轴向快速锁紧机构的设计
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刘宝
河南理工大学 机械与动力工程学院
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
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。
2020/3/23
3
1.1 螺母锁紧
2020/3/23
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。
(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
2020/3/23
5
1.2 紧定螺钉套锁紧
2020/3/23
6
2020/3/23
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。
2020/3/23
13
1-外套；2-内锥形套；3-淬火钢珠；4-内套；5-弹簧；6-拉帽
2020/3/23
光轴快速锁紧装置三维剖分图
14
2.1 结构特点
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
即： 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：
2020/3/23
28
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。
产品 名称
生产纲
件/
领
年
零件 名称
生产批 量 件/月
即：
2020/3/23
25
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：
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26
因为：
将式(2)、(3)，(4)代人式(1)，整理可得：
整理上式，即得：
2020/3/23
27
则由前两图可知，淬火钢珠相对轴滑动自锁条件为：
2020/3/23
29
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；
(1)淬火钢珠相对轴滚动自锁； (2)淬火钢珠相对轴滑动自锁。
2020/3/23
21
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。下图为淬火钢珠的临界自锁状态受力图。
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22
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。
2020/3/23
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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：
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24
将
代入上式，整理得：
整理上式，可得滚动自锁角为：
可知，淬火钢珠相对轴滚动自锁条件为：
移动。
光轴快速锁紧装置操作简单，便捷。
2020/3/23
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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。
2020/3/23
20
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：
8
1.3 销套锁紧
2020/3/23
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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。
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2. 光轴快速锁紧装置
1—驱动轴； 2—盘具； 3—锁紧套；*1—光轴
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光轴快速锁紧装置三维图
2020/3/23
2020/3/23
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2.2 使用方法
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，即可解除反向自锁，轻松地使整个装置反向
成绩考核
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。
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设计方案报告模板
专业班 级
学生姓 名
1、设计概述 2、设计思路和方案 3、设计结果 4、总结和体会
零件名称
总 第 编号： 页页
虑，钢珠取3～4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。
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17
(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。
(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。
2020/3/23
30
4 一种简捷快速螺母锁紧结构
快速移动时的姿态
2020/3/23
31
快速旋紧螺母结构特点：
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动时姿态三维剖分图
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33
快速旋紧螺母三维结构图
2020/3/23
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快速旋紧螺母锁紧时的姿态
2020/3/23
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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）
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进度安排
时间
内容
备注
第10周
工程训练导论课、学生分组，具体任务安排
第11周
设计方案提交及所需材料（由班长统计）
第12周
设计图纸提交
第11-15周 零件加工制作
第16周
零件装配
第17-18周 工程管理授课，四大设计报告提交
第19周
抽签答辩（每批抽3-5组）
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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；
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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，内锥形套是光轴快速锁紧装置的主要 承力件，具有较高的表面硬度。
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两个关键点的简要说明：
河南理工大学 机械与动力工程学院
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
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。
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1.1 螺母锁紧
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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。
(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
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1.2 紧定螺钉套锁紧
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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。
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1-外套；2-内锥形套；3-淬火钢珠；4-内套；5-弹簧；6-拉帽
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光轴快速锁紧装置三维剖分图
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2.1 结构特点
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
即： 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：
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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。
产品 名称
生产纲
件/
领
年
零件 名称
生产批 量 件/月
即：
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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：
2020/3/23
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因为：
将式(2)、(3)，(4)代人式(1)，整理可得：
整理上式，即得：
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则由前两图可知，淬火钢珠相对轴滑动自锁条件为：
2020/3/23
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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；
(1)淬火钢珠相对轴滚动自锁； (2)淬火钢珠相对轴滑动自锁。
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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。下图为淬火钢珠的临界自锁状态受力图。
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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。
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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：
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将
代入上式，整理得：
整理上式，可得滚动自锁角为：
可知，淬火钢珠相对轴滚动自锁条件为：
移动。
光轴快速锁紧装置操作简单，便捷。
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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。
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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：
8
1.3 销套锁紧
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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。
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2. 光轴快速锁紧装置
1—驱动轴； 2—盘具； 3—锁紧套；*1—光轴
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光轴快速锁紧装置三维图
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2.2 使用方法
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，即可解除反向自锁，轻松地使整个装置反向
成绩考核
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。
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设计方案报告模板
专业班 级
学生姓 名
1、设计概述 2、设计思路和方案 3、设计结果 4、总结和体会
零件名称
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虑，钢珠取3～4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。
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(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。
(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。
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4 一种简捷快速螺母锁紧结构
快速移动时的姿态
2020/3/23
31
快速旋紧螺母结构特点：
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动时姿态三维剖分图
2020/3/23
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快速旋紧螺母三维结构图
2020/3/23
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快速旋紧螺母锁紧时的姿态
2020/3/23
35
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）
2020/3/23
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进度安排
时间
内容
备注
第10周
工程训练导论课、学生分组，具体任务安排
第11周
设计方案提交及所需材料（由班长统计）
第12周
设计图纸提交
第11-15周 零件加工制作
第16周
零件装配
第17-18周 工程管理授课，四大设计报告提交
第19周
抽签答辩（每批抽3-5组）
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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；
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15
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，内锥形套是光轴快速锁紧装置的主要 承力件，具有较高的表面硬度。
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两个关键点的简要说明：