阮旭艷，白海霞，鄧 瑾，周 雯

(1.云南交通職業(yè)技術學院交通運輸與物流學院，云南 昆明 650500； 2.麗江師范高等專科學校旅游與經濟管理學院，云南 麗江 674199)

0 引 言

傳動軸是機器的重要組成部分，機器能否順利運行取決于傳動軸設計的合理性。軸支撐著軸上其它轉動件回轉并傳遞轉矩使物料運動，同時軸還需通過軸承與機架聯接起來，裝在軸上的轉動件圍繞軸心線作回轉運動，形成一個以軸為基準的組合，即傳動軸，如圖1所示。

通常情況，傳動軸的設計步驟為：1)根據實際使用要求做初步方案并確定機械傳動方案，草擬軸上零部件的布置和裝配方式；2)根據實際傳動功率及扭矩，選取材料并計算軸的尺寸，最后選擇合適材料并初步校核軸的直徑；3)根據設計輸入需求進行強度、剛度計算并校核鍵的聯接強度；4)驗算軸承承載能力，并根據計算結果修改設計方案；5)根據計算校核結果，初步繪制軸的結構圖。

1 軸的結構設計

在設計軸的結構時，應盡可能減小軸上應力集中，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，并且不影響機器使用過程中的零部件更換。由于影響軸結構設計的因素很多，所以在設計軸時沒有標準的設計模式，也沒有標準的軸結構形式，設計人員必須以設計輸入為切入口，具體情況具體分析，以下以托盤碼分機的傳動軸設計為例作簡單介紹。

1.1 軸上零件的軸向固定方法

在設計軸時，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，緊定螺釘等，如圖2所示(軸上零件軸向固定結構圖)。

軸肩、軸環(huán)、軸伸固定方式的設計優(yōu)點有：結構簡單，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構Fig.2 Axial fixed structure diagram of axial parts

套筒固定方式的設計優(yōu)點有：結構簡單、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度。其缺點為：套筒固定方式不適用于軸轉速很高的場合使用。

軸端擋圈固定方式的設計優(yōu)點有：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和沖擊載荷，常常應用在設計中。

彈性擋圈固定方式的設計優(yōu)點有：結構簡單緊湊，裝拆方便有利于維修和更換。其缺點為：彈性擋圈固定方式只能承受很小的軸向力，一般適用于滾動軸承軸向定位。

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緊定螺釘固定方式，一般適用于軸向力很小，并且轉速很低或僅需防止零件偶然沿軸向滑動的情況，如低轉速場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，設計過程中最常用的為平鍵，因為制造簡單、裝拆方便，并且對中性很好。一般設計時常將平鍵固定方式用于高精度、高轉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向聯接中。例如，托盤碼分機中傳動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構Fig.3 Circumferential fixed structure diagram of axial parts

1.3 采用合理工藝結構措施提高軸的疲勞強度

在機器使用過程中，傳動軸是最易出故障和問題的部分，軸承、電機、鏈輪、軸等都會不同程度磨損和破壞，而軸的破壞多數屬于疲勞破壞。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)通常會產生應力集中，軸的疲勞破壞點頻繁在此產生。所以設計人員在設計軸的結構時，應該避免軸上應力集中點的產生。降低軸上應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 托盤碼分機能力計算和電機功率計算

托盤碼分機功能為自動化物流輸送線上對單個托盤進行碼垛成托盤組或將托盤組分發(fā)為單個托盤的設備。設設計輸入為：單個托盤尺寸：1 200 mm×1 000 mm×150 mm，50 kg/個；10個/組，托盤組最大質量為：500 kg，機體升降部分質量約100 kg，總提升質量為600 kg。初步方案中設定主動鏈輪與傳動軸上的2個鏈輪大小一樣，即齒數相同、節(jié)距等參數均相等。

2.1 主動鏈輪的確定

托盤組按10個/組，則托盤組最大質量為500 kg，機體升降部分質重約100 kg?？偵蒂|量為 600 kg。根據總升降質量，查設計手冊，初步確定鏈輪節(jié)距為12A，選用齒數為19齒，節(jié)圓直徑為：115.74 mm。

2.2 升降體完成一個動作循環(huán)需要的距離

設定機體上的托盤與輸入(或輸出)的托盤之間間隔為45 mm，由升降體結構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。升降體完成一個動作循環(huán)需要升降的距離為375×2=750 mm。升降體完成一個動作循環(huán)時，主動鏈輪需要轉動的圈數為750/115.74 π≈2.063圈。

2.3 托盤碼分機碼分能力的計算

進托盤時間為6.5 s(本計算過程省略)，設定每分鐘碼分4個托盤，則進托盤的時間為4×6.5=26 s。完成1個托盤碼垛(或分發(fā))的時間為(60-26)/4=8.5 s。

2.4 減速電機的選定

電機功率為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。選取電機功率為1.1 kW，扭矩的確定升降總質量為600 kg，主動鏈輪節(jié)圓直徑為115.74 mm，根據具體結構，所需扭矩為：600×10×(115.74/2)×0.001≈347.2 N·m；

轉速的確定：完成一個托盤碼垛(或分發(fā))的時間為8.5 s，每分鐘碼垛(或分發(fā))4個托盤，碼垛(或分發(fā))一個托盤時主動鏈輪所需要轉動2.063圈，則主動鏈輪每分鐘轉速為2.063/(8.5/60)=14.56 r/min。

根據以上計算結果減速電機扭矩為347.2 N·m,轉速為14.56 r/min，電機功率為1.1 kW，由此可基本確定減速電機型號為R67DT90S4/BMG/HF/M1。

3 軸的強度、剛度計算

托盤碼分機工作流程為：減速電機帶動傳動軸運動，傳動軸上的鏈輪帶動左右升降機構上下運動，配合升降機構上的撥叉裝置實現對空托盤的碼垛和分發(fā)。在工作過程中，該傳動軸主要承受左右鏈條拉力和軸自身重力，傳動軸的轉速較小，傳動軸受力簡圖如圖5所示。

圖5 傳動軸受力簡圖Fig.5 Force diagram of transmission shaft

3.1 軸的強度計算

在軸的設計過程中，軸的強度計算一般分為3個步驟：1)按軸所受轉矩估算軸的直徑；2)按軸所承受彎矩合成力矩近似計算；3)精確計算。當設計輸入確定時，則初步方案設計中軸的支承位置和軸所受載荷大小、方向、 作用點及載荷種類均已確定，這時，不論設計人員采用何種結構形式，軸的強度計算都可按轉矩估算法估算軸的直徑，在強度計算出來后再確定軸的結構形式及軸上零部件的固定方式。

3.2 軸的剛度計算

3.3 驗算軸承并根據計算結果修改設計

根據實際使用要求制訂整機設備的初步方案，以確定軸承的支撐位置及支撐點的布置情況，根據實際使用要求給出物料的大小、形狀、質量以驗算方案中所選軸承的可靠性，根據驗算結果修改設計方案，使傳動軸設計最優(yōu)化，軸承驗算及結果修改設計方案本文不再贅述。

4 繪制軸的工作結構圖

設計人員在軸結構圖繪制過程中，需考慮軸的加工工藝性和裝配工藝性。軸的設計盡可能保障加工方便和裝配方便(圖6)。另外，軸的結構設計應便于加工、測量、裝配和維修，如圖7所示。設計繪制時應考慮以下幾個問題：

1) 考慮加工工藝所必須的結構要素，如中心孔、螺尾退刀槽等的設計合理性；

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) 軸的配合直徑應按國標圓整為標準值；

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

為保證零件緊靠定位面，應使r

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

圖7 托盤碼分機傳動軸結構圖Fig.7 Structure diagram of transmission shaft of pallet code extension

5 結 語

傳動軸設計是機器設計的核心，在設計過程中不能馬虎大意，必須嚴格按照軸設計方法一步步設計并驗算。設計一臺機器的前提是有確定的設計輸入，依據設計輸入做機器設計方案，從而初步確定傳動軸設計方案，根據傳動軸設計方案細化軸的結構設計、軸的強度和剛度計算、軸承驗算、繪制軸的結構圖等，如本文所述托盤碼分機傳動軸設計方法和步驟。在方案的制訂過程中，為了滿足產品使用要求，設計輸入是必備條件，設計理論是設計基石，但設計經驗積累也非常重要，在初步確定軸徑和結構后，還需對軸的安全系數進行校核，一般情況下軸的理論計算直徑放大1.2～1.5倍。另外，在設計過程中，正確處理理論設計與實際使用的關系也非常重要，在保障軸的強度、剛度的同時，還要兼顧考慮其加工、安裝工藝性及加工成本，設計出既能滿足使用要求又經濟美觀的機器傳動軸，在滿足軸的設計條件下簡化設計步驟，提高設計效率。