機(jī)電裝備第三章.ppt

1、第三章 機(jī)電裝備傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),3-1 同步帶傳動(dòng), 3-2 高速帶傳動(dòng), 3-3 諧波齒輪傳動(dòng), 3-4 滾珠螺旋傳動(dòng), 3-5 軸 系,第三章, 習(xí) 題,3-4 滾珠螺旋傳動(dòng),3-4 滾珠螺旋傳動(dòng),一、工作原理及特點(diǎn),滾珠絲杠副已成為應(yīng)用非常普遍的傳動(dòng)元件，可用于精密定位，自動(dòng)控制、動(dòng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換等場(chǎng)合。,滾珠螺旋傳動(dòng)亦稱滾珠絲桿副，它是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦取代滑動(dòng)摩擦，從而提高傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。螺母上裝有返向器，滾珠通過此裝置自動(dòng)返回其入口，形成循環(huán)通道。,滾珠絲杠副特點(diǎn)：,（1）傳動(dòng)效率高 傳動(dòng)效率可達(dá)85%98%，是滑動(dòng)絲杠副的24倍。,（2）

2、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，啟動(dòng)摩擦力矩與運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)，低速時(shí)無爬行。,（3）傳動(dòng)可逆和不自鎖性 正傳動(dòng)與逆?zhèn)鲃?dòng)的效率幾乎同樣高達(dá)98%。沒有自鎖性，在垂直升降機(jī)構(gòu)中使用滾珠絲杠副時(shí)，必須附加自鎖或制動(dòng)裝置。,（4）能夠預(yù)緊 通過施加預(yù)緊力可產(chǎn)生過盈消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，而摩擦力矩卻增加不大。,（5）定位精度和重復(fù)定位精度高,由于滾珠絲杠副在工作過程中摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，并可消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，因此能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。,滾珠螺旋傳動(dòng),（6

3、）同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)驅(qū)動(dòng)相同的部件或裝置時(shí)，由于反應(yīng)靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動(dòng)的同時(shí)性、運(yùn)行中的速度和位移等，都具有準(zhǔn)確的一致性，即同步性好。,（7）使用壽命長(zhǎng) 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度(HRC 5862)、高精度，具有較長(zhǎng)的工作壽命和精度保持性。一般地滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動(dòng)絲杠副高410倍以上。,二、滾珠螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式,滾珠螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式很多，其主要區(qū)別在于螺紋滾道的截面形狀，滾珠的循環(huán)方式和消除軸向間隙和調(diào)整預(yù)緊力方法等三個(gè)方面。下面就此作簡(jiǎn)單介紹。,1滾道法向截面的形狀,螺紋滾道法向截面的形狀有矩形、單園弧型面和雙園弧型面三種，如 圖3.14

4、所示。,矩形型面 易于制造，接觸應(yīng)力高，承載能力低，只用在軸向載荷小、要求不高的傳動(dòng)。,滾珠循環(huán)方式,單園弧滾道 型面成形比較簡(jiǎn)單，而且易于得到較高的加工精度。但接觸角不易控制，它隨初始間隙和軸向力大小而變化，因而其傳動(dòng)效率，承載能力和軸向剛度均不穩(wěn)定。單圓弧型要有一定的徑向間隙，使實(shí)際接觸角45o,雙園弧滾道 能保持一定的接觸角，傳動(dòng)效率，承載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定，但砂輪成型較復(fù)雜，不易獲得較高的加工精度，螺旋槽底部不與滾珠接觸，可容納一定的潤(rùn)滑油和臟物，以減小摩擦和磨損。雙圓弧型的理論接觸角38o45o，實(shí)際接觸角隨徑向間隙和載荷而變。,2滾珠循環(huán)方式,按滾珠循環(huán)過程中與絲桿表面的接觸情

5、況，可分為內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)兩種。,（1）內(nèi)循環(huán),滾珠在循環(huán)過程中始終與絲桿表面保持接觸的循環(huán)方式稱為內(nèi)循環(huán)。按反向器結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)循環(huán)可分為固定式和浮動(dòng)式。,滾珠循環(huán)方式,1）固定式 如圖3.15 所示，反向器為圓形帶凸鍵，不能浮動(dòng)，故稱為固定式反向器。一般在一個(gè)螺母上裝有24個(gè)均勻分布的反向器，（稱作24列），反向器沿螺母圓周方向均勻分布。,2）浮動(dòng)式 浮動(dòng)式反向器可以做到無間隙有預(yù)緊，剛度較高，回珠槽進(jìn)出口自動(dòng)對(duì)接，通道流暢，摩擦特性好，但制造成本較高。,內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 回路短，滾珠的數(shù)量少，滾珠間摩擦損失小，傳動(dòng)效率和傳動(dòng)靈敏度高，螺母徑向和軸向尺寸較小，返向器剛性高，滾珠循環(huán)裝置有較高的

6、可靠性，高頻浮動(dòng)式還能達(dá)到回珠槽進(jìn)出口的自動(dòng)對(duì)接，通道流暢。但精度要求高，反向器的加工、裝配、調(diào)試較困難，吸振性能差，其加工誤差對(duì)循環(huán)的流暢性和傳動(dòng)平穩(wěn)性有影響。適用于高精度的精密進(jìn)給系統(tǒng)，而不適用于重載系統(tǒng)。,（2）外循環(huán),滾珠在循環(huán)的過程中，有一段離開絲桿滾道型面的循環(huán)方式稱為外循環(huán)，按其結(jié)構(gòu)的不同，外循環(huán)可分為螺旋槽式、插管式和端蓋式。,1）螺旋槽式 這種結(jié)構(gòu)是在螺母外圓柱面上銑出螺旋凹槽，槽的兩端均有通孔分別與螺旋孔道相切，形成滾珠返回的通道。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力較高，成本低。由于螺旋槽與通孔聯(lián)接處曲率半徑小，滾珠的流暢性較差，所以擋球器端部易磨損，它只適用于一般工程機(jī)械。,預(yù)緊方

7、式,2）插管式 如圖3.19所示，可做成多圈多列，以提高承載能力。插管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，管彎可制成滾珠流暢的通道。插管式在大導(dǎo)程多頭螺紋中顯示其獨(dú)特優(yōu)越性，廣泛用于高速重載，精密定位系統(tǒng)中。,3）端蓋式 這種結(jié)構(gòu)在螺母兩端加端蓋，螺母上鉆有軸向通孔作為滾珠的通道，在螺母兩端的端蓋上銑出短槽與螺紋滾道和縱向通孔相切，引導(dǎo)滾珠進(jìn)出通道構(gòu)成滾珠循環(huán)回路。,3預(yù)緊方式,滾珠螺旋軸向有間隙，或者因在載荷作用下滾珠與滾道接觸處的彈性變形而產(chǎn)生間隙，當(dāng)改變絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，將產(chǎn)生空程，從而影響機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。為了消除空程，提高滾珠螺旋的傳動(dòng)精度，應(yīng)采取措施消除軸向間隙。根據(jù)預(yù)緊方法結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，可分為

8、以下幾種類型。,（1）雙螺母墊片式(D) 這種方法是通過調(diào)整(或修磨)墊片厚度，使兩螺母產(chǎn)生軸向距離改變，從而達(dá)到消除軸向間隙的目的。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝御方便，剛性大，工作可靠，應(yīng)用最為廣泛。但調(diào)整不方便，不能隨時(shí)調(diào)隙預(yù)緊。圖3.20(a)拉伸預(yù)緊，使用較多。圖3.20(b)為壓縮預(yù)緊。,預(yù)緊方式,（2）雙螺母螺紋式(L) 如圖3.21所示，通過調(diào)整端部的圓螺母，使絲杠右螺母沿軸向向右移動(dòng)，產(chǎn)生拉伸預(yù)緊，從而消除間隙。特點(diǎn)：這種方法結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，工作可靠，應(yīng)用廣，但預(yù)緊量不容易控制。,這種結(jié)構(gòu)能精確地調(diào)整預(yù)緊，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較困難，宜用于高精度的傳動(dòng)和定位機(jī)構(gòu)中。,（4）單

9、螺母變位導(dǎo)程式(B) 這種方法是對(duì)螺母的內(nèi)螺紋進(jìn)行變位來消除間隙和預(yù)緊。如圖3.23所示，在螺母體內(nèi)將兩個(gè)閉式滾珠鏈中間過渡區(qū)域內(nèi)整數(shù)倍的導(dǎo)程ntsp變?yōu)閚tspPh。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，可避免雙螺母結(jié)構(gòu)中形位誤差的干涉。,（5）單螺母增大鋼球直徑式(Z) 這如圖3.24所示，種方法一般用于雙圓弧形滾道，通過安裝直徑比正常直徑稍大的滾珠，來達(dá)到自行消除間隙預(yù)緊的目的。它主要用于軸向尺寸受到限制、預(yù)緊力不大的場(chǎng)合。,滾珠絲杠副的精度,三滾珠絲杠副的精度,滾珠絲杠副的制造成本，主要取決于制造精度和長(zhǎng)徑比。因?yàn)橹圃炀仍礁?，長(zhǎng)徑比越大，工藝難度越大，成品合格率越低。,分為七個(gè)精度等級(jí)，即l、2、3

10、、4、5、7、10級(jí)，1級(jí)最高，依次遞減。具體應(yīng)用中滾珠絲杠副精度等級(jí)的選定可參考有關(guān)表的推薦值。,根據(jù)滾珠絲杠副的類型，滾珠絲杠副可分定位P類和傳動(dòng)T類。具體精度項(xiàng)目分三類。,（1）行程偏差和行程變動(dòng)量 （2）跳動(dòng)和位置公差 （3）性能檢驗(yàn),性能檢驗(yàn)項(xiàng)目有：動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩極限偏差、軸向接觸剛度等。按規(guī)定的測(cè)試方法、精度等級(jí)和有關(guān)參數(shù)從相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)表中求得允差。,四滾珠絲杠副的支承與聯(lián)接,1.滾動(dòng)軸承的選擇,為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度、高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計(jì)。滾珠絲杠主要承受軸向載荷，除絲杠自重外，一般無徑向外載荷。因此，滾珠絲杠軸承的軸向精度

11、和剛度要求較高。進(jìn)給系統(tǒng)要求運(yùn)動(dòng)靈活，對(duì)微小位移(絲杠微小轉(zhuǎn)角)響應(yīng)要靈敏，因此，應(yīng)選用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動(dòng)軸承。,絲杠副的支承形式,滾珠絲杠固定支承的主要結(jié)構(gòu)形式如圖3.27所示。由于60o接觸角推力角接觸球軸承具有接觸角大、剛度大、承載能力大、啟動(dòng)摩擦力矩小、靈敏度高、能承受軸向和徑向載荷、安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在各類軸承中用得最多。,2滾珠絲杠副的支承形式,滾珠絲杠副的支承，主要是約束絲杠的軸向竄動(dòng)，其次才是徑向約束。較短的絲杠或垂直安裝的絲杠，可以采用單支承形式(一端固定，一端無支承)；水平安裝絲杠較長(zhǎng)時(shí)，可以一端固定，一端游動(dòng)；對(duì)于精密和高精度機(jī)床的滾珠絲杠副，為了提高

12、絲杠的拉壓剛度，可以兩端固定；為了補(bǔ)償熱膨脹和減少絲杠因自重下垂，兩端固定絲杠還可以進(jìn)行預(yù)拉伸。滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)形式，可分為四種類型(見表3.22)。,滾珠絲杠副常用支承結(jié)構(gòu)如圖3.28 所示。,3.聯(lián)接結(jié)構(gòu),滾珠絲杠常用于精密傳動(dòng)裝置中，為消除鍵聯(lián)接間隙，除在鍵聯(lián)接中增加消隙裝置外，常采用彈性環(huán)聯(lián)接。 如圖3.29為彈性環(huán)聯(lián)接。,制動(dòng)裝置,4制動(dòng)裝置,由于滾珠絲杠副無自鎖作用，特別對(duì)垂直安裝的滾珠絲杠副，必須安裝制動(dòng)裝置。常用的有利用電磁制動(dòng)器對(duì)絲杠進(jìn)行制動(dòng)和利用單向超越離合防止絲杠逆轉(zhuǎn)的制動(dòng)裝置。圖2-30為數(shù)控臥式銑鏜床主軸箱進(jìn)給絲杠的制動(dòng)裝置示意圖。,五滾珠絲杠副的選擇計(jì)算,當(dāng)量負(fù)荷

13、和當(dāng)量轉(zhuǎn)速,2當(dāng)量負(fù)荷和當(dāng)量轉(zhuǎn)速,在變轉(zhuǎn)速和變負(fù)荷的情況下，必須折算成當(dāng)量負(fù)荷Fe和當(dāng)量轉(zhuǎn)速ne進(jìn)行壽命計(jì)算。,3滾珠絲杠副的選用,當(dāng)滾珠絲杠副在較高轉(zhuǎn)速(一般轉(zhuǎn)速1000r/min)下工作時(shí)，應(yīng)按其使用壽命選擇基本尺寸，并校核其承載能力是否超過額定動(dòng)負(fù)荷。當(dāng)滾珠絲杠副在低速(一般轉(zhuǎn)速n30 r/min)下工作時(shí)，應(yīng)按其使用壽命和額定靜負(fù)荷兩種方法確定基本尺寸，并選擇其中較大的尺寸。當(dāng)滾珠絲杠副在靜負(fù)荷下工作時(shí)，則只需按額定靜負(fù)荷選擇尺寸。,臨界壓縮負(fù)荷和臨界轉(zhuǎn)速,4 . 滾珠絲杠副的臨界壓縮負(fù)荷和臨界轉(zhuǎn)速,（1）臨界壓縮負(fù)荷,（2）臨界轉(zhuǎn)速 在高速下工作的長(zhǎng)絲杠，有可能發(fā)生共振。不發(fā)生共振的

14、最高轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。為防止絲杠彎曲共振，應(yīng)按下式驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速nn,5.滾珠絲杠副的系統(tǒng)剛度和固有頻率,滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度Ke取決于絲杠本身的拉壓剛度KS、絲杠副內(nèi)滾珠與滾道的接觸剛度KC、軸承的接觸剛度KB和螺母座的剛度KH，按表3.28中不同支承組合方式的計(jì)算公式而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計(jì)算。,6絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)中由溫升引起的軸向位移t 及其補(bǔ)償,對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸可以補(bǔ)償熱膨脹，若保證絲杠預(yù)拉伸變形量等于或略大于熱膨脹量t ，則絲杠熱膨脹時(shí)，會(huì)使預(yù)拉力下降以至消失。,絲杠經(jīng)過預(yù)

15、拉伸，其行程在全長(zhǎng)上增大了。因此，制造絲杠時(shí)，應(yīng)使絲杠的目標(biāo)行程小于。即按專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2-91的規(guī)定，對(duì)絲杠行程精度提出負(fù)的方向目標(biāo)值，使絲杠螺紋在有效長(zhǎng)度lu范圍內(nèi)的實(shí)際行程比標(biāo)準(zhǔn)值小。拉伸后，使行程等于標(biāo)準(zhǔn)值。,滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩，主要用于克服摩擦阻力和產(chǎn)生加速度。摩擦力矩用于克服外加負(fù)荷、自重等與密封元件產(chǎn)生的摩擦力，慣性力矩用于產(chǎn)生加速度，一般按等加速計(jì)算。具體計(jì)算方法參見第6章。,7. 滾珠絲杠副選擇計(jì)算示例,如圖3.27所示為某數(shù)控立銑工作臺(tái)進(jìn)給用的滾珠絲杠副，有關(guān)參數(shù)如下：,工作臺(tái)與工件共重 W8000N； 工作臺(tái)最大行程 l1000mm； 工作臺(tái)與導(dǎo)軌滑動(dòng)摩

16、擦系0.05； 齒輪傳動(dòng)比uz1/z225/45，齒輪模數(shù)m2； 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為J17.3210-4 kg m2，J276.810-4 kg m2； 采用雙推一雙推(FF)支承組合方式，運(yùn)轉(zhuǎn)一般； 切削方式及定位精度： 銑削(直線控制)定位精度0.02/300mm,鉆鏜(點(diǎn)位控制)定位精度0.01/300mm； 各種切削方式的縱向切削力Fa、進(jìn)給速度v和占用時(shí)間比例t%如表3.29 。,計(jì)算示例,計(jì)算示例,表3.29 切削力Fa、進(jìn)給速度v和占用時(shí)間比例t%,絲杠螺母副材料硬度HRC5860，工作溫度小于100oC，溫升4 oC，可靠性要求95%。試選定適當(dāng)?shù)臐L珠絲杠副。,等效轉(zhuǎn)速 ne=n1

17、t1%+n2t2%+=5020%+8025%+10050%+10005%=130r/min,等效負(fù)荷,2）初選絲杠 取Lh15000h。,根據(jù)工作條件查得：ft1，fa1，fw1.35，fh1，fk0.62。（用式324）,計(jì)算示例,查有關(guān)插管埋入式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，查得型號(hào)CMD3210-2.4的額定動(dòng)負(fù)荷Ca25909N，額定靜負(fù)荷Coa56930N，Kc955N/m，螺母長(zhǎng)度L=129mm，tsp10mm，余程為40mm。,螺紋長(zhǎng)度 Lu1000+129+24012091200mm 支承跨距 L11400mm 絲杠全長(zhǎng) L1500mm,預(yù)拉伸量：取溫升為3.5oC； 螺紋伸長(zhǎng)量

18、tttLu1110-63.5l.246.2m； 絲杠全長(zhǎng)伸長(zhǎng)量 ttL11110-63.5l.557.75m； 取預(yù)拉伸量 0.06mm。,計(jì)算示例,（4）定位精度驗(yàn)算,強(qiáng)力銑削 F14400N SFmax16.72m 一般銑削 F12400N SFmax9.12m 精細(xì)銑削 F1900N SFmax3.42m 快速移動(dòng) F1400N SFmax1.9m,計(jì)算示例,查得所選滾珠絲杠副的Kc955N/m,強(qiáng)力銑削 c14.6m 一般銑削 c22.51m 精細(xì)銑削 c30.94m 快速移動(dòng) c40.52m,3) 軸承的接觸變形B 60o接觸角推力角接觸球軸承的軸向剛度按下式計(jì)算：,強(qiáng)力銑削 B11

19、5.6m 一般銑削 B28.5m 精細(xì)銑削 B33.2m 快速移動(dòng) B41.8m,4)螺母座剛度KH,取KH1000N/m HFa / KH 強(qiáng)力銑削 H14.4m 一般銑削 H22.4m 精細(xì)銑削 H30.9m 快速移動(dòng) H40.4m,強(qiáng)力銑削 141.32m 一般銑削 222.53m 精細(xì)銑削 38.46m 快速移動(dòng) 44.62m,計(jì)算示例,6)定位精度 F-F型支承方式的SFmax在絲杠中間，應(yīng)驗(yàn)算此處的定位精度。,1、2、3級(jí)精度的絲杠在任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量分別為6、8、12m。若取2級(jí)精度，精細(xì)銑削時(shí)的總誤差為8.46+816.46m。滿足銑削0.02/300的要求。快速銑

20、削時(shí)的總誤差為4.62+812.62m。不滿足鏜削0.01/300的要求,（5）拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率,2) 軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率s,=562 r/s5368r/min1000r/min,3) 扭轉(zhuǎn)剛度 扭轉(zhuǎn)剛度KT按下式計(jì)算,計(jì)算示例,8. 滾珠絲杠副的防護(hù),（2）滾珠螺母的密封,滾珠螺母兩端的密封圈如圖3.29所示。材料為聚四氟乙烯或尼龍。這種接觸式密封要防止松動(dòng)而產(chǎn)生附加阻力,（3）滾珠絲杠副的潤(rùn)滑,一般滾珠絲杠副的潤(rùn)滑劑一般用鋰基潤(rùn)滑脂。高速或溫升要求嚴(yán)格時(shí)用汽輪機(jī)油，采用循環(huán)潤(rùn)滑和其他潤(rùn)滑方式。,3-5 軸 系,3-5 軸 系,軸系是由軸、軸承和安裝于軸上的傳動(dòng)體、密封件及定

21、位件組成。其主要功能是支承旋轉(zhuǎn)零件、傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。,軸系可分為傳動(dòng)軸軸系和主軸軸系，一般對(duì)傳動(dòng)軸的要求不高，而作為執(zhí)行件的主軸對(duì)保證機(jī)械功能、完成機(jī)械主運(yùn)動(dòng)有著直接的影響，因此對(duì)主軸有較高的要求。,一、主軸組件的基本要求,1回轉(zhuǎn)精度,瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置偏離，就是回轉(zhuǎn)軸件的瞬時(shí)誤差，這些瞬時(shí)誤差的范圍就是軸件回轉(zhuǎn)精度。,軸件誤差分為三種基本形式：沿理想中心線的軸向移動(dòng)軸向漂移；沿理想回轉(zhuǎn)中心線的相互垂直的軸的徑向移動(dòng)徑向漂移；繞垂直于理想回轉(zhuǎn)中心線的相互垂直的軸的擺動(dòng)角向漂移。,影響軸件回轉(zhuǎn)精度的主要因素有：,（1）主軸 支承軸頸的圓度、同軸度誤差，主軸的振動(dòng)等引發(fā)

22、徑向誤差。,（2）軸承 如滾道的圓度、滾動(dòng)體直徑和圓度的不一致性引發(fā)徑向誤差，軸承端面對(duì)軸件軸頸的垂直度和推力軸承的滾道與滾動(dòng)體誤差引發(fā)軸向誤差。,（3）箱體孔 圓度、同軸度誤差等引發(fā)徑向誤差。,主軸組件的基本要求,2剛度, 靜剛度靜剛度是指彈性體在靜態(tài)外力或轉(zhuǎn)矩（交變頻率低于0.167Hz） 的作用下抵抗變形的能力(Kj=Fj / Yj)。, 動(dòng)剛度動(dòng)剛度是指在交變動(dòng)載荷作用下抵抗動(dòng)態(tài)位移的能力 (Kd=Fd / Yd)。,3抗振性,與抗振性相關(guān)的因素有：主軸部件的靜剛度、質(zhì)量分布、阻尼等。,4溫升和變形,溫升的影響要看溫升形成的溫度場(chǎng)對(duì)軸心線的對(duì)稱度和溫升梯度。只要溫度場(chǎng)對(duì)軸線是對(duì)稱分布，

23、而且主軸相近各點(diǎn)溫差不大，對(duì)主軸精度的影響也不大。,5精度保持性,軸系組件的精度保持性是指長(zhǎng)期地保持其原始制造精度的能力?；瑒?dòng)和滾動(dòng)軸承的磨損，使軸系組件喪失原有的旋轉(zhuǎn)精度，而且將降低剛度和抗振性， 因此須保證各滑動(dòng)表面的耐磨性和有調(diào)整間隙的可能。,精度保持性的影響因素主要是：軸件、軸承的材料與熱處理，軸承(或襯套)的類型及潤(rùn)滑方式等。,主軸軸承的選擇及滾動(dòng)軸承,二主軸軸承的選擇及滾動(dòng)軸承,軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、配置、精度、安裝、調(diào)整和潤(rùn)滑等都直接影響主軸組件的工作性能。主軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大程度上由其軸承決定。因此主軸軸承應(yīng)具有：旋轉(zhuǎn)精度高、剛度大、承載能力強(qiáng)、抗振性好、速度

24、性能高、摩擦功耗小、噪聲低和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。,主軸軸承可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類，在使用中，應(yīng)根據(jù)主軸組件工作性能要求、制造條件和經(jīng)濟(jì)效果綜合考慮合理地選用,1. 常用主軸滾動(dòng)軸承的類型,主軸組件中常用的滾動(dòng)軸承，除了圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、向心推力球軸承和滾針軸承等一般類型的軸承之外，還有如 圖3.35 所示的幾種主軸滾動(dòng)軸承。,（1）圓錐孔雙列圓柱滾子軸承,如圖3.35(a)，內(nèi)圈有標(biāo)準(zhǔn)錐度為112的錐孔，與主軸錐形軸頸配合。通過軸向移動(dòng)內(nèi)圈，改變其在主軸上的位置來調(diào)節(jié)軸承的徑向間隙和預(yù)緊量。,特點(diǎn)：承載能力較大，只能承受徑向載荷，不能承受軸向載荷，也不能限制軸向位移。旋轉(zhuǎn)精度高，徑

25、向結(jié)構(gòu)緊湊和壽命長(zhǎng)，廣泛用在車床、銑床、鏜床、磨床及數(shù)控車床上。,主軸軸承的選擇,特點(diǎn)：承載能力和精度較高，與一般的推力球軸承比較，其允許的極限轉(zhuǎn)速可高出1.5倍，而且溫升低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和工作可靠。因此，這種軸承適用于高速、精密機(jī)床的主軸組件中。,2滾動(dòng)軸承的選用,滾動(dòng)軸承的選用，主要看轉(zhuǎn)速、載荷、結(jié)構(gòu)尺寸要求等工作條件。軸系的徑向載荷與軸向載荷分別由不同軸承承受，受力狀態(tài)較好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜尺寸大。, 中高速重載可選雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承(若配推力軸承，則極限轉(zhuǎn)速降低)。成對(duì)圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但極限轉(zhuǎn)速較低?？招膱A錐滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速提高，但成本較高。,軸承的精度與配合, 高速

26、輕載可選成組角接觸球軸承，根據(jù)軸向載荷的大小分別選用 25或 15接觸角。, 軸向載荷為主精度不高時(shí)，選用推力軸承配深溝球軸承；精度較高，選用推力向心軸承。,3滾動(dòng)軸承的精度與配合,軸承精度選擇依據(jù)主要是載荷方向。如僅受徑向載荷的深溝球軸承和圓柱滾子軸承，主要根據(jù)內(nèi)、外圈的徑向跳動(dòng)，而推力軸承的精度等級(jí)，應(yīng)按主軸組件軸向竄動(dòng)允差，然后考慮其他因素的影響來選擇。,主軸前后支承的精度對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響如圖3.36所示。圖3.36 (a)表示前軸承內(nèi)圈有偏心量0，后軸承偏心量為零的情況，這時(shí)反映到主軸端部的偏心量為：,圖3.36(b)表示后軸承內(nèi)圈有偏心量0，前軸承偏心量為零的情況，這時(shí)反映到主軸

27、端部的偏心量為：,由此可見，前軸承內(nèi)圈的偏心量對(duì)主軸端部精度的影響較大，后軸承的影響較小。因此，前軸承的精度應(yīng)當(dāng)選得高些，通常要比后軸承的精度高一級(jí)。,主軸的滑動(dòng)軸承,三、主軸的滑動(dòng)軸承,滑動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中阻尼性能好，故有良好的抗振性和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。按照流體介質(zhì)不同，主軸滑動(dòng)軸承可分為液體滑動(dòng)軸承和氣體滑動(dòng)軸承；液體滑動(dòng)軸承根據(jù)油膜壓力形成的方法不同，有動(dòng)壓軸承和靜壓軸承之分；動(dòng)壓軸承又可分為單油楔和多油楔等。,1液體動(dòng)壓軸承,液體動(dòng)壓軸承的工作原理與斜楔的承載機(jī)理相同，動(dòng)壓軸承依靠主軸以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)帶著潤(rùn)滑油從間隙大處向間隙小處流動(dòng)，形成壓力油楔而將主軸浮起，產(chǎn)生壓力油膜以承受載荷。,1）球頭

28、浮動(dòng)式 圖3.37所示為短三瓦滑動(dòng)軸承。由于軸 承背面的凹球位置是不對(duì)稱的，故主軸只宜朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，不許反轉(zhuǎn)，否則不能形成壓力油楔。它的油膜壓力需在一定的軸頸圓周速度(v4m/s)時(shí)形成。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維修方便，比滾動(dòng)軸承抗振性好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，故在各類磨床的主軸組件中得到廣泛的應(yīng)用。,2）薄壁彈性變形式 圖3.38所示。楔的入口端。主軸可正反雙向旋轉(zhuǎn)。圖3.39為另一結(jié)構(gòu)形式。,主軸的滑動(dòng)軸承,3）整體成形式 圖3.40所示。主鈾單向旋轉(zhuǎn)，圖中為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)壓。,特點(diǎn)： 動(dòng)壓軸承在轉(zhuǎn)速低于一定值時(shí)，壓力油膜就形成不了；如果旋轉(zhuǎn)停止，壓力油膜就要消失。所以當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低或啟動(dòng)、停

29、止過程中，軸頸就要與軸承接觸、發(fā)生干摩擦。主軸轉(zhuǎn)速變化后壓力油膜厚度也隨之變化，則軸心位置要改變。,2液體靜壓軸承,液體靜壓軸承是由外界供給一定的壓力油于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面間，不依賴于它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度就能建立壓力油膜。,（1）液體靜壓軸承特點(diǎn),1）具有良好的速度與方向適應(yīng)性 既能在極低的轉(zhuǎn)速下，又能在及高的轉(zhuǎn)速下工作，在主軸正反向旋轉(zhuǎn)及換向瞬間均能保持液體摩擦狀態(tài)。因此廣泛用于磨床、車床及其它需要經(jīng)常換向的主運(yùn)動(dòng)主軸上。,2）可獲得較強(qiáng)的承載能力 只要增大油泵壓力和承載面積，就可增大軸承的承載能力，故可用于重型機(jī)械中。如用于重達(dá)5002000 t的天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)部件的支承。,主軸的滑

30、動(dòng)軸承,3）摩擦力小、軸承壽命長(zhǎng) 由于是完全液體摩擦，摩擦系數(shù)非常小，如用30號(hào)機(jī)油時(shí)摩擦系數(shù)約為0.0005，摩擦力很小。軸頸和軸承之間沒有直接磨損，軸承能長(zhǎng)期地保持精度。,4）旋轉(zhuǎn)精度高，抗振性好 在主軸軸頸與軸承之間有一層高壓油膜，具有良好的吸振性能，使主軸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，它的油膜剛度高達(dá)800牛/微米。,5）對(duì)供油系統(tǒng)的過濾和安全保護(hù)要求嚴(yán)格 要求配備一套專用供油系統(tǒng)，軸承制造工藝復(fù)雜。,（2）靜壓軸承的工作原理,如圖3.41所示，若軸重不計(jì)，四個(gè)節(jié)流器的液阻相等，即Rg1Rg2Rg3Rg4Rg0，此時(shí)四個(gè)油腔壓力相等，即Pr1Pr2Pr3Pr4Pr0。軸和軸套中心重合，被一層包圍著的等厚油

31、膜隔開。,當(dāng)軸受徑向載荷W時(shí)，軸心O下移e到Ol位置，各油腔的壓力發(fā)生變化。油腔1的間隙增大，液阻Rh1減小，流量增大，節(jié)流器液阻Rg1增大，使油腔壓力Pr1降低；油腔3正相反，間隙減小，液阻Rh3增大，流量減小，節(jié)流器液阻Rg3減小，使油腔壓力Pr3升高；油腔2、4壓力不變。,可見液體靜壓軸承的兩個(gè)特點(diǎn)：若軸重不計(jì)，壓力油通入先把軸托到軸瓦中心脫離接觸，再無機(jī)械摩擦啟動(dòng)軸；載荷作用使軸偏離中心，油膜壓力有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，將軸托向原位。,靜壓軸承,（3）液體靜壓軸承的型式,1）雙半球式 圖3.42所示 2）雙扁錐式 圖3.43所示 3）圓柱平面式 圖3.44所示,3 . 空氣動(dòng)壓及靜壓軸承（略）

32、,4. 磁浮軸承,磁浮軸承軸承是利用磁力將軸無機(jī)械摩擦、無潤(rùn)滑地懸浮在空間的一種新型軸承。目 前用于空間工業(yè)(如人造衛(wèi)星的慣性輪和陀螺儀飛輪及低溫透平,泵)、機(jī)床工業(yè)(大直徑磨 床、高精度車床)、輕工業(yè)(透平分子真空泵、離心 機(jī)、小型低溫壓縮機(jī))、重工業(yè)(壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、電 動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī))等。,磁浮軸承的工作原理如圖3.50所示。徑向磁力軸承由轉(zhuǎn)子1和定子2組成。定子裝有電磁體，使轉(zhuǎn)子懸浮在磁場(chǎng)中。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由位移傳感器4隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的偏心，并通過反饋與基準(zhǔn)信號(hào)(轉(zhuǎn)子的理想位置)進(jìn)行對(duì)比。調(diào)節(jié)偏差從而改變對(duì)轉(zhuǎn)子的磁吸力，使轉(zhuǎn)子向理想位置復(fù)位。,主軸組件的布局,四、主軸組

33、件的布局,1主軸軸承的配置型式及要求,主軸有前、后兩支承和前、中、后三支承兩種。主軸軸承的配置，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性等具體情況加以確定。具體地講主軸軸承配置型式的確定應(yīng)遵循以下一般原則。,2幾種典型的主軸軸承 配置型式,主軸軸承的配置型式應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速、剛度、承載能力、抗振性和噪聲等要求來選擇。常見的有以下幾種典型的配置型式：速度型、剛度型和剛度速度型。,推力軸承配置形式比較表3-33,主軸軸承配置型式,（1）速度型,主軸前后軸承都采用具有良好高速性能的角接觸球軸承(雙聯(lián)或三聯(lián))。當(dāng)軸向切削分

34、力較大時(shí)，可選用接觸角為25的球軸承；當(dāng)軸向切削分力較小時(shí)，可選用接觸角為15的球軸承；在相同的工作條件下。前者的軸向剛度比后者大一倍。角接觸球軸承的承載能力較小，因而適用于高速輕載或精密機(jī)床。 如圖3.52所示。,（2）剛度型,前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60角接觸雙列向心推力球軸承承受軸向載荷。后支承采用雙列短圓柱滾子軸承。這種軸承配置的主軸部件，適用于中等轉(zhuǎn)速和切削負(fù)載較大，要求剛度高的機(jī)床。如圖3.53所示,（3）速度剛度型,（4）三支承主軸,由于結(jié)構(gòu)上的原因，主軸箱長(zhǎng)度較大，主軸支承跨距超過兩支承合理跨距很多，則增加中間支承有利于能提高剛度和抗振性。,前軸承采用三聯(lián)角接

35、觸球軸承，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承。主軸的動(dòng)力從后端傳人，后軸承要承受較大的傳動(dòng)力、所以采用雙列短圓柱滾子軸承。前軸承的配置特點(diǎn)是：外側(cè)的兩個(gè)角接觸球軸承大口朝向主軸工作端、承受主要方向的軸向力；第三個(gè)角接觸球軸承則通過軸套與外側(cè)的兩個(gè)軸承背靠背配置。使三聯(lián)角接觸球軸承有一個(gè)較大支承跨距，以提高承受顛覆力矩的剛度。,采用三支承雖然可以提高主軸組件的剛度，但增加了零件，并使箱體支承座孔的加工困難。因此應(yīng)盡量少用。至于主軸組件剛度的提高，還可通過提高前支承剛度、加大主軸直徑等辦法達(dá)到。,傳動(dòng)件的合理布置,3. 傳動(dòng)件的合理布置,機(jī)床主軸一般都由膠帶或齒輪傳動(dòng)。合理布置這些傳動(dòng)件的位置和傳動(dòng)力的

36、方向，可以減小主軸的受力和變形，提高主軸組件的剛度和抗振性。,（1）傳動(dòng)件的位置,膠帶傳動(dòng)裝置大多裝在主軸的尾部，以防止膠帶沾油和便于膠帶更換。為改善主軸的受力變形情況，可采用卸荷式結(jié)構(gòu)。,主軸上的傳動(dòng)齒輪一般安置在各主軸支承之間，為了減少主軸的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)盡可能縮短主軸受扭部分的長(zhǎng)度，即這些齒輪應(yīng)安置在靠近主軸前支承處，當(dāng)主軸上的傳動(dòng)齒輪有兩個(gè)時(shí)，應(yīng)使傳遞扭矩大的那個(gè)齒輪更靠近前支承。根據(jù)同樣的道理，主軸上傳遞進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的那個(gè)齒輪，盡管傳出的扭矩并不大，也應(yīng)盡可能布置在靠近后支承處。,（2）傳動(dòng)力的位置和方向,主軸受力變形時(shí)，其端部的撓度和支承上受力的大小，與作用在主軸上的傳動(dòng)力的位

37、置和方向有關(guān)，常見的有圖3.56所示的幾種情況：,1）圖3.56a 不能使切削力Fc和傳動(dòng)力Ft所引起的主軸前端變形部分地相互抵消。所以，這種布局可用于膠帶拉力較小的場(chǎng)合；若膠帶拉力很大，則可考慮采用卸荷式結(jié)構(gòu)。,軸系組件的初步計(jì)算,2）圖3.56 b 能使切削力Fc和傳動(dòng)力Ft所引起的主軸前端變形部分地相互抵消。Fc和傳動(dòng)力Ft均作用于主軸前端，使主軸受扭長(zhǎng)度較短。但是傳動(dòng)件需要安裝在前支承外面，增加了主軸的懸伸長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)上也較復(fù)雜。,3）圖3.56 c、d 大多數(shù)機(jī)床都采用這種布局。圖c所示，F(xiàn)c和傳動(dòng)力 Ft 的方向相同，其所引起的主軸前端變形可相互抵消一部分，但主軸前支承受力較大，要求前軸承有較高的承載能力和剛度。這種布局一般適用于精度較高或前支承剛度較高的機(jī)床。圖 d 所示，F(xiàn)c和傳動(dòng)力 Ft 的方向相反，則主軸前端總變形大，但前支承受力較小，一般適用于精度較高的普通機(jī)床。,五、 軸系組件的初步計(jì)算,（軸徑、齒輪模數(shù)的確定略）,1軸合理跨距的選擇,主軸的跨距(前、后軸承之間的距離)，對(duì)于主軸組件的性能，有相當(dāng)大的影響。合理選擇跨距，是主軸組件設(shè)計(jì)中的一個(gè)相當(dāng)重要的問題。,見圖3. 58的曲線c。顯然存在著一個(gè)最佳的l/a值。這時(shí)，柔度y/F最小，也就是主