轴向锁紧装置设计报告
1、设计概述
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。
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、螺母锁紧装置：轴端螺纹往往设计得比较长，而螺距又比较小，已造成装拆效率低或造成裸露过长而强度不高的细螺纹的局部损伤。
2、紧定螺钉套锁紧装置：为了确保锁紧的可靠性，只有增加螺钉的旋紧力，这样，既增加了拆卸难度，又增加了轴面损伤、螺钉及套螺孔螺纹损坏的可能。
3、销套锁紧装置：靠套内弹性定位锁销入轴上锁孔而定位的轴向锁紧装置；特点是可靠性高，但轴向调整连续性差。
综上所述，传统的轴向锁紧装置不太适于频繁拆装或轴向调整，且有的锁紧可靠性不高。
为此我们要探究制造一种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，更好地服务应用于各行各业中的生产设备。
2、设计思路和方案
力学中有一类现象称为“自锁现象”，当自锁条件满足时，外力越大，物体保持静止的能力越强．人们利用自锁现象的力学原理开发出了各种各样的机械工具，这些工具广泛应用于工农业生产中；在日常生活中利用这一原理的现象也随处可见。
依此现象我们设计了一种光杆轴向快速锁紧装置，它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，图1为内锥形套结构图。
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。
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。
图二淬火钢珠的临界自锁状态受力图。
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；
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。
淬火钢珠相对轴临界滚动自锁状态时，必有：
0=∑A
M
()
''cos 1sin φφ+••-••=∑
R T R P M
B A
故：
0)cos 1(sin '
'=+••-••φφR T R P B 图1内锥套结构图 将P f T B •=2代入上式，整理得： 2'
2
f t
g =⎪⎭⎫
⎝⎛φ
整理上式，可得滚动自锁角为： 2'2arctgf =φ
可知，淬火钢珠相对轴滚动自锁条件为： 'φφ≤ 即 22arctgf ≤φ
又有0=∑x F
A B x
T T P F
-•-•=∑''cos sin φφ
所以()10cos sin ''---=-•-•A B T T P φφ
因为()
()()
4sin cos 32''21---•+•=-----------•=-----------•=φφB B A T P N P f T N f T
将式(2)、(3)，(4)代人式(1)，整理可得()()0cos sin 1'21'21=•+-••-φφf f f f 图2淬火钢珠的临界自锁状态受力图 则由以上可知，淬火钢珠相对轴滑动自锁条件为：'φφ≤ 即()()[]2121'1/f f f f arctg •-+≤φ 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：
{()()[]}()51/,2m in 21212----•-+≤f f f f arctg arctgf φ 材料45钢 查得：15.015.021==f f ，得ο06.17≤φ故ο15=φ
（实际应中，为保证装置反向自锁的可靠性及结构的紧凑性，φ值的选择应比式(5)所求得的值小2～3°为宜。
）
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无关。
3、设计结果
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（3—4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；
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。
图三光轴快速锁紧装置三维剖分图
1-拉帽；2-内套；3-外套；4-内锥形套；5-钢珠；6-弹簧
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。
两个关键点的简要说明：
（1）淬火钢珠的数量随轴向力的增大，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，钢珠取3～
综上所得生产成本为各工序陈本与材料成本之和，所以生产成本为
9.3+7.44+37.76+30.45+31.325+19.075=135.35元，又因为需要买3个6φ钢珠和一个弹簧，所以估算成本用150元。
号
序 名称 夹具 附 具 （min ）
1
粗车
粗车46φ的外圆
三爪卡盘
90°
外圆车刀 游标卡尺、钢尺 4 2
精车 精车46φ的外圆
三爪卡盘
90°外圆车刀 游标卡尺、钢尺 4 3 钻
孔 钻30φ的孔 钻35φ的孔
三爪卡盘 30φ的钻头35φ的
钻头
游标卡尺、钢尺
4 4
粗镗
粗镗02.41φ的孔 三爪卡盘 S12M
游标
卡尺、钢尺
4
5
精镗 精镗02.41φ的孔 三爪卡盘 S12M 游标卡尺、
钢尺 4
6 钻孔粗镗6 的孔三爪
卡盘S12
M
游标
卡尺、
钢尺
游标
卡尺、
钢尺
5
8 切断保证总长为95mm 三爪
卡盘切断
刀
钢尺 3
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