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機械設計之防松篇

發布時間：2023-12-18
本文討論閉合尺寸鏈對螺釘松動的影響，以最簡單的軸端固定為例。


軸端固定，最常見的方式就是：

軸端中心處加工螺紋孔，然后設計一個端蓋，使用一顆螺釘固定；如下圖所示：

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這種方式，一般是初學者最愛用的方式，因為它最簡單；在輕載情況下，不會有什么問題；但是在重載情況下，或者齒輪有側向受力時，端蓋螺釘很容易松動。

這是為什么呢？

因為天下沒有兩篇一摸一樣的樹葉；齒輪的寬度和軸末端的實際長度，不可能是完全相同的。雖然其名義尺寸是一樣的，但是他們的實際加工誤差并不一樣，尤其是圖紙里，這兩個尺寸都沒有公差標注時。如齒輪寬度和軸末端長度的名義尺寸是10，加工后，實際會出現兩種情況：

A：齒輪實際寬度是10.1，軸末端長度是9.9；
B：齒輪實際寬度是9.95，軸末端長度是10.15；

所以實際裝配后的效果，如下圖A、B所示：

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在實際設計和加工中，如果我們都對齒輪寬度和軸末端長度標注了一個較精密公差，那么加工后，這個間隙往往只有0.01~0.05mm之間。這么小的間隙，在輕載情況下，往往影響不大。

但是，如果我們沒有對對齒輪寬度和軸末端長度標注公差，那么他們就屬于未注公差。未注公差在國家標準中其要求很寬，例如10mm的尺寸，其合格要求是±0.2；也就是說實際加工尺寸在9.8~10.2之間都算合格；那么這個間隙，最大就可以達到0.4mm。

在A情況下，螺釘擰緊后，會出現以下兩個不利情況，導致螺釘松動：

1、端蓋變形：端蓋變形后，其后果就是減小了螺釘和端蓋的接觸面積，從而使得螺釘的摩擦扭矩減小，從而大大增加了螺釘的松動概率。

2、端蓋即使變形后，也不足以填充間隙，使得端蓋實際沒有緊緊地貼牢軸末端。在軸旋轉過程中，往往都伴隨著振動；因為間隙的存在，振動可使端蓋存在彈性變形，這種彈性變形，將大大減小螺釘預緊力，從而又導致使得螺釘的摩擦扭矩減小，松動概率進一步增加。

在B情況下，螺釘松動的概率，會比A要下很多；B情況下，不利因素在于：

齒輪會發生軸向竄動。這會不僅會導致噪音，也會導致端蓋受到齒輪的沖擊。這種沖擊力的大小，卻決于齒輪承受的軸向力又多大；軸向力越大越不均勻，螺釘越容易松動。

也許有人會說，直齒輪不是不會受到軸向力嗎？這是理論上是這樣，實際因為加工、裝配、磨損、受力形變等因素，總會收到一定的軸向力，而且這種軸向力會隨著磨損的加劇而增大。不僅直齒輪如此，鏈輪、同步輪、末端軸承都是如此。

閉合尺寸鏈往往是多個零件配合，會比較復雜，沒有上圖只有兩三個零件那么簡單，但實際效果是一樣，不是出現A情況，就是出現B情況，而且實際裝配后，到底是A還是B，是不確定的。

因此在實際設計過程中，首先因通過公差設計，消除不確定性，使得配合后的情形，一定是A；或者一定是B。如：

A：齒輪寬度設計成10±0.1；軸末端長度設計成9.7±0.1；那么只要加工合格，裝配后，就一定是A情形。因為齒輪最小是9.9，而軸末端最長是9.8，那么就一定是A，且間隙至少有0.1mm，間隙最大是0.5mm

B：齒輪寬度設計成9.8±0.1；軸末端長度設計成10.1±0.1；那么只要加工合格，裝配后，就一定是B情形。因為齒輪最大是9.9，而軸末端最小是10，那么就一定是B，且間隙至少有0.1mm，間隙最大是0.5mm

到底是A好，還是B好，沒有絕對；這里取決于負載和是否接受齒輪存在輕微竄動。

無論是A，還是B，在重載或者頻繁正反轉下，都應增加防松措施，方式有很多，如前文介紹的，夠用就行。如將一顆螺釘改成多顆螺帽帶孔的螺釘（至少2顆），并用鋼絲串聯起來。

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