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机械设计之防松篇

发布时间：2023-12-18

本文讨论闭合尺寸链对螺钉松动的影响，以最简单的轴端固定为例。

轴端固定，最常见的方式就是：

轴端中心处加工螺纹孔，然后设计一个端盖，使用一颗螺钉固定；如下图所示：

这种方式，一般是初学者最爱用的方式，因为它最简单；在轻载情况下，不会有什么问题；但是在重载情况下，或者齿轮有侧向受力时，端盖螺钉很容易松动。

这是为什么呢？

因为天下没有两篇一摸一样的树叶；齿轮的宽度和轴末端的实际长度，不可能是完全相同的。虽然其名义尺寸是一样的，但是他们的实际加工误差并不一样，尤其是图纸里，这两个尺寸都没有公差标注时。如齿轮宽度和轴末端长度的名义尺寸是10，加工后，实际会出现两种情况：

A：齿轮实际宽度是10.1，轴末端长度是9.9；

B：齿轮实际宽度是9.95，轴末端长度是10.15；

所以实际装配后的效果，如下图A、B所示：

在实际设计和加工中，如果我们都对齿轮宽度和轴末端长度标注了一个较精密公差，那么加工后，这个间隙往往只有0.01~0.05mm之间。这么小的间隙，在轻载情况下，往往影响不大。

但是，如果我们没有对对齿轮宽度和轴末端长度标注公差，那么他们就属于未注公差。未注公差在国家标准中其要求很宽，例如10mm的尺寸，其合格要求是±0.2；也就是说实际加工尺寸在9.8~10.2之间都算合格；那么这个间隙，最大就可以达到0.4mm。

在A情况下，螺钉拧紧后，会出现以下两个不利情况，导致螺钉松动：

1、端盖变形：端盖变形后，其后果就是减小了螺钉和端盖的接触面积，从而使得螺钉的摩擦扭矩减小，从而大大增加了螺钉的松动概率。

2、端盖即使变形后，也不足以填充间隙，使得端盖实际没有紧紧地贴牢轴末端。在轴旋转过程中，往往都伴随着振动；因为间隙的存在，振动可使端盖存在弹性变形，这种弹性变形，将大大减小螺钉预紧力，从而又导致使得螺钉的摩擦扭矩减小，松动概率进一步增加。

在B情况下，螺钉松动的概率，会比A要下很多；B情况下，不利因素在于：

齿轮会发生轴向窜动。这会不仅会导致噪音，也会导致端盖受到齿轮的冲击。这种冲击力的大小，却决于齿轮承受的轴向力又多大；轴向力越大越不均匀，螺钉越容易松动。

也许有人会说，直齿轮不是不会受到轴向力吗？这是理论上是这样，实际因为加工、装配、磨损、受力形变等因素，总会收到一定的轴向力，而且这种轴向力会随着磨损的加剧而增大。不仅直齿轮如此，链轮、同步轮、末端轴承都是如此。

闭合尺寸链往往是多个零件配合，会比较复杂，没有上图只有两三个零件那么简单，但实际效果是一样，不是出现A情况，就是出现B情况，而且实际装配后，到底是A还是B，是不确定的。

因此在实际设计过程中，首先因通过公差设计，消除不确定性，使得配合后的情形，一定是A；或者一定是B。如：

A：齿轮宽度设计成10±0.1；轴末端长度设计成9.7±0.1；那么只要加工合格，装配后，就一定是A情形。因为齿轮最小是9.9，而轴末端最长是9.8，那么就一定是A，且间隙至少有0.1mm，间隙最大是0.5mm

B：齿轮宽度设计成9.8±0.1；轴末端长度设计成10.1±0.1；那么只要加工合格，装配后，就一定是B情形。因为齿轮最大是9.9，而轴末端最小是10，那么就一定是B，且间隙至少有0.1mm，间隙最大是0.5mm

到底是A好，还是B好，没有绝对；这里取决于负载和是否接受齿轮存在轻微窜动。

无论是A，还是B，在重载或者频繁正反转下，都应增加防松措施，方式有很多，如前文介绍的，够用就行。如将一颗螺钉改成多颗螺帽带孔的螺钉（至少2颗），并用钢丝串联起来。

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