机械设计中轴系的结构方案设计研究

摘要：对于机械设备而言，轴是一个极为关键的部件。轴不但发挥着支撑轴上零件的功能，还负责运动和动力的传递，是机械设备工作能力以及工作质量的重要保障。文章针对机械设计中轴系的结构方案设计展开研究，并结合实例进行探讨，旨在促进机械产品设计水平的进一步提高。

关键词：机械设计；轴系结构；功能元

中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）15-0024-02

轴系的结构方案设计和机器的整体质量息息相关，一旦发生轴失效，将导致严重后果。轴系的结构方案设计和一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。机器可被视作一个大系统，在这个系统中，各种零件按照某种关系组合在一起，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。在每一类功能元中，又可根据功能特性的差异而做进一步的细分。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。

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，其决定性能的因素主要有两个：一是刚度，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。结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，轴承装置是一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，表现出了一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，为避免这一问题，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。各轴段直接取决于轴上载荷的大小，一般根据轴所承受的扭矩对轴直径进行初步估算。将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一确定，同时注意以下四点：（1）对于那些存在配合要求的轴段，尽可能采用标准直径；（2）便于装拆，同时降低配合表面擦伤几率，在配合轴段前一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。为了进一步加强轴的承载力，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：

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一定强度的冲击力，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。随着研究的进一步深入，发现该系统在通用性方面还存在一定的不足，另外，系统的智能化方向将成为日后工作的一个重点。

参考文献

[1]王海涛，李初晔.基于力学分析的主轴轴系结构优化设计[J].制造技术与机床，2011，（7）.

[2]肖文刚，何志华，董青海.碳纤维复合材料传动轴设计与制造技术研究[J].玻璃钢/复合材料，2012，（S1）.

[3]竺芳.机械设计中轴系结构主要功能元的特征属性研究[J].科技信息，2010，（33）.

[4]何泽军.机械设计中轴系结构方案的设计与研究[J].长春理工大学学报，2010，（9）.

[5]赵靖超，聂国林，姚新改，轧刚.基于弹塑性理论提高转矩轴设计失效转矩精度[J].机械传动，2013，（3）.

[6]李纯洁，洪军，张进华，朱永生，黄东洋，张秀华，王煜.角接触球轴承动刚度的实验研究[J].西安交通大学学报，2013，（7）.

[7]黄娟姬.关于机械设计中轴系的结构方案优化设计[J].才智，2012，（18）.