浮动万向轴的设计

吉林农业科技学院机械工程学院 孙晓雪

1 浮动万向轴的设计应用前景及特点

采用万向联轴器与弹簧结合可提高工作效率，用途非常广泛，主要可将其用于电器设备（电风扇、监控摄像头、电刷、小型磨光机等）清洁工具（扫帚、拖布等）只要是产品在工作时遇到无法处理的死角问题都可以在产品上加上此设计装置。此装置用途广泛，针对性强，在许多场景下都可以使用。而当下时代万向浮动装置非常少，采用万向浮动可以尽可能地减少机器的工作时间，提高工作效率。现有浮动机构主要是弹簧、滚珠以及弹簧和滚珠结合。滚珠的弊端是浮动机构的整体稳定性较低，浮动程度不易控制。弹簧在外力的作用下发生弹性形变，外力撤回，恢复原位[1]，在机构中弹簧由于形变不易控制，外力大小无法确定，导致弹簧在浮动机构中无法实现精确控制。而本设计在浮动的基础上还有万向功能，能够在更多的场景发挥其作用，对于未来的节能起到很大的作用，将万向联轴器与弹簧结合起来，实现万向浮动，具有浮动稳定、结构简单的特点。

现有浮动机构主要是弹簧、滚珠或弹簧和滚珠结合。滚珠的弊端是浮动机构的整体稳定性较低，浮动程度不易控制。弹簧在外力的作用下发生弹性形变，外力撤回恢复原位[2]，在机构中弹簧由于形变不易控制，外力大小无法确定，无法根据操作者施加力的大小，达到极优的浮动。在设计浮动万向轴时，首先要进行弹簧的初步计算及对标准件弹簧的选择，根据轴的大小选择合适的万向节，对万向节进行改进，对万向节上下左右移动的距离稍作优化，将其摆动的幅度增大，最后将万向节与合适的弹簧相结合构成万向浮动轴。

2 浮动万向轴在作用点和连接杆间的作用

万向浮动轴一端连接作用部分一端连接支撑杆部分，在产品中起到一个可以浮动和方向转动作用，在作用部位工作时起到上下左右浮动的作用，左右浮动的程度小，上下浮动程度大，操作者在给产品施加力度时，产品在万向浮动轴的作用下，根据操作者力的大小，接触面凹凸程度的不同，产品可以很好的与墙面接触，提高接触程度，随时进行方位调整，提高清理工具的洁净程度，更快、更好地完成工作量。

3 弹簧的选择

弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、弹簧减震性、弹簧方位使用程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理条件和经济性等因素[3]，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢丝是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，弹簧主要是靠弹力来工作的机械零件，主要原理是材料在受力的条件下，发生弹性形变，撤回外力，材料恢复到原来的状态。每件材料所含成分的不同，强度及塑性的不同，在弹性形变时，形变的程度也会不同。拉伸弹簧是受外力的条件下，使之拉长，外力撤回，恢复到原状态。此设计考虑到小型刚性十字万向联轴器的结构因素，采用拉伸弹簧，如采用压缩弹簧，该设计浮动稳定性降低。WXD小型十字万向联轴器侧面采用18～22厘米的弹簧，万向节成90度时在一端的下部与另一端上部采用12～15厘米的弹簧，弹簧主要以刚性材料为主，刚性弹簧弹力大，弹簧屈服极限强。此设计要采用弹簧延伸率较高的弹簧，故选用线材刚性模数非常高的琴钢丝，两端不磨平的带钩拉伸弹簧。

4 联轴器的选择

主要考虑所需传递轴转速的高低、载荷的大小、被联接两部件的安装精度、回转的平稳性等[9]。适用于联接空间同一平面上两轴线夹角小于等于45度的传动场合传递公称转矩。此设计主要运用于轻便型产品，故只能采用塑料或合成材料，以此来降低产品的总重量，使其轻便，降低产品使用时的笨重感。

5 万向节与弹簧的结合及结构设计

万向节两端成90度时，在两端最近的地方加一弹簧使之连接，使两头上下浮动的力度得到控制，在万向节侧面也加上弹簧，使之左右浮动力度得到控制，由于万向节的上下浮动力度大，不可能光靠一个弹簧来把握其浮动力度，故在万向节成90度时，在其旋转的的背部及拱部加上键，使之上下浮动度控制在0度到110度。

万向节两端采用轴套设计加上两端长为40mm的杆使之成为轴，在万向节上下浮动时，其上下两端都打孔，采用带钩的拉伸弹簧，连接在万向节连接处另一端的端部，在万向节呈90度连接时使其两端与弹簧连接构成等腰三角形状态，三角形具有稳定性，这样可使弹簧在使用者施加力的同时，得到一个左右浮动的稳定性。另一方面在万向节呈90度时在万向节夹角面上各设置一个螺栓，用压缩弹簧将两端连接，使其旋转的力度得到控制，左右上下浮动的力度都可以得到弹簧的限制[4]。

万向浮动轴的设计使轴有一定的支撑能力，使轴的连接处达到浮动，方向可以旋转。在日新月异的当天，科技发达，产品多元化，广泛应用万向浮动轴，能够更好地节省人力，此万向浮动轴的浮动力度可以很好地得到控制。制作简单，结构简单，原理简单。

[1]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理[M].高等教育出版社,2016.05.

[2]卢彩云,李洪文.小麦免耕播种机浮动支撑式防堵装置[J].2013.12.

[3]庞兴华.机械设计[M].电子工业出版社,2010.10.

[4]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社,2013.10.