轴向快速锁紧机构设计(测控)[97—2003版]

1、 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院李章东李章东 轴向锁紧装置在光、电缆生产设备及其他多种行轴向锁紧装置在光、电缆生产设备及其他多种行业的生产设备中广泛应用。业的生产设备中广泛应用。1. 传统的轴向锁紧装置传统的轴向锁紧装置2022-4-73 传统的轴向锁紧装置以螺母锁紧装置、紧定螺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。钉套锁紧装置和销套锁紧装置最为常见。 1.1 螺母锁紧螺母锁紧2022-4-74 螺母锁紧装置多用于悬臂轴。为了适用于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，轴不同轴向厚度的材料

2、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。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会造成裸露过长而强度不高的细螺纹的局部损伤。伤。2022-4-752022-4-761.2 紧定螺钉套锁紧紧定螺钉套锁紧2022-4-77 紧定螺钉套锁紧装置的应用比较广泛，其轴向锁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。为了确保紧的可靠程度取决于紧定螺钉的

3、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。纹损坏的可能。2022-4-782022-4-791.3 销套锁紧销套锁紧2022-4-710 销套锁紧装置是靠套内弹性定位锁销入轴上销套锁紧装置是靠套内弹性定位锁销入轴上锁孔锁孔(槽槽)而定位的轴向锁紧装置。其特点是可靠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。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. 光轴快速锁紧装置光轴快速锁紧装

4、置2022-4-7122022-4-713 光光 轴轴 快快 速速 锁锁 紧紧 装装 置置 三三 维维 图图2022-4-714 光光 轴轴 快快 速速 锁锁 紧紧 装装 置置 三三 维维 剖剖 分分 图图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外套与内锥形套间，内套与拉帽间均为过盈配合、压力装配；合、压力装配； 2）外套与内锥形套端面比内套端面略微突出；外套与内锥形套端面比内套端面略微突出； 3）内套孔径内套孔径D2比锁紧轴直径略大，均布钢珠比锁紧轴直径略大，均布钢珠（34颗颗)的最小公共内切圆直径的最小公共内切圆直径D

5、1 比锁紧轴直径略比锁紧轴直径略小；小； 4）内锥形套圆柱面内孔直径比均布钢珠的最小公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；共外切圆直径略小，并与其内套配合面呈间隙配合；2022-4-7152.1 2.1 结构特点结构特点 5）圆柱螺旋压缩弹簧保证淬火钢珠与内锥形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。套内锥面有效接触，且操作灵活。 另外，内锥形套是光轴快速锁紧装置的主要另外，内锥形套是光轴快速锁紧装置的主要承力件，具有较高的表面硬度。承力件，具有较高的表面硬度。2022-4-7162022-4-717两个关键点的简要说

6、明：两个关键点的简要说明：(1)淬火钢珠的数量淬火钢珠的数量 淬火钢珠是该装置实现锁紧功能的最终执行者，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。钢珠的数目与装置的锁紧可靠性密切相关。从装置所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，绝太多导致锁紧失效。但就线缆行业盘具装卡而言，

7、绝太多数情况下轴向力均为较小的附属力，不需要过分考数情况下轴向力均为较小的附属力，不需要过分考虑，钢珠取虑，钢珠取34颗即可。至于，用于具有较大轴向力颗即可。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。轴的表面硬度。2022-4-718(2)圆柱螺旋压缩弹簧的作用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。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，

8、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。地解除自锁，简化操作提供了条件。2022-4-719 轴向锁紧物件时，将该装置内锥形套端套在轴轴向锁紧物件时，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，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

9、个移动过程中，在轴上任一直至压紧物件为止。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。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，即可解除反向自锁，轻松地使整个装置反向拉帽，即可解除反向自锁，轻松地使整个装置反向移动。移动。 光轴快速锁紧装置操作简单，便捷。光轴快速锁紧装置操作简单，便捷。2.2 2.2 使用方法使用方法2022-4-7203.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，其光轴快速锁紧装置的核

10、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内锥面斜度角的合理选择是该装置可靠性( (即反向即反向自锁性自锁性) )的首要保障，下图为内锥形套结构图。的首要保障，下图为内锥形套结构图。2022-4-721 当轴向外力作用在该装置外套及内锥形套外端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：足以下两个条件： (1

11、)淬火钢珠相对轴滚动自锁；淬火钢珠相对轴滚动自锁； (2)淬火锕珠相对轴滑动自锁。淬火锕珠相对轴滑动自锁。2022-4-722 下面以淬火钢珠为研究对象，分别就这两方面进下面以淬火钢珠为研究对象，分别就这两方面进行受力分析。下图淬火钢珠的临界自锁状态受力图。行受力分析。下图淬火钢珠的临界自锁状态受力图。2022-4-723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

12、钢珠的半径。2022-4-7243.1 .1 淬火钢珠相对轴滚动自锁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：淬火钢珠相对轴临界滚动自锁状态时，必有：又知：又知：故有：故有：2022-4-725将将代入上式，整理得代入上式，整理得：整理上式，可得滚动自锁角为：整理上式，可得滚动自锁角为：可知，淬火钢珠相对轴滚动自锁条件为：可知，淬火钢珠相对轴滚动自锁条件为：即：即：2022-4-7263. .2 淬火钢珠相对轴滑动自锁淬火钢珠相对轴滑动自锁 如如钢珠的临界自锁状态受力图钢珠的临界自锁状态受力图所示，淬火钢所示，淬火钢珠相对轴临界滑动自锁状态时，必有：珠相对轴临界滑动自锁状态

13、时，必有：可知：可知：故有：故有：2022-4-727因为：因为：将式将式(2)、(3)，(4)代人式代人式(1)，整理可得：，整理可得：整理上式，即得：整理上式，即得：2022-4-728则由前两图可知，淬火钢珠相对轴滑动自锁条件为：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：式轴向锁紧装置实现反向自锁的条件为：即：即：2022-4-729 实际应中，为保证装置反向自锁的可靠性及结实际应中，为保证装置反向自锁的可靠性及结构的紧凑性，构的紧凑性，值的选择应比式值的选择应比式(5)所求

14、得的值小所求得的值小23为宜。为宜。 有一点需说明，上述受力分析过程中，不需要有一点需说明，上述受力分析过程中，不需要考虑弹簧反力对钢珠的作用，其值亦与自锁角大小考虑弹簧反力对钢珠的作用，其值亦与自锁角大小无关。无关。2022-4-7303.3 3.3 结结 论论 (1) 反向自锁式轴向锁紧装置操作简单、便捷，可明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；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；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反向自锁式轴向锁紧装置的反向自锁特性大大提

15、高了锁紧的可靠性；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，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；降低了加工成本；(5) 反向自锁式轴向锁紧装置结构紧凑，具有免维修反向自锁式轴向锁紧装置结构紧凑，具有免维修的特性的特性 。 总之总之 反向自锁式轴向锁紧装置是适于频繁拆装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。或轴向调整，且锁紧可靠性颇高的轴向锁紧装置。2022-4-7314 4 一种简捷快速螺母锁紧结构一种简捷快速螺母锁紧结构 快速移动时的姿态快速移动时的姿态2022-4-732 快速旋紧螺母是在正常螺

16、母的基础上，又加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，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。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：快速旋紧螺母结构特点：2022-4-733快速移动时姿态三维剖分图快速移动时姿态三维剖分图2022-4-734快速旋紧螺母三维结构图快速旋紧螺母三维结构图2022-4-735快速旋紧螺母锁紧时的姿态快速旋紧螺母锁紧时的姿态2022-4-736二、任务及要求二、任务及要求1.作 品设计并制作“快速螺杆、光杠（轴）锁紧装置”，被锁轴三种尺寸：20、25、30。2.分 组每个

17、团队按照4-6人进行组队，可以跨班组队，但需要注明班级（不是同一班的），每队设置一负责人，各班组队名单由班长统一汇总上报工程训练中心（每个团队有负责人联系电话，并注明负责人是谁，同时各班班长电话需要注明），第10周周四下午6:00前，纸质档交工程训练中心办公室314，电子档发（邮件注明班（邮件注明班级）级）。3.要求每个团队完成作品“快速螺杆、光杠（轴）锁紧装置”的设计、制作，同时每个团队提交四大报告（设计方案、工艺方案、成本分析、工程管理）及上交作品，锁紧机构中的拉帽零件要求用快速成型制作拉帽零件要求用快速成型制作。进度安排2022-4-737时时 间间任务安排任务安排备备 注注第9周任务安

18、排、学生分组要求。分组表由班长统计、签字后，纸质档交工程训练中心办公室314，分组表电子档发：（邮件注明班级，第（邮件注明班级，第10周周四下午周周四下午6:00前发前发送）送）。第10周设计方案审核。方案交负责指导老师审核第11周设计图纸审核及修改、确定加工材料和加工机床。1.图纸交负责教师审核；2.材料以圆钢为主，设计零件尺寸圆钢直径最大尺寸不得超过60mm；3.需要加工的地方进行分组熟悉场地。4.到现场分组，所有组分成两半，一半在数控车加工，一半在普通车加工。第12-15周到车削、数控等教学组进行分组安排零件的车削、数控车削加工制作等。车削加工找车削组负责人闫金霞，数控车削安排找程会营，

19、加工时服从指导老师安排。第16-17周 零件钻孔、弹簧参数上报等。1.钳工加工找负责人李红霞安排；2.弹簧参数在16周前，由各班上报，具体格式见附件。 第17-18周 快速成型加工、装配、分组答辩。1.钳工加工完毕的，到快速成型进行加工，快速成型加工找负责人肖伟安排；2.答辩方式及地点另行通知；3.四大设计报告提交中心教务管理办公室314。备备 注注1.零件加工主要在实训中心完成，设计图纸、设计方案经指导老师审核后，方可进行加工；锁紧机构中所用到的标准件弹簧，丝径选用为丝径选用为2，弹簧统一购买，每个弹簧需要确定弹簧中径尺寸、有效圈数、自由长度（弹簧参数上报需要核算清楚，一旦上报出错，由团队自己承担责任，不再安排制作）。2.请各团队严格按照时间节点进行加工，若在规定时段内，不能提交作品的，成绩不及格。3.中心可提供20、30、40、45、50、6