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机械设计过程中孔与轴的配合问题探讨

时间:2021-10-08作者:姜洁
本文导读:这是一篇关于机械设计过程中孔与轴的配合问题探讨的文章,机械设计中孔与轴的配合选用,需要考虑载荷、转速、相对运动、润滑条件、机构精度、机构寿命、加工与装配的经济性等理论因素,同时,我们也需要结合实际条件,考虑机构的运行工况、零部件可以选择的加工方法、可以选

  摘    要: 机械工程师在机械设计的过程中,最常遇到的孔与轴的配合问题,三种常用配合分别为间隙配合、过渡配合、过盈配合。虽有设计手册的参考指导,但在实际运用中,仍然不可避免地会遇到选择困难。一般工程师在过盈配合时不会出现选择问题,因为可靠性要求基本就会排除过渡配合,只能选过盈配合;而最容易出现问题的是对间隙配合与过渡配合的选择。这是初学者经常遇到的问题,很多资深工程师如果不仔细研究,也会在该问题上对装配难度、载荷问题、寿命问题等难以敲定。本文就针对孔与轴的间隙与过渡配合结合作者的实践经验,对一些案例展开详细分析,以期对该问题有疑惑的工程师有一些启迪。

  关键词 :     机械;设计;孔与轴;配合;公差;载荷;

  1 、轴承与轴的配合

  机械设计中最常见的轴承,那么,与轴的配合问题也是有参考的,普通轴承对应的最常见深沟球轴承,轻载荷选用配合可以选k6,属于过渡配合。这个配合也是最常用的,相信很多工程师都有过实践证明是可行的。选用的关键在于轻载荷,这个概念很多工程师是没有深究的,手册是这样描述的,轻载荷P≤0.07C,中等载荷0.07C≤P≤0.15C,重载荷P≥0.15C。那么,很多工程师只要认为载荷不大,都会选用这个配合,但是,作为设计者要精益求精,很多时候载荷更小是可以选用h6,甚至大间隙配合,例如,料架上的轴承导向轮,转速低载荷很弱,选用h9的轴完全没有问题,装配简单,加工更经济,但是,这个配合安装到锯切机主轴,会因为转速高而出现问题,虽然载荷并不大,因此转速也是影响配合选择的因素。机构的精度要求也是重要选项,就算低转速,但是结构精度要求高,那也是需要选用过渡配合的,因为间隙配合的机构精度以及可靠性都是不及过渡配合的。

  2 、皮带轮、链轮与轴的配合

  对皮带轮、链轮与轴的配合进行分析,皮带轮一般都是高转速电机直带,参考手册,工况选用H8/h8或H7/k6间隙或过渡配合都是可以的,为了防止松动脱落,采取辅助的顶丝等固定手段完全可以满足使用需求;有人可能会想,既然有顶丝等固定手段,那么,我是不是应该选用更经济的配合比如H12/h11呢?的确低速低精度情况是可行的,但是很遗憾,带轮一般都工作在高转速下,因此间隙配合定心作用不如过渡配合,选用间隙配合容易出现跳动大、机械振动等问题。链轮的孔与轴采用基孔制,一般采用H7/h6或H7/k6。有工程师会考虑减速机带链轮,频繁正反转,载荷又重又复杂,是不是应该采用过盈配合。链轮在某些重载情况下,即使有顶丝或者端盖,实践证明,也是无法阻挡链轮松动的事实。例如,大减速比减速机通过链轮带动高转动惯量的钢辊,频繁正反转启动,瞬间的冲击重载对于过渡配合的链轮,一般的防松手段是不起作用的,依然会造成松动。然而链轮在重载的时候一般转速低,即使产生松动,也不会对配合的孔、轴、键的寿命产生异常影响,那么,过渡配合就是允许的,但要采取措施保证轴向定位即可,确保即使松动也不会产生轴向位移,例如,可以采用定位套的办法解决;如果高转速重载荷,如果配合产生松动会严重影响机构寿命,只能退而求其次,采用多键、花键等方式来改善机构载荷分布,作为易损件进行周期更换,如果条件允许能采取过盈配合,从根本上解决机构寿命问题是最好的办法。具体采用哪种方式,要依据停机允许时间、加工能力、装配手段来选择,比如很多工厂没有压力机等手段,对于过盈配合是没有能力装配的,这种情况需要多结合实际情况,否则,极容易造成理论可行、实际没办法实现的局面。

  3、 机翻钢机的夹送驱动装置

  我们以轧机翻钢机的夹送驱动装置为例,分析孔与轴的配合选用,结构见图1。工作要求夹送轮夹紧钢坯,并转动将钢坯送入轧机,由轧机轧辊进行轧料,当材料轧出轧机时,需要夹送轮夹持轧件,牵引轧件,给予一定张力。

  从工作条件要求及相关参数计算判断,该机构轴承与轴载荷主要为径向力,且属于重载中高转速工况,理应选过盈配合,但是,该设计配合选用k6,因为轴的直径达到了60mm,实际生产中没有条件使用压力机,只能采用简单作业大锤安装,如果采用更大的过盈配合,是很难进行拆装的;同时也考虑到夹送轮更换周期到期时,为了可靠性同时也要更换轴承,保证在更换周期内轴承正常运转即可;为什么不采用间隙配合呢,因为该工况重载且属于中高转速,间隙配合会带来减速机处配合问题,以及轴承寿命问题,所以需要保证结构的稳定提高寿命就排除了间隙配合。
 

工程师
 

  4、 夹送轮与轴的工况分析

  夹送轮与轴的工况同样属于重载,既有径向力也有往复的切向力,按照载荷理论易选用过渡配合和过盈配合,但这选用花键大径定心H8/f7,也是受到结构以及装配条件限制,只能采用间隙配合方便安装,也因此牺牲了轴的寿命,实际应用中,夹送轮与轴的寿命几乎是相同的,也证实了轴的寿命受到了缩减,如果采用过盈配合,轴是不受磨损的,寿命问题几乎可以忽略。减速机与输入轴之间的受力只有切向载荷,理论上径向载荷已经被轴承所分担,所以轴承不采用间隙配合,否则,容易出现减速机受到径向载荷。在切向方向上则属于轻载,因此选用H7/h6的间隙配合即可,应用后也证明减速机与轴的配合没有出现问题。在最初的设计中,减速机与轴的配合,按照印象经验就应该是重载,没有仔细计算,因此采用了H7/k6的过渡配合,由于配合面长度大,因此造成了装配的异常困难,经过更改设计减小输入轴尺寸后,才顺利装配。细心的设计师可能会发现花键配合问题,为什么会选用大径定心H8/f7?按照机械手册的标准来设计不应该是小径定心吗?这里考虑的主要是加工手段,因为是单件小量生产,作为外花键的小径是很难保证标准尺寸的,需要磨床来加工,效率低下成本高;如果采用大径定心,外花键采用外圆磨,花键孔采用线切割,不仅加工成本低,而且很容易实现精确配合。

  图1
图1

  5 、关节轴承与轴、滑动衬套与轴的分析

  常见的关节轴承与轴、滑动衬套与轴,此类配合常见于油缸、气缸杆端关节轴承与连接端采用。这类配合可以选用7级/6级的配合公差,也可见到12级/11级的配合公差,那么,我们什么时候该选择何种精度等级,关键看需求,当你对机构精度没有高的要求时,那就选低精度等级配合,节省成本,反之,则选用高精度的满足精度需求。虽然低精度不利于重载,但机构的寿命是在精度失效的前提下判断的,在此类机构中机构与受力简单,一般不存在精度失效。而在旋转运动机构中,结构与受力复杂,载荷伴随着存在的旋转滑动磨损,很容易造成机构间隙逐渐扩大最终超出范围导致机构不稳定、设备震动等异常现象而失效,因此,旋转机构中一般选用精度高的配合,一旦遇到滑动摩擦载荷条件更要严格限制。

  载荷是孔与轴的配合选定的关键参数,很多工程师对载荷的概念容易出现误解,认为力量大的就是重载,力量小的就是轻载,这是个错误的意识,载荷是相对的,考究的是单位面积的相对受力情况。比如,材料强度为10MPa,假设1MPa为轻载,5MPa为重载,那么,如果材料强度为200MPa,5MPa对于它也只算得上轻载,所以这里的载荷是相对的。载荷的认定对配合的选用起主要作用,一旦判断错误,很容易造成机构精度失效。例如齿轮与轴的配合就很大程度上依赖载荷判定,在不需要相对运动的情况下,轻载选间隙配合也是需要配合顶丝等来固定,防止配合部位产生松动发生滑动摩擦,中载更是要考虑给予一定的过盈量,如此才能避免配合部位的磨损造成机构失效,在需要滑动的配合情况必须采用适当的润滑,以此减低配合部位的滑动磨损,延长机构寿命。

  6、 结语

  机械设计中孔与轴的配合选用,需要考虑载荷、转速、相对运动、润滑条件、机构精度、机构寿命、加工与装配的经济性等理论因素,同时,我们也需要结合实际条件,考虑机构的运行工况、零部件可以选择的加工方法、可以选择的装配条件以及其他相关作业环境等。只有理论结合实际,善于用实际与理论互相论证其准确性与可行性,在机械设计中,才能对孔与轴的配合选择思路清晰、得心应手,设计的相关机构配合既经济实用又稳定可靠。

  参考文献

  [1]成大先.机械设计手册第2卷([M]第5版北京:化学工业出版社,2008. 1:7-243~7-245.
  [2]成大先.机械设计手册第1卷[M]第5版北京:化学I业出版社,2008.1:.2- 103~2-108.

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