机械设计轴系结构设计思索

王云龙

机械产品的性能如何使用、维护和制造性能在很大程度上取决于设计过程。在机械设备的制造中，轴系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。轴系一旦失效，有可能造成严重后果,因此轴系的设计非常重要，其设计它不仅包含结构设计，还包含了强度设计。为了轴上零件能够准确定位并且要符合轴加工和装配要求，必须合理设计出轴各个部分结构尺寸，还要有轴的强度设计。

轴系是机械产品的重要组成部分，其功能主要是实现运动形式、运动及动力参数的转变。机械传动系统的设计是机械产品概念设计过程中的一个重要环节，也是决定机械产品创新性和性能的重要阶段。在过去的二十年里，轴系概念设计的自动化成为了国内外众多学者和专家的研究热点之一。

1 轴系主要功能元的特征属性

轴系是机器中最为广泛应用的部件之一，轴系设计质量的好坏直接影响到机器是否为正常工作状态。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。

常见的轴有直轴和曲轴。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，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，并考虑轴系的固定、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。

2 轴系的结构设计

轴系的设计，以轴上零件的拆装是否方便、定位是否准确固定是否牢靠来衡量轴结构设计的好坏。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再选择最优的方案。轴的结构主要取决于：轴在机器中的安装位置及形式，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。

（1）拟定轴上零件的装配方案。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，它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。

（2）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。②零件的周向定位。轴上零件的周向定位用于周向定位常用的定位零件有销、键、花键、过盈配合以及一些紧定螺钉等，主要目的是为了防止轴上零件与轴发生相对转动。

（3）各轴段直径和长度的确定。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最小直径编，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；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。

（4）轴结构的工艺性。轴结构的工艺性是指轴的结构要尽量简单，减少劳动量，提高劳动生产率。轴结构要有良好的加工和装配工艺性，以提高轴的疲劳强度。

（5）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，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。

3 轴系设计的具体实例分析

轴承支点结构的设计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：

（1）支点结构设计。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，二是一端固定，一端游动。当采用不同类型的轴承时，其固定和定位的方式是不同的。

（2）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。二是轴系位置的调整，有些轴系的轴向位置需要调整。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。

（3）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。

4 结语

轴系结构设计的可靠性对整个设备的运行起着至关重要的作用，轴系结构设计主要就是轴的结构设计，为了保证轴系拥有足够的工作能力，还要进行轴系的强度设计，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。轴系结构方案设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的，可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。在方案设计的过程中，需要运用各方面的知识和技能。

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