轴向快速锁紧装置

附件1：设计方案报告模板
专业班级
设计方案报告总 5 页第页编号：
产品名称
光轴快速锁
紧装置
生产纲领件/年
学生姓名
零件名称生产批量件/月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：
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。

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。

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，下图为内锥形套结构图。

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。

右图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： 淬火钢珠相对轴临界滑动自锁状态时，必有： 0=∑A M
0=∑x F ()''cos 1sin φφ+∙∙-∙∙=∑R T R P M B A A B x T T P F -∙-∙=∑''cos sin φφ
故：0)cos 1(sin ''=+∙∙-∙∙φφR T R P B 故：()10cos sin ''---=-∙-∙A B T T P φφ
将P f T B ∙=2代入上式，整理得： 因为：()
()()
4sin cos 32''21---∙+∙=-----------∙=-----------∙=φφB B A T P N P f T N f T
2'2f tg =⎪⎭
⎫ ⎝⎛φ 将式(2)、(3)，(4)代人式(1)，整理可得： 整理上式，可得滚动自锁角为： ()()0cos sin 1'21'21=∙+-∙∙-φφf f f f
2'2arctgf =φ 整理上式，即得：()()[]2121'1/f f f f arctg ∙-+=φ
可知，淬火钢珠相对轴滚动自锁条件为：
'φφ≤ 即 22arctgf ≤φ
则由前两图可知，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/,2min 21212----∙-+≤f f f f arctg arctgf φ 材料45# 查得：15.015.021=---=f f 得 06.17≤φ故 15=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 光 轴 快 速 锁 紧 装 置 三 维 剖 分 图
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。

1-外套；2-内锥形套；3-淬火钢珠；4-内套；5-弹簧；6-拉帽
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3～4颗即可。

至于，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。

(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。

4、总结和体会
反向自锁式轴向锁紧装置（光轴快速锁紧装置）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。

其与以往传统锁紧装置相比具较大优越性，但在某些方面稍有逊色不足之处，不是十分完美。

这需要我们继续深入研究探讨，发散思维，灵活运用科学知识再创新高。