傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)方法與步驟探討

阮旭艷，白海霞，鄧 瑾，周 雯

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.麗江師范高等?？茖W(xué)校旅游與經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，云南 麗江 674199)

0 引 言

傳動(dòng)軸是機(jī)器的重要組成部分，機(jī)器能否順利運(yùn)行取決于傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)的合理性。軸支撐著軸上其它轉(zhuǎn)動(dòng)件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩使物料運(yùn)動(dòng)，同時(shí)軸還需通過軸承與機(jī)架聯(lián)接起來，裝在軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)件圍繞軸心線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)以軸為基準(zhǔn)的組合，即傳動(dòng)軸，如圖1所示。

通常情況，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)步驟為：1)根據(jù)實(shí)際使用要求做初步方案并確定機(jī)械傳動(dòng)方案，草擬軸上零部件的布置和裝配方式；2)根據(jù)實(shí)際傳動(dòng)功率及扭矩，選取材料并計(jì)算軸的尺寸，最后選擇合適材料并初步校核軸的直徑；3)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入需求進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算并校核鍵的聯(lián)接強(qiáng)度；4)驗(yàn)算軸承承載能力，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改設(shè)計(jì)方案；5)根據(jù)計(jì)算校核結(jié)果，初步繪制軸的結(jié)構(gòu)圖。

1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能減小軸上應(yīng)力集中，使整根軸受力合理，有良好的工藝性，使軸上零件定位可靠，裝拆方便，并且不影響機(jī)器使用過程中的零部件更換。由于影響軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素很多，所以在設(shè)計(jì)軸時(shí)沒有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模式，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的軸結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)人員必須以設(shè)計(jì)輸入為切入口，具體情況具體分析，以下以托盤碼分機(jī)的傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)為例作簡(jiǎn)單介紹。

1.1 軸上零件的軸向固定方法

在設(shè)計(jì)軸時(shí)，軸上零件的固定方式有很多種，常用的軸向固定方式有：軸肩，軸環(huán)，軸伸，套筒，軸端擋圈，彈性擋圈，緊定螺釘?shù)?，如圖2所示(軸上零件軸向固定結(jié)構(gòu)圖)。

軸肩、軸環(huán)、軸伸固定方式的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位可靠，可承受較大的軸向力。一般用于鏈輪、齒輪、帶輪、聯(lián)軸器和軸承等零部件的固定，如圖2所示。

圖2 軸向零件軸向固定結(jié)構(gòu)Fig.2 Axial fixed structure diagram of axial parts

套筒固定方式的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位可靠，而且軸上不需要開槽、鉆孔等，可切制螺紋，因此不影響軸的疲勞強(qiáng)度。其缺點(diǎn)為：套筒固定方式不適用于軸轉(zhuǎn)速很高的場(chǎng)合使用。

軸端擋圈固定方式的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：適用于固定軸端零件，只需在擋圈與軸上用螺栓連接即可，這種固定方式加工及安裝方便，并且可承受劇烈振動(dòng)和沖擊載荷，常常應(yīng)用在設(shè)計(jì)中。

彈性擋圈固定方式的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，裝拆方便有利于維修和更換。其缺點(diǎn)為：彈性擋圈固定方式只能承受很小的軸向力，一般適用于滾動(dòng)軸承軸向定位。

分析反思：一個(gè)偶然，就是一個(gè)教育契機(jī)。拯救沙包的這個(gè)過程耗時(shí)很長(zhǎng)，但是孩子們從頭到尾都很投入，沒有人因?yàn)橥恫坏蕉艞墸矝]有小朋友被其他事物吸引。

緊定螺釘固定方式，一般適用于軸向力很小，并且轉(zhuǎn)速很低或僅需防止零件偶然沿軸向滑動(dòng)的情況，如低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合軸上鏈輪可用此方式固定。

1.2 軸上零件的周向固定方法

軸上零件的周向固定方法常用的有：平鍵、楔鍵、切向鍵、花鍵等，設(shè)計(jì)過程中最常用的為平鍵，因?yàn)橹圃旌?jiǎn)單、裝拆方便，并且對(duì)中性很好。一般設(shè)計(jì)時(shí)常將平鍵固定方式用于高精度、高轉(zhuǎn)速及受沖擊或變載荷作用下的固定連接，也可用于要求不高的導(dǎo)向聯(lián)接中。例如，托盤碼分機(jī)中傳動(dòng)軸鏈輪與軸的周向固定方式即采用平鍵方式固定，如圖3所示。

圖3 軸向零件周向固定結(jié)構(gòu)Fig.3 Circumferential fixed structure diagram of axial parts

1.3 采用合理工藝結(jié)構(gòu)措施提高軸的疲勞強(qiáng)度

在機(jī)器使用過程中，傳動(dòng)軸是最易出故障和問題的部分，軸承、電機(jī)、鏈輪、軸等都會(huì)不同程度磨損和破壞，而軸的破壞多數(shù)屬于疲勞破壞。在軸的截面連接變化處，即軸的直徑增加或減小處(如軸肩、鍵槽、環(huán)槽等)通常會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，軸的疲勞破壞點(diǎn)頻繁在此產(chǎn)生。所以設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該避免軸上應(yīng)力集中點(diǎn)的產(chǎn)生。降低軸上應(yīng)力集中有很多種方法，在這里僅介紹3種常用方法：加大圓角半徑，減小直徑差，鍵槽底部加圓角，如圖4所示。

圖4 降低應(yīng)力集中示意圖Fig.4 Schematic diagram of reducing stress concentration

1)加大圓角半徑，圓角半徑一般取值范圍為：r/d﹥0.1；2)減小直徑差，軸相鄰兩段一般取值范圍為：D/d﹤1.15～1.2，如圖4主視圖所示；3)軸上鍵槽底部加圓角，如圖4左視圖所示。

2 托盤碼分機(jī)能力計(jì)算和電機(jī)功率計(jì)算

托盤碼分機(jī)功能為自動(dòng)化物流輸送線上對(duì)單個(gè)托盤進(jìn)行碼垛成托盤組或?qū)⑼斜P組分發(fā)為單個(gè)托盤的設(shè)備。設(shè)設(shè)計(jì)輸入為：?jiǎn)蝹€(gè)托盤尺寸：1 200 mm×1 000 mm×150 mm，50 kg/個(gè)；10個(gè)/組，托盤組最大質(zhì)量為：500 kg，機(jī)體升降部分質(zhì)量約100 kg，總提升質(zhì)量為600 kg。初步方案中設(shè)定主動(dòng)鏈輪與傳動(dòng)軸上的2個(gè)鏈輪大小一樣，即齒數(shù)相同、節(jié)距等參數(shù)均相等。

2.1 主動(dòng)鏈輪的確定

托盤組按10個(gè)/組，則托盤組最大質(zhì)量為500 kg，機(jī)體升降部分質(zhì)重約100 kg?？偵蒂|(zhì)量為 600 kg。根據(jù)總升降質(zhì)量，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，初步確定鏈輪節(jié)距為12A，選用齒數(shù)為19齒，節(jié)圓直徑為：115.74 mm。

2.2 升降體完成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)需要的距離

設(shè)定機(jī)體上的托盤與輸入(或輸出)的托盤之間間隔為45 mm，由升降體結(jié)構(gòu)決定升降體需要下降70 mm到低位：升降體單向行程為70+150+45+110=375 mm。升降體完成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)需要升降的距離為375×2=750 mm。升降體完成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)時(shí)，主動(dòng)鏈輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為750/115.74 π≈2.063圈。

2.3 托盤碼分機(jī)碼分能力的計(jì)算

進(jìn)托盤時(shí)間為6.5 s(本計(jì)算過程省略)，設(shè)定每分鐘碼分4個(gè)托盤，則進(jìn)托盤的時(shí)間為4×6.5=26 s。完成1個(gè)托盤碼垛(或分發(fā))的時(shí)間為(60-26)/4=8.5 s。

2.4 減速電機(jī)的選定

電機(jī)功率為P=m×g×v/1 000×η=600×10×0.088 2/(1 000×0.9×0.9×0.8×0.8)≈1.02 kW。選取電機(jī)功率為1.1 kW，扭矩的確定升降總質(zhì)量為600 kg，主動(dòng)鏈輪節(jié)圓直徑為115.74 mm，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，所需扭矩為：600×10×(115.74/2)×0.001≈347.2 N·m；

轉(zhuǎn)速的確定：完成一個(gè)托盤碼垛(或分發(fā))的時(shí)間為8.5 s，每分鐘碼垛(或分發(fā))4個(gè)托盤，碼垛(或分發(fā))一個(gè)托盤時(shí)主動(dòng)鏈輪所需要轉(zhuǎn)動(dòng)2.063圈，則主動(dòng)鏈輪每分鐘轉(zhuǎn)速為2.063/(8.5/60)=14.56 r/min。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果減速電機(jī)扭矩為347.2 N·m,轉(zhuǎn)速為14.56 r/min，電機(jī)功率為1.1 kW，由此可基本確定減速電機(jī)型號(hào)為R67DT90S4/BMG/HF/M1。

3 軸的強(qiáng)度、剛度計(jì)算

托盤碼分機(jī)工作流程為：減速電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)軸上的鏈輪帶動(dòng)左右升降機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，配合升降機(jī)構(gòu)上的撥叉裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)空托盤的碼垛和分發(fā)。在工作過程中，該傳動(dòng)軸主要承受左右鏈條拉力和軸自身重力，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速較小，傳動(dòng)軸受力簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)軸受力簡(jiǎn)圖Fig.5 Force diagram of transmission shaft

3.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算

在軸的設(shè)計(jì)過程中，軸的強(qiáng)度計(jì)算一般分為3個(gè)步驟：1)按軸所受轉(zhuǎn)矩估算軸的直徑；2)按軸所承受彎矩合成力矩近似計(jì)算；3)精確計(jì)算。當(dāng)設(shè)計(jì)輸入確定時(shí)，則初步方案設(shè)計(jì)中軸的支承位置和軸所受載荷大小、方向、 作用點(diǎn)及載荷種類均已確定，這時(shí)，不論設(shè)計(jì)人員采用何種結(jié)構(gòu)形式，軸的強(qiáng)度計(jì)算都可按轉(zhuǎn)矩估算法估算軸的直徑，在強(qiáng)度計(jì)算出來后再確定軸的結(jié)構(gòu)形式及軸上零部件的固定方式。

3.2 軸的剛度計(jì)算

3.3 驗(yàn)算軸承并根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際使用要求制訂整機(jī)設(shè)備的初步方案，以確定軸承的支撐位置及支撐點(diǎn)的布置情況，根據(jù)實(shí)際使用要求給出物料的大小、形狀、質(zhì)量以驗(yàn)算方案中所選軸承的可靠性，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果修改設(shè)計(jì)方案，使傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)最優(yōu)化，軸承驗(yàn)算及結(jié)果修改設(shè)計(jì)方案本文不再贅述。

4 繪制軸的工作結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)人員在軸結(jié)構(gòu)圖繪制過程中，需考慮軸的加工工藝性和裝配工藝性。軸的設(shè)計(jì)盡可能保障加工方便和裝配方便(圖6)。另外，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于加工、測(cè)量、裝配和維修，如圖7所示。設(shè)計(jì)繪制時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：

1) 考慮加工工藝所必須的結(jié)構(gòu)要素，如中心孔、螺尾退刀槽等的設(shè)計(jì)合理性；

2) 合理確定軸與軸上零部件的配合方式，如加工精度和表面粗糙度；

3) 軸的配合直徑應(yīng)按國(guó)標(biāo)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值；

4) 為減少加工刀具種類和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，軸上的倒角、圓角、鍵槽等應(yīng)盡可能取相同尺寸。

為保證零件緊靠定位面，應(yīng)使r

圖6 傳動(dòng)軸加工和裝配工藝圖Fig.6 Processing and assembly process diagram of transmission shaft

圖7 托盤碼分機(jī)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of transmission shaft of pallet code extension

5 結(jié) 語

傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)是機(jī)器設(shè)計(jì)的核心，在設(shè)計(jì)過程中不能馬虎大意，必須嚴(yán)格按照軸設(shè)計(jì)方法一步步設(shè)計(jì)并驗(yàn)算。設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器的前提是有確定的設(shè)計(jì)輸入，依據(jù)設(shè)計(jì)輸入做機(jī)器設(shè)計(jì)方案，從而初步確定傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)方案，根據(jù)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)方案細(xì)化軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度和剛度計(jì)算、軸承驗(yàn)算、繪制軸的結(jié)構(gòu)圖等，如本文所述托盤碼分機(jī)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)方法和步驟。在方案的制訂過程中，為了滿足產(chǎn)品使用要求，設(shè)計(jì)輸入是必備條件，設(shè)計(jì)理論是設(shè)計(jì)基石，但設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累也非常重要，在初步確定軸徑和結(jié)構(gòu)后，還需對(duì)軸的安全系數(shù)進(jìn)行校核，一般情況下軸的理論計(jì)算直徑放大1.2～1.5倍。另外，在設(shè)計(jì)過程中，正確處理理論設(shè)計(jì)與實(shí)際使用的關(guān)系也非常重要，在保障軸的強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，還要兼顧考慮其加工、安裝工藝性及加工成本，設(shè)計(jì)出既能滿足使用要求又經(jīng)濟(jì)美觀的機(jī)器傳動(dòng)軸，在滿足軸的設(shè)計(jì)條件下簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟，提高設(shè)計(jì)效率。