够的工作能力，必要时还要做刚度计算、振动稳定性计算等。