基于可调轴距多轴器的设计研究

(中国民航大学航空工程学院 天津 300300)

基于可调轴距多轴器的设计研究

程彬彬

(中国民航大学航空工程学院天津300300)

为了减少中小机械企业在生产多孔零件中的资金投入，进行了多轴器的设计研究。本文针对多轴器设计过程中的惰轮的布置和万向联轴器设计与校核两个关键部分进行分析，可为后来多轴器的设计及应用提供经验和数据。

多轴器;设计;惰轮;万向联轴器

引言

随着工业现代化的飞速发展和经济的迅速腾飞，产品质量和加工效率需不断提升。在这种趋势下，促使产品更新换代越来越快，它更新换代的速度是各大企业从大规模生产模式转向多品种小批量生产的传统方向。在耗时少，高品质，低成本，保护环境等为主题的背景下，要想获得广大市场，就必须提高企业自身的竞争要素。而较低的投资成本和较高的用户满意度无疑是取得胜利的重要一环。

多轴器与普通钻床结合,可对零件的多个孔同时进行加工，同样地能完成扩、铰孔和攻丝等工序。特别是对于中小型企业，可在普通钻床的主轴上安装多轴器,从而将普通钻床改装成多轴钻床。如此便减少了企业资金的投入，而且极大地缩短了生产多孔零件所需时间，还提高了加工精度。因此多轴器具有很强的经济适用性。

一、多轴器工作原理

柔性多轴器是利用万向联轴器可传递不同轴线上的运动的特点，使工作轴与其连接，从而实现轴距可调的功能。在齿轮传动系统中，传动轴带动主动轴，且在主动轴上安装主动轮，主动轮通过惰轮与工作轮啮合传动，因而完成主轴旋转带动多周期中的其他轴转动。此外，工作轮轴与万向节联接，再由摆臂组件固定钻轴位置，从而对多样多孔零件进行加工。

二、惰轮轴的布置

为保持主动轴与工作轴旋转方向一样，需要在工作轮与主动轮之间布置惰轮，由于有关各齿轮的相互作用，导致各轴受力情况发生变化。这些变化对轴承寿命、多轴器性能有很大影响。因此，进行如下内容设计：

如图1所示，当主动轮1为主动轴上的齿轮时，惰轮2和3对称分布在主动轮1的同一中心线上，则主动轮1所在轴受力情况符合预期要求(PN2=PN3时，PL2=0)。

图1 惰轮布置与各轴受力情况

三、万向联轴器设计

万向联轴器可传递较大角向偏移，不同轴线的运动，轴夹角最大可以达到30°至45°，传递运动或力的过程中，其夹角可以不断变化。由于万向联轴器在生产中的广泛应用，其的类型多样，此次选用的是十字轴式万向式联轴器。

为了消除单十字轴式万向联轴器输出轴角速度的周期性波动，可采用如图2所示的双十字轴式万向联轴器，它是通过一根中间轴将两个单十字轴式万向联轴器串联而成。

图2 双十字轴式万向式联轴器布置

在此次设计中，将工作轴与万向联轴器连接，则工作轴为输出轴，设其传递转矩为12.18N·m，由相关表格查得16mmD20mm，但十字轴轴叉因为选配标准中中间轴较短，与此次设计中的轴叉长度不相吻合。考虑到其强度要求，故根据相关知识增加轴颈至D=22mm，L=30mm，为配合动力座整体尺寸，设计中间轴长度为264mm。

四、十字轴万向联轴器的校核

这种联轴器的设计计算主要是对十字轴、轴叉接头及中间轴等的承载能力进行校核[1]。

(1)十字轴的校核

轴颈在轴肩处有时会发生弯曲断裂或者是弯曲疲劳断裂，这是十字轴的主要失效形式。当载荷平稳时，按图3十字轴的典型结构中的几何参数符号，轴径处弯曲强度的条件式为：

R、s——分别为轴颈长度中点到十字轴中心和轴肩的距离，mm。

图3 十字轴的典型结构

=124.34MPa

查相关资料得：材料40Cr的屈服极限σS=785MPa，

则：[σF]=σS/4=785/4=196.25MPa，

σF=124.34MPa≤[σF]=196.25MPa

所以十字轴校核合格。

(2)轴叉的强度校核

工作时十字轴支承处的作用力使轴叉承受弯矩和剪力作用，危险截面大致在与轴叉中心线成45°的轴叉体处，该截面上的弯曲应力σF和扭转剪应力τT分别为：

式中T2——为输出轴上的负载转矩，N·m；

c、a——轴叉孔的力作用点分别至危险截面及其对称中心的距离，mm；

η、α——分别为十字轴式万向联轴器的传动效率和轴夹角，(°)。

W、WT——危险截面的抗弯截面系数和抗扭截面系数，mm3。

矩形截面W=bh2/6、WT=KThb2、KT=0.21～0.31,h/b小时取小值。

式中b、h——矩形的短边、长边长。(mm)；

轴叉受到弯曲和扭转的复合作用，按第四强度理论，可得到合成弯曲强度条件为：

钢制轴叉[σF]=80～120MPa。

有公式(3-50)可得：

=41.5MPa

=24.7MPa

=59.63MPa<[σF]

所以轴叉强度校核合格。

(3)中间轴强度校核

中间轴以传递转矩为主，一般可按式(3-54)校核其扭转强度。

τT=16TC/πD3[1-(d/D)4]≤[τT](MPa)

式中d、D——中间轴的内、外直径，(mm)；

[τT]——许用扭转剪应力可按载荷性质由行业提供的表格查取。

τT=16TC/πD3[1-(d/D)4]

=15.15MPa

[τT]按静载荷计算：[τT]=(0.14～0.15)(σb+σS)

[τT]=(0.14～0.15)(980+785)=247.1～264.75MPa

所以中间轴强度校核合格。

五、结论

在普通钻床的主轴上安装多轴器,从而将普通钻床改装成多轴钻床，对于中小批量多孔零件的加工，提高了生产效率，产品质量也得到了提升。因此作为钻孔用的设备来说，多轴器的使用仍然可以达到投资又少、收益却很丰厚的效果。

[1]阮忠唐.联轴器、离合器设计与选用指南.化学工业出版社，2006.2.

[2]骆素君，朱诗顺.机械课程设计简明手册.化学工业出版社，2006.8.

[3]第一汽车制造厂工艺装备设计室编.齿轮传动多轴头设计.机械工业出版社，2001.

[4]陈榕林，张磊.巧改机床.中国农业机械出版社，1985.

程彬彬(1989—)，男，汉族，河南人，在读硕士，中国民航大学，研究方向助航灯光清洗技术。