(中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院 天津 300300)

基于可調(diào)軸距多軸器的設(shè)計(jì)研究

程彬彬

(中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院天津300300)

為了減少中小機(jī)械企業(yè)在生產(chǎn)多孔零件中的資金投入，進(jìn)行了多軸器的設(shè)計(jì)研究。本文針對(duì)多軸器設(shè)計(jì)過程中的惰輪的布置和萬向聯(lián)軸器設(shè)計(jì)與校核兩個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行分析，可為后來多軸器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

多軸器;設(shè)計(jì);惰輪;萬向聯(lián)軸器

引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛，產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率需不斷提升。在這種趨勢(shì)下，促使產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，它更新?lián)Q代的速度是各大企業(yè)從大規(guī)模生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向多品種小批量生產(chǎn)的傳統(tǒng)方向。在耗時(shí)少，高品質(zhì)，低成本，保護(hù)環(huán)境等為主題的背景下，要想獲得廣大市場(chǎng)，就必須提高企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)要素。而較低的投資成本和較高的用戶滿意度無疑是取得勝利的重要一環(huán)。

多軸器與普通鉆床結(jié)合,可對(duì)零件的多個(gè)孔同時(shí)進(jìn)行加工，同樣地能完成擴(kuò)、鉸孔和攻絲等工序。特別是對(duì)于中小型企業(yè)，可在普通鉆床的主軸上安裝多軸器,從而將普通鉆床改裝成多軸鉆床。如此便減少了企業(yè)資金的投入，而且極大地縮短了生產(chǎn)多孔零件所需時(shí)間，還提高了加工精度。因此多軸器具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性。

一、多軸器工作原理

柔性多軸器是利用萬向聯(lián)軸器可傳遞不同軸線上的運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使工作軸與其連接，從而實(shí)現(xiàn)軸距可調(diào)的功能。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)軸，且在主動(dòng)軸上安裝主動(dòng)輪，主動(dòng)輪通過惰輪與工作輪嚙合傳動(dòng)，因而完成主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)多周期中的其他軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，工作輪軸與萬向節(jié)聯(lián)接，再由擺臂組件固定鉆軸位置，從而對(duì)多樣多孔零件進(jìn)行加工。

二、惰輪軸的布置

為保持主動(dòng)軸與工作軸旋轉(zhuǎn)方向一樣，需要在工作輪與主動(dòng)輪之間布置惰輪，由于有關(guān)各齒輪的相互作用，導(dǎo)致各軸受力情況發(fā)生變化。這些變化對(duì)軸承壽命、多軸器性能有很大影響。因此，進(jìn)行如下內(nèi)容設(shè)計(jì)：

如圖1所示，當(dāng)主動(dòng)輪1為主動(dòng)軸上的齒輪時(shí)，惰輪2和3對(duì)稱分布在主動(dòng)輪1的同一中心線上，則主動(dòng)輪1所在軸受力情況符合預(yù)期要求(PN2=PN3時(shí)，PL2=0)。

圖1 惰輪布置與各軸受力情況

三、萬向聯(lián)軸器設(shè)計(jì)

萬向聯(lián)軸器可傳遞較大角向偏移，不同軸線的運(yùn)動(dòng)，軸夾角最大可以達(dá)到30°至45°，傳遞運(yùn)動(dòng)或力的過程中，其夾角可以不斷變化。由于萬向聯(lián)軸器在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，其的類型多樣，此次選用的是十字軸式萬向式聯(lián)軸器。

為了消除單十字軸式萬向聯(lián)軸器輸出軸角速度的周期性波動(dòng)，可采用如圖2所示的雙十字軸式萬向聯(lián)軸器，它是通過一根中間軸將兩個(gè)單十字軸式萬向聯(lián)軸器串聯(lián)而成。

圖2 雙十字軸式萬向式聯(lián)軸器布置

在此次設(shè)計(jì)中，將工作軸與萬向聯(lián)軸器連接，則工作軸為輸出軸，設(shè)其傳遞轉(zhuǎn)矩為12.18N·m，由相關(guān)表格查得16mmD20mm，但十字軸軸叉因?yàn)檫x配標(biāo)準(zhǔn)中中間軸較短，與此次設(shè)計(jì)中的軸叉長(zhǎng)度不相吻合?？紤]到其強(qiáng)度要求，故根據(jù)相關(guān)知識(shí)增加軸頸至D=22mm，L=30mm，為配合動(dòng)力座整體尺寸，設(shè)計(jì)中間軸長(zhǎng)度為264mm。

四、十字軸萬向聯(lián)軸器的校核

這種聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是對(duì)十字軸、軸叉接頭及中間軸等的承載能力進(jìn)行校核[1]。

(1)十字軸的校核

軸頸在軸肩處有時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲斷裂或者是彎曲疲勞斷裂，這是十字軸的主要失效形式。當(dāng)載荷平穩(wěn)時(shí)，按圖3十字軸的典型結(jié)構(gòu)中的幾何參數(shù)符號(hào)，軸徑處彎曲強(qiáng)度的條件式為：

R、s——分別為軸頸長(zhǎng)度中點(diǎn)到十字軸中心和軸肩的距離，mm。

圖3 十字軸的典型結(jié)構(gòu)

=124.34MPa

查相關(guān)資料得：材料40Cr的屈服極限σS=785MPa，

則：[σF]=σS/4=785/4=196.25MPa，

σF=124.34MPa≤[σF]=196.25MPa

所以十字軸校核合格。

(2)軸叉的強(qiáng)度校核

工作時(shí)十字軸支承處的作用力使軸叉承受彎矩和剪力作用，危險(xiǎn)截面大致在與軸叉中心線成45°的軸叉體處，該截面上的彎曲應(yīng)力σF和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τT分別為：

式中T2——為輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；

c、a——軸叉孔的力作用點(diǎn)分別至危險(xiǎn)截面及其對(duì)稱中心的距離，mm；

η、α——分別為十字軸式萬向聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率和軸夾角，(°)。

W、WT——危險(xiǎn)截面的抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)，mm3。

矩形截面W=bh2/6、WT=KThb2、KT=0.21～0.31,h/b小時(shí)取小值。

式中b、h——矩形的短邊、長(zhǎng)邊長(zhǎng)。(mm)；

軸叉受到彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用，按第四強(qiáng)度理論，可得到合成彎曲強(qiáng)度條件為：

鋼制軸叉[σF]=80～120MPa。

有公式(3-50)可得：

=41.5MPa

=24.7MPa

=59.63MPa<[σF]

所以軸叉強(qiáng)度校核合格。

(3)中間軸強(qiáng)度校核

中間軸以傳遞轉(zhuǎn)矩為主，一般可按式(3-54)校核其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

τT=16TC/πD3[1-(d/D)4]≤[τT](MPa)

式中d、D——中間軸的內(nèi)、外直徑，(mm)；

[τT]——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力可按載荷性質(zhì)由行業(yè)提供的表格查取。

τT=16TC/πD3[1-(d/D)4]

=15.15MPa

[τT]按靜載荷計(jì)算：[τT]=(0.14～0.15)(σb+σS)

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

所以中間軸強(qiáng)度校核合格。

五、結(jié)論

在普通鉆床的主軸上安裝多軸器,從而將普通鉆床改裝成多軸鉆床，對(duì)于中小批量多孔零件的加工，提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了提升。因此作為鉆孔用的設(shè)備來說，多軸器的使用仍然可以達(dá)到投資又少、收益卻很豐厚的效果。

[1]阮忠唐.聯(lián)軸器、離合器設(shè)計(jì)與選用指南.化學(xué)工業(yè)出版社，2006.2.

[2]駱?biāo)鼐?，朱詩?機(jī)械課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社，2006.8.

[3]第一汽車制造廠工藝裝備設(shè)計(jì)室編.齒輪傳動(dòng)多軸頭設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]陳榕林，張磊.巧改機(jī)床.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1985.

程彬彬(1989—)，男，漢族，河南人，在讀碩士，中國(guó)民航大學(xué)，研究方向助航燈光清洗技術(shù)。