1、轴向快速锁紧装置设计,河南理工大学 机械与动力工程学院,刘 宝,轴向锁紧装置在光、电缆生产设备及其他多种行业的生产设备中广泛应用。,1. 传统的轴向锁紧装置,2018/10/16,3,传统的轴向锁紧装置以螺母锁紧装置、紧定螺钉套锁紧装置和销套锁紧装置最为常见。,1.1 螺母锁紧,2018/10/16,4,螺母锁紧装置多用于悬臂轴。为了适用于不同轴向厚度的材料及增强锁紧的可靠性，轴端螺纹往往设计的比较长，而螺距又比较小。这样，在夹持轴向厚度比较小的材料时，就会造成装拆效率的降低；而操作中稍有疏忽，更会造成裸露过长而强度不高的细螺纹的局部损伤。,2018/10/16,5,2018/10/16,6,
2、1.2 紧定螺钉套锁紧,2018/10/16,7,紧定螺钉套锁紧装置的应用比较广泛，其轴向锁紧的可靠程度取决于紧定螺钉的旋紧程度。为了确保锁紧的可靠性，只有增加螺钉的旋紧力，这样，既增加了拆装难度，又增加了轴面损伤、螺钉及套螺孔螺纹损坏的可能。,2018/10/16,8,2018/10/16,9,1.3 销套锁紧,2018/10/16,10,销套锁紧装置是靠套内弹性定位锁销入轴上锁孔(槽)而定位的轴向锁紧装置。其特点是可靠性高，但轴向调整连续性差。,1驱动轴； 2盘具； 3锁紧套；*1光轴,2. 光轴快速锁紧装置,2018/10/16,12,2018/10/16,13,光 轴 快 速 锁 紧
3、装 置 三 维 图,2018/10/16,14,光 轴 快 速 锁 紧 装 置 三 维 剖 分 图,1-外套；2-内锥形套；3-淬火钢珠；4-内套；5-弹簧；6-拉帽,1）外套与内锥形套间，内套与拉帽间均为过盈配合、压力装配； 2）外套与内锥形套端面比内套端面略微突出； 3）内套孔径D2比锁紧轴直径略大，均布钢珠（34颗)的最小公共内切圆直径D1 比锁紧轴直径略小； 4）内锥形套圆柱面内孔直径比均布钢珠的最小公共外切圆直径略小，并与其内套配合面呈间隙配合；,2018/10/16,15,2.1 结构特点,5）圆柱螺旋压缩弹簧保证淬火钢珠与内锥形套内锥面有效接触，且操作灵活。另外，内锥形套是光轴快
4、速锁紧装置的主要承力件，具有较高的表面硬度。,2018/10/16,16,2018/10/16,17,两个关键点的简要说明：,(1)淬火钢珠的数量淬火钢珠是该装置实现锁紧功能的最终执行者，钢珠的数目与装置的锁紧可靠性密切相关。从装置所承受的轴向力方面考虑，随轴向力的增大，钢珠的数目宜适当增加。其目的是对于表面硬度相对较低的轴而言，不至于因承力过于集中而造成表面划伤，从而导致锁紧失效。但就线缆行业盘具装卡而言，绝太多数情况下轴向力均为较小的附属力，不需要过分考虑，钢珠取34颗即可。至于，用于具有较大轴向力的装卡时，钢珠数目应适当增加，并需适当提高锁紧轴的表面硬度。,2018/10/16,18,(
5、2)圆柱螺旋压缩弹簧的作用弹簧在该装置中起着不可忽视的作用，它使钢珠与内锥面保持接触，并在二者之问产生适当的预压力。这避免了装置使用中，因钢珠与内锥面间存在间隙，而不能及位锁紧的可能；同时，也避免了轴向力不稳定时，钢珠与内锥面间歇接触，从而导致钢珠逐步后退，使锁紧失效的可能。而弹簧的可压缩性又为便捷地解除自锁，简化操作提供了条件。,2018/10/16,19,轴向锁紧物件时，将该装置内锥形套端套在轴上，直接向内推动外套，即可使整个装置沿轴移动，直至压紧物件为止。整个移动过程中，在轴上任一位置反向拉外套，都不能使该装置产生反向移动。拆卸时，食指、拇指握住外套，中指向外勾出环形拉帽，即可解除反向自
6、锁，轻松地使整个装置反向移动。光轴快速锁紧装置操作简单，便捷。,2.2 使用方法,2018/10/16,20,3.光轴快速锁紧装置反向自锁条件受力分析,光轴快速锁紧装置的核心部件是内锥形套，其内锥面斜度角的合理选择是该装置可靠性(即反向自锁性)的首要保障，下图为内锥形套结构图。,2018/10/16,21,当轴向外力作用在该装置外套及内锥形套外端面时，内锥形套通过锥面与淬火钢珠接触点作用的法向力使钢珠产生沿轴滚动及滑动的趋势。为了实现该装置的反向自锁，内锥形套锥面斜度角必须满足以下两个条件：(1)淬火钢珠相对轴滚动自锁；(2)淬火钢珠相对轴滑动自锁。,2018/10/16,22,下面以淬火钢珠
7、为研究对象，分别就这两方面进行受力分析。下图为淬火钢珠的临界自锁状态受力图。,2018/10/16,23,图中： N轴对淬火钢珠的法向反作用力；P外力导致内锥形套通过B点作用于淬火钢珠的法向力；TA轴面作用于淬火钢珠的最大静摩擦力；TB 内锥形套作用于淬火钢珠的最大静摩擦力。 另设：f1 轴面与淬火钢珠间的静摩擦系数；f2 内锥形套锥面与淬火钢珠问的静摩擦系数；R 淬火钢珠的半径。,2018/10/16,24,3.1 淬火钢珠相对轴滚动自锁,淬火钢珠相对轴临界滚动自锁状态时，必有：,又知：,故有：,2018/10/16,25,将,代入上式，整理得：,整理上式，可得滚动自锁角为：,可知，淬火钢珠
8、相对轴滚动自锁条件为：,即：,2018/10/16,26,3.2 淬火钢珠相对轴滑动自锁如钢珠的临界自锁状态受力图所示，淬火钢珠相对轴临界滑动自锁状态时，必有：,可知：,故有：,2018/10/16,27,因为：,将式(2)、(3)，(4)代人式(1)，整理可得：,整理上式，即得：,2018/10/16,28,则由前两图可知，淬火钢珠相对轴滑动自锁条件为：,综合上述受力分析的结果，可得反向自锁式轴向锁紧装置实现反向自锁的条件为：,即：,2018/10/16,29,实际应中，为保证装置反向自锁的可靠性及结构的紧凑性，值的选择应比式(5)所求得的值小23为宜。有一点需说明，上述受力分析过程中，不需
9、要考虑弹簧反力对钢珠的作用，其值亦与自锁角大小无关。,2018/10/16,30,3.3 结 论,(1) 反向自锁式轴向锁紧装置操作简单、便捷，可明显降低操作强度，提高工作效率； (2) 反向自锁式轴向锁紧装置轴向调整连续性好； (3) 反向自锁式轴向锁紧装置的反向自锁特性大大提高了锁紧的可靠性； (4) 反向自锁式轴向锁紧装置筒化了锁紧轴的加工过程，降低了加工成本； (5) 反向自锁式轴向锁紧装置结构紧凑，具有免维修的特性 。总之 反向自锁式轴向锁紧装置是适于频繁拆装或轴向调整，且锁紧可靠性颇高的轴向锁紧装置。,2018/10/16,31,4 一种简捷快速螺母锁紧结构,快速移动时的姿态,20
10、18/10/16,32,快速旋紧螺母是在正常螺母的基础上，又加工了一个轴线与螺纹孔轴线相交成一定角度的孔，而该孔的直径略大于锁紧轴的直径。,快速旋紧螺母结构特点：,2018/10/16,33,快速移动时姿态三维剖分图,2018/10/16,34,快速旋紧螺母三维结构图,2018/10/16,35,快速旋紧螺母锁紧时的姿态,2018/10/16,36,学生3-6人一组（最多不超过8人），完成作品“快速螺杆、光杠（轴）锁紧装置”的设计、制作，同时每个组提交四大报告（设计方案、工艺方案、成本分析、工程管理）,进度安排,2018/10/16,37,成绩考核,2018/10/16,38,考核成绩=作品（50%）+四大报告（30%）+答辩（20%） （任何一个环节不及格者，本课程不及格。 考核由刘宝、李安铭、李章东、赵武等老师负责。,设计方案报告模板,
