某設備偏心轉動機構改進設計分析

余東滿，劉旸，楊峰

(河南工業職業技術學院，河南南陽473000)

近二十余年來，隨著世界光電產品技術的迅猛發展與進步，高、中、低端光電產品制造數量和品種在急劇膨脹，產品制造的重心也朝著亞洲和中國方面轉移，導致光學設備的引進、研發和生產也隨之高速發展起來。光學產品的品種、數量和精度要求越來越高，光學加工機床的數量、效率、精度也必然要隨之得到提高，這就涉及到此類機床設備關鍵零部件的加工、裝配精度和生產效率的問題。迫使相關的工程技術人員要不斷去學習借鑒、研究國外先進的光學設備的設計和加工技術，設計、改進相應的零部件和整機，在更短的時間周期內，生產數量更多的、質優價廉的裝備投入到生產中去。

在這類設備當中，偏心轉動機構是傳遞動力的重要部件，要在保證傳遞動力足夠的前提下，靈活、平穩、連續不斷地把足夠的動力傳遞出去，來保證機床連續不斷地運轉工作。

現就對偏心轉動機構運轉過程中，在保證使用性能不改變的前提下，以原有機床結構設計為基礎，如何改進設計的問題，進行探討、研究和分析。

設計改進的目的，在不降低原機構性能的前提下，結構盡可能簡單優化，降低零件加工難度，方便裝配，降低生產成本，提高生產效率。

下面就此類設計問題展開，對現有的結構設計和改進設計進行對比說明，以期得到加工效率更高、周期更短、成本更低、更合適、更經濟的設計方法。

1 原偏心轉動機構

20世紀90年代初期，國內引進的國外此類先進設備，設備價格當時為15 萬人民幣左右，其中偏心轉動機構如圖1所示。

圖1 原偏心轉動機構

在引進國外先進設備的基礎上，消化吸收、改進設計、制造批量此類設備，每臺設備造價在4 萬多元，還不到進口設備價格的1/3。在國內光學設備市場，有很大的推廣和應用價值。

偏心轉動機構，轉動用軸承沿用原機，為進口調心球軸承，型號2203，內、外徑尺寸分別為20、40 mm，軸承寬度尺寸為16 mm。

在制造和裝配該偏心轉動機構的過程中，發現以下兩種問題:

(1)2203 軸承內、外圈分別和T 型套5、軸承套2 過渡配合。間隙過大，會帶來轉動過程中的噪聲，并影響其轉動和傳動的精度;過盈量過大，影響調心球軸承調心作用和轉動的靈活性，進而導致此機構轉動中的阻力、卡滯現象。其中軸承外圈和軸承套內孔的過盈量尤應被重視、控制，否則運轉不靈活，不但會影響零件的加工質量，嚴重的還會傷及機器本身的有關零部件，使之壽命大幅下降，并遭受破壞。所以，間隙寧可稍大點，也不可使其過盈量偏大。

(2)軸承安裝在軸承套2 內，用孔用彈性擋圈8定位卡緊。其中對應軸承厚度尺寸16 mm，軸承套深度尺寸16 mm 和安裝孔用擋圈的尺寸必需要保證。尺寸大，軸承上下竄動，影響機構的轉動;尺寸小，孔用彈性擋圈無法裝配安裝，軸承也就無法固定。

針對第一個問題，要嚴格控制軸承內、外圈的配合尺寸公差，并保證軸承套孔的圓度和圓柱度，使裝配過程在不太大的外力下就可順利進行，以保證此結構的轉動靈活性。

圖2 軸承套

對于第二個問題，在先測量確定孔用擋圈厚度尺寸的基礎上，再來控制軸承套上孔用彈性擋圈槽孔的上沿離下面調心球軸承定位臺距離M的尺寸公差，如圖2所示。此處尺寸M的公差必須確保。

為保證上面兩個問題中的尺寸公差問題，零件在加工過程中，效率寧可低一些，也要必須保證其尺寸公差，為后續的裝配過程提供必要的前提準備和物質基礎。

通過對進口設備的多部件反復拆卸、裝配，以上兩方面問題在進口設備中基本不存在。考慮到，同時期國外的現代化工業水平發展較高，國外的數控機床在當時已大量普及應用，零件加工過程的尺寸公差，通過數控機床比較容易控制，并且效率較高。所以以上兩個問題，也就不可能存在。用數控機床加工，成本雖然高，但進口設備的售價特別高，所以適當增加一些成本也是必然的。

2 首次改進的偏心轉動機構

對原進口設備的偏心轉動機構，要保證其轉動的靈活性和傳動的精度。必須認真對待上面提到的兩種問題，這不但增加了加工的難度，提高加工成本，還大大降低了生產效率。

同時，這也為下一步的改進設計提出了新的問題。怎樣在不改變原結構工作性能的前提下，降低加工的難度，提高生產效率。

其中，對于上面提到的第二個問題，由于購買的孔用彈性擋圈，不同的批次、不同的生產廠家，厚度尺寸不一樣，相差0.1～0.4 mm。本來軸承套尺寸M的公差就不好控制保證，這下，不好控制的尺寸M又成了一個變動的數值，就更加難以保證。不但難度大大增加，裝配有時也變得無章可循。

在這樣的情況下，通過不斷了解加工和裝配過程出現的問題，改進設計，最后確定的設計方案如圖3所示。

圖3 首次改進的偏心轉動機構

方案的具體實施辦法是:從軸承套和孔用彈性擋圈入手，在不改變其他零件的基礎上，去掉厚度尺寸變化的孔用彈性擋圈，減小軸承套的高度，增加一個壓緊調心球軸承外圈的端蓋，和孔用彈性擋圈所起的作用一樣。

增加一個零件端蓋2，軸承套上端面增加4 個均布的M5 螺紋孔，和另外的4 個裝內六角圓柱頭螺釘M6 的螺釘沉孔錯開，成均布的45°夾角。

這種改進設計，在保證原機構的功能特性的前提下，雖然成本略有增加，但零件加工的難度卻大大降低，裝配也變得比較容易、順暢，生產效率大幅度提升，加工周期大大降低，因而在現實生產過程中，得到大量的推廣和應用。使用時間大概持續有十余年，生產數量初步統計在70 000～90 000 余套，創造出不少的價值。原偏心轉動結構只使用了短短的兩年左右，便被淘汰，從不再用。

3 最新改進偏心轉動機構

由于第一次改進后的結構，零件的加工難度降低，生產效率提高，生產周期縮短，生產又比較順暢，再加上平時的生產任務又重，所以也就沒有人再動改進設計的念頭，以致使得這一次不大的改進持續應用十多年。

近十年來，該種設備生產技術越來越成熟，市場的需求量也急劇膨脹，再加上同行的競爭壓力也很大，該型設備已從20世紀90年代初的4 萬多，降到現在的2 萬多，競爭的殘酷性可想而知。

怎樣才能在保證產品性能質量不變的前提下，大幅度降低生產成本，縮短生產周期，提高供貨能力，短時間內給用戶提供質優價廉的設備，無疑是亟待解決的關鍵性、綜合性的一大難題。

機械設備是為了完成既定的某些功能，有多種零、部件有機組合。機械零件的數量越多，結構越復雜，尺寸公差要求越嚴，加工時間就越長，加工成本就會增加，加工周期也自然變長。

圖4 最新改進偏心轉動連接機構

零件結構越簡單，零件數量越少，零件精度越低，能買到的盡量買通用件、標準件，這樣在理論上講，可以大幅度降低成本，縮短加工周期。

長時間伴隨著這種理念和想法，便有了下面更簡單的改進設計。具體設計見圖4。

在這種改進設計里面，基本上看不到加工的零件，零件簡單，數量極少，最大限度地借用常用件、標準件。具體分述如下:

T 型套1 是這次設計里面唯一的一個加工零件，簡單。同時，也可用幾個疊加組合的平墊圈和一個放在上面的彈簧墊圈替代，但要求高度要和T 型套1 的高度基本一致。

T 型螺釘2 為標準件，M12 ×70，價格1 元左右，可代替方頭螺栓——原來設計中為加工零件。

關節軸承(PHS12)3 直接購買，價格不到5元，大約是原來調心球軸承2203 價格的1/8。

通過查軸承手冊，選用的關節軸承PHS12 要比原調心球軸承2203 的動載荷數值大30%以上，靜載荷數值大300%以上。因該結構的轉動速度理論數值為72 r/min，所以極限轉速也就不須再考慮。

通過以上的分析可得到以下的結論:

在成本方面。改進設計后，4 個品種4 個件，基本沒有加工周期，隨時都可以大量采購到，價格成本也僅有8～10 元，只有原設計結構造價的1/15 左右。

在裝配方面。因為結構的簡化設計，裝配更加方便、省心。就螺釘而言，3 個品種共12 個螺釘全部省略。同時，原結構的零件分別有5 處和6 處的配合關系，也全部省略掉。對于僅有的4 個件，既沒有配合關系的要求，也沒有裝配的精度要求，裝配的時間肯定大大縮短。對裝配人員的個人技能和裝配工具的要求更加簡單，人力、物力的成本自然大幅度降低。

在加工方面。原設計結構有6 個零件，其中4 個工序復雜，還有1 個鑄造件。改進設計后，零件數量也僅有1 個(也可以說沒有，用標準件替代)，且比較簡單，沒有加工難度。比起以往的設計，加工周期變得很短，已經可以忽略不計;同時，相關的制造成本也大幅度降低，以致于忽略不計。

綜上分析，最新的偏心轉動機構設計的關鍵點，也是該設計的亮點，就是桿端關節軸承PHS12 的選用。通過選用這一常用件軸承，一切問題都迎刃而解。結果是，一套常見的、便宜的關節軸承代替比較少見的、昂貴的調心球軸承，同時又甩掉了絕大多數比較難加工、并且有配合關系的零件，也把相關的固定螺絲全部省略，節約了人力、物力成本，節約了零件加工、裝配時間，大大縮短了加工周期，為該產品在市場競爭中爭得了最大的優勢和機會。

此結構設計好后，在短時間內，已批量生產，大量應用在生產設備中。同時，也有不少廠家開始關注、仿制此結構。此結構自設計出來到現在的兩年時間里，已在社會上得到了認可，大量的推廣和應用，已經和正在產生著更大的社會經濟效益。

4 結論

首次改進的偏心轉動機構，現對于原結構來說，最大的優勢在于提高生產裝配效率，縮短了加工周期，提前了交貨的時間，為爭得客戶贏得了信譽。

最新改進的偏心轉動機構，對比前兩次的設計來說，是一次脫胎換骨的設計，在設計改進方面發生了質的飛躍。此設計不但使制造成本、生產效率、加工周期等方面發生了質的突變，而且也在市場競爭中因物美價廉，交貨快，為客戶贏得利潤，得到了客戶的信賴。

一套簡單的桿端關節軸承，就完成了一套比較復雜的轉動機構，并且還帶來了多方面的益處和經濟效益。可以說是，一套簡單的軸承玩轉了一套比較復雜的結構，花了很少的精力、資金，辦了件大事，值得深思和借鑒。同時，此設計結構，也為以后解決類似的設計問題，提供了一個良好的方法、思路和途徑。

［1］徐灝.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［2］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］吳宗澤.機械設計師［M］.北京:機械工業出版社，2006.