機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件——第2章(5)機(jī)械系統(tǒng)的部件選擇與設(shè)計(jì)(軸系)

1、軸糸部件的選擇與役計(jì)一軸系設(shè)計(jì)的基本要求斗人敷有由軸及妥裝在軸上的齒輪、組冬，有主軸軸系和 漿蠶営）。對(duì)于中禽傳動(dòng)慕 形及抗振性等的要家為，廈、熱變旋轉(zhuǎn)精度是指在裝配之后，在無(wú)負(fù)載.低速旋轉(zhuǎn)的條件下， 軸前端的徑旨跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)童。軸系的剛度反映了軸系組件抵抗靜.動(dòng)載荷變形的能力。軸系的振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式。其振動(dòng)原 圖有敬系組件庾量丕勻引起的動(dòng)衡：軸敢則度及 單向受另等；爸們直接影響旋轉(zhuǎn)精廢和軸承壽命。軸系的受熱會(huì)使軸伸長(zhǎng)或使軸系零件間隙發(fā)生變化，影響整 個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度.旋轉(zhuǎn)精度及位置精度。又由 丈溫度的上廿會(huì)使?jié)欛び偷恼扯劝l(fā)生變化，使滑動(dòng)或 滾動(dòng)軸承的杲載能力降低。機(jī)

2、床主軸傳動(dòng)齒輪空間布置比較機(jī)床主軸不僅受切削力還受傳動(dòng)齒輪的圓周力（均可等效為軸心線上的徑向力）的作用, 如按上圖痂置，當(dāng)傳動(dòng)齒輪1和2的圓周力&與作用在軸端的切削力斥同向時(shí)，軸端彎 曲變形量3 = 6心）較小.而前軸承的支承力厶為最大。按圖b布置時(shí)，其為 與斥反 向，軸端變形量（必=0+心）為最大，但前軸承的支承反力最小。設(shè)計(jì)中要綜合考慮 這些因索的影響。二. 軸（主軸）系用軸承的類型與選擇標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承深溝球軸承雙列向心短圓柱滾子軸承-圓錐滾子軸承推力軸承圓錐滾子軸承.雙列推力球軸芳圖a)b)圓錐滾子軸承卜外圈；2隔套；3-圓誰(shuí)滾子；4、5-內(nèi)圈雙列推力球軸承1內(nèi)圏；?.； 3外圈； 4黑套

3、雙列冋心短圓柱滾子軸承酉己奈應(yīng)用例:專母；2姦列稚力球軸孜；5隔套；4泊孔；、套筒；調(diào)楚蛭母；7.主箱上圖為其配套應(yīng)用實(shí)例，雙列向心短圓柱 滾子軸承的徑向間隙調(diào)整，是先將螺母6松開(kāi)、 轉(zhuǎn)動(dòng)螺母1,拉主軸7向左推動(dòng)軸承內(nèi)圈，利用內(nèi) 圈漲大以消除間隙或預(yù)緊。這種軸承只能承受 徑面裁荷。新I向載荷由奴列推力缺軸承2錄受， 用螺母1調(diào)整間隙。軸向力的傳遞見(jiàn)圖中箭頭所 示，車卬向剛應(yīng)較高。這種施力軸條的制造精度 已達(dá)B級(jí)，適用于各種精度的主軸軸系。其預(yù)緊 力和間隙大小調(diào)整用隔套3來(lái)實(shí)現(xiàn)。外圍開(kāi)有油 槽和油孔4,以利于潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承。微型滾動(dòng)軸承Qb)哽裁議郞轄J & J上圖為一精密分度頭主軸系統(tǒng)。它采用

4、的是密 珠軸承，主軸由止推密珠軸承2、4和徑向密珠軸承1、 3組成。這種軸承所用滾珠數(shù)量多且接近于多頭螺旋 排列。由于密集的鋼珠有誤差平均效應(yīng)，減小了局 部誤差對(duì)主軸軸心位置的影響，故主軸回轉(zhuǎn)精度有 所提高；每人鋼珠公轉(zhuǎn)時(shí)沿著自己的滾道滾動(dòng)而不 相重復(fù)，減小了滾道的磨損，主軸回轉(zhuǎn)精度可長(zhǎng)期 保持。實(shí)踐證明，提高鋼珠的密集度有利于主軸回 轉(zhuǎn)精度的提高，但過(guò)多地增加鋼珠會(huì)增大摩擦力矩。 因此，應(yīng)在保證主軸運(yùn)轉(zhuǎn)靈活的前提下，盡量增多 鋼珠數(shù)量。圖b為推力密珠軸承保持架孔分布情況， 圖c為徑向密珠軸承保持架孔的分布情況。液體靜壓軸承丄I乍丿杲理776、PrlW11心5/16R$20b)77液體靜壓軸承

5、工作原理1、2、3、4-油腔;5-金屬薄膜;6-圓盒;7-回油槽;8-軸套777靜壓軸承是利用外部供油（氣）裝置將具有一定壓力的液氣）體 通過(guò)油氣）孔進(jìn)人軸套油氣出空，將軸淳起而形成壓力油（氣）膜，以 承受載荷.其承載能力與滑動(dòng)表面的線速度無(wú)關(guān)，故廠泛應(yīng)用于底、 中速，大裁荷，高招度的機(jī)器。它具有別度大、精度高、抗振性好、 摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn)。上圖為液體靜壓軸孚工作原理圖。中油腔1為軸套8內(nèi)面上的凹入部分；包圍油腔的四周稱為封油醞，封油面與運(yùn)動(dòng)表面構(gòu)成的間隙稱為油膜厚度。為了承載，需 要流重補(bǔ)償。補(bǔ)償流量的機(jī)構(gòu)稱為補(bǔ)償元件，也稱節(jié)流器，如圖b所 示.壓力油經(jīng)節(jié)流器第一次節(jié)流后流入油腔，又經(jīng)過(guò)封油

6、面第二次節(jié) 流后從軸向端面和周向但1 ；由槽流入油箱在不考慮軸的重量，且四個(gè)節(jié)流器的液阻相弩（即尺小=尺0 =尺於=尺辭=尺兇）時(shí)，油腔1、 2.3、4的壓力相等（即 久1 =仇2=仇3 = / =仇0）,主抽被一層油膜隔開(kāi)，油膜厚度為A,軸中心 與軸套中心重合?？紤]軸的徑向載荷Fw（軸的童量）作用時(shí)，軸心O移至O-位移為。，各個(gè)油腔壓力就發(fā)生 變化，油腔1的間隙增大，其液阻Rbi減小，油腔壓力打1降低；油腔2卻相反，油腔3.4壓力相 等。若油腔1、2的油壓變化而產(chǎn)生的壓力差能滿足pr2 = pri = Fw/A（A為每個(gè)油腔有效祇載 面積，設(shè)四個(gè)油腔面積相等），主軸便處于新的平衡位置，即軸向

7、下位移很小的距離，但遠(yuǎn)小于油 膜厚度A。，軸仍然處在液體支承狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)。因?yàn)榱鹘?jīng)每個(gè)油腔的流量Qho等于流經(jīng)節(jié)流器的流量Qgo,即Qh=Qg=Qo為節(jié)流器進(jìn)口 前的系統(tǒng)油壓，心（&1優(yōu)隠、尺陽(yáng)很旅）為各油腔的液阻，則Qf/R產(chǎn)（九-仇） 求得油腔壓力為pT = r+ /Rh對(duì)千油腔1和2：如=丙缶，-扇瓦。如果四個(gè)節(jié)流器的液阻是常量且相等，則 打=匸總鳳P獷門(mén)瓷鳳。又因?yàn)橛颓?間隙液阻尺以心1，故油腔壓力如 如。當(dāng)節(jié)流器液阻同時(shí)發(fā)生變化，即R2Rg，這時(shí)的 仇2九，向上的推力很大，軸的位移可以很小，甚至為零，卻剛度趨向無(wú)窮大。節(jié)流器的作用是調(diào)節(jié)支承中各油腔的壓力，以適應(yīng)各自的不同載荷；使油膜具

8、有一定的剛 度，以適應(yīng)載荷的變化。由此可知，沒(méi)有節(jié)流器，軸受載后便不能浮起來(lái)。磁懸浮軸承是利用磁場(chǎng)力將軸無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)潤(rùn)滑地懸浮在空間的一種新型軸承。其I: 作原理如卜圖所示。徑向磁懸浮軸承由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)部件）6和定子（固定部件）5兩部分組成。定子 部分裝上電磁體，保持轉(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檢釧轉(zhuǎn)子的偏心，并 通過(guò)反饋與基準(zhǔn)信號(hào)1（轉(zhuǎn)子的理想位置）進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)器2根據(jù)偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并把調(diào)節(jié) 信號(hào)送到功率放大器3以改變電磁體（定子）的電流，從而改變磁懸浮力的大小，使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到 理想位置。心徑向磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)軸（如主軸一般要配備輔助軸承，工作時(shí)輔助軸承不與轉(zhuǎn)軸接觸當(dāng)斷 電

9、或磁懸浮失控時(shí)能托住高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸，起到完全保護(hù)作用。輔助軸承與轉(zhuǎn)子之間的間隙 一般等于轉(zhuǎn)子與電磁體氣隙的一半。軸向懸浮軸承的1作原理與徑向磁懸浮軸承相同。磁懸浮軸承匸作原理1 信號(hào)輸入；2調(diào)節(jié)器；3功率放大器；4位移傳感器；5旋/； 6轉(zhuǎn)r三. 提高軸系性能的措施1.提高軸系的旋轉(zhuǎn)精度軸承（如主軸）的旋轉(zhuǎn)精度中的徑向跳動(dòng)主要由被測(cè)表面 的幾何形狀誤差、被測(cè)表面對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的偏心、旋轉(zhuǎn)軸線在 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的徑向漂移等因素引起。軸系軸端的軸向竄動(dòng)主要由被測(cè)端而的幾何形狀誤差、 被測(cè)端面對(duì)軸心線的不垂直度、旋轉(zhuǎn)軸線的軸向竄動(dòng)等三項(xiàng)誤 差引起。提高其旋轉(zhuǎn)精度的主要措施有：提高軸頸與架體（或箱體） 支承的

10、加工精度；用選配法提高軸承裝配與預(yù)緊精度，軸系 組件裝呢后對(duì)輸出端軸的外徑、端面及內(nèi)孔通過(guò)互為基準(zhǔn)進(jìn)行精 加工。車診系游醐暑融牖觸#疑前者是由軸系組件的不平衡、齒輪及帶輪質(zhì)量分布不均勻以及負(fù)載變化引起的，后者是由傳動(dòng)系統(tǒng)本身的失穩(wěn)引起的。捉咼具抗振性的Z要措施有：提咼軸系組件的固 有振動(dòng)頻率、剛度和阻尼，通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)其固 有振動(dòng)頻率，當(dāng)阻尼很小時(shí)，應(yīng)使其固有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離 強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，以防止共振。般講，剛度越高、阻尼 越大，則激起的振幅越小。消除或減少?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)振源 的干擾作用。構(gòu)成軸系的主要零部件均應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng) 態(tài)平衡，選用傳動(dòng)平穩(wěn)的傳動(dòng)件、對(duì)軸承進(jìn)行合理預(yù)緊 等。采用吸振、隔振和消

11、振裝置。囂茨祠機(jī)赳一體化糸統(tǒng)（產(chǎn)醃）的機(jī)座或機(jī)架一.機(jī)座或機(jī)架的作用及基本要求機(jī)座或機(jī)架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。其基本要求是：1.剛度與抗振性剛度是抵抗裁荷變形的能力。動(dòng)剛度是衡量抗振性的主要指標(biāo)。為提高機(jī)架或機(jī)座的抗振性，可采取如卜措施：提高靜剛度，即從提高固有 振動(dòng)頻率入手，以避免產(chǎn)生共振；增加阻尼，增加阻尼對(duì)提高動(dòng)剛度的作用很大, 如液（氣）動(dòng)、靜壓導(dǎo)軌的阻尼比滾動(dòng)$軌大，故抗振性能好；在不降低機(jī)架或機(jī) 座靜剛度的前提卜，減輕重量可提高固有振動(dòng)頻率，如適當(dāng)減薄壁厚、增加筋和隔 板、采用鋼材焊接代替鑄件等；采取隔振措施，如加減振橡膠柴腳、用空氣彈簧 隔板等。2 熱變形減小熱變形。3.提

12、高穩(wěn)定性除上述要求Z外，述應(yīng)考慮工藝性、經(jīng)濟(jì)性及人機(jī)工程等方面的要求。二、機(jī)座或機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)機(jī)座或機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須 保證其自身剛度、連接處剛度和 局部剛度，同時(shí)要考慮安裝方式、 材料選擇、結(jié)構(gòu)工藝性以及節(jié)省 材料、降低成本和縮短生產(chǎn)周期 等問(wèn)題。肋板及加強(qiáng)肋的形式力|FAA- A zza)呂呂呂F匚 口匚g)h)口口b)e)000d)i)J)提高連接剛度機(jī)座的結(jié)構(gòu)工藝性機(jī)座一般體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)朵、成木高，尤其要注意其結(jié)構(gòu)工藝性，以便于制造 和成本低，在保證剛度的條件卜，應(yīng)力求鑄件形狀簡(jiǎn)單，拔模容易，泥芯要少，便于 支掌和制造。機(jī)座壁厚應(yīng)盡量均勻，力求避免截面的急劇變化，凸起過(guò)大、壁厚過(guò)

13、薄、過(guò)長(zhǎng)的 分型線和金屬的局部堆積等。鑄件要便于清砂，為此，必須開(kāi)有足夠大的清砂口，或 幾個(gè)清砂口。在同一側(cè)而的加工表而，應(yīng)處于同一個(gè)平而上，以便一起刨出或銃出。如卜圖所 示，圖b的結(jié)構(gòu)比圖a的好。加工面要在- 個(gè)平面上機(jī)座的結(jié)構(gòu)工藝性機(jī)座必須有可靠的加工工藝基而，若因結(jié)構(gòu)原因沒(méi)有工藝基 準(zhǔn)，必須鑄出四個(gè)或兩個(gè)“匸藝凸臺(tái)” A,如卜圖所示（圖b的結(jié) 構(gòu)比圖a的好）。加工時(shí)，先把凸臺(tái)加工平，然后以凸臺(tái)作基面來(lái)焊接機(jī)架的設(shè)計(jì)焊接機(jī)架具有許多優(yōu)點(diǎn)：在剛度相同的情況下可減輕重量30%左右；改型 快，廢品極少；生產(chǎn)周期短、成本低。機(jī)架常用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材（鋼板、角鋼、槽鋼、鋼管等）焊接制造。輕型機(jī) 架也

14、可用鋁制型材連結(jié)制成。對(duì)于輕載焊接機(jī)架，由于其承受載荷較小，故常用型材焊成立體框架，再裝 上而板、底板及蓋板。板料型材制成的框架接頭型式如圖1所示。槽鋼制成的框 架的接頭型式見(jiàn)圖2所示。角鐵構(gòu)成機(jī)架的接頭形式如圖3所示。圖4 （a是用薄 鋼板折彎成型后、焊接而成的機(jī)箱，頂板的連接可采用圖b、c所示的接頭形式。習(xí)題與思考題2-1設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)部件時(shí),為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和I：作穩(wěn)定性,常提岀哪些要求?2-2機(jī)電體化系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是什么？2-3機(jī)電體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求是什么？2-4簡(jiǎn)述絲杠螺付機(jī)構(gòu)的分類及其特點(diǎn)。2-5幺幺杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)形式及選擇方法迢什么？2-6絲杠螺付副

15、的組成要索有哪些？2-7滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn)有哪些？2-8珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類型有哪些？各有何特點(diǎn)？2-9滾珠幺幺杠副消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊力法有哪些？2J0現(xiàn)有雙螺母齒差調(diào)整預(yù)緊式滾珠絲杠，其基本導(dǎo)程為6mm、 端的齒輪齒數(shù)為100、 另端的齒輪齒數(shù)為98,當(dāng)其端的外齒輪相對(duì)另端的外齒輪轉(zhuǎn)過(guò)2個(gè)齒時(shí)，試問(wèn)： 兩個(gè)螺母之間相對(duì)移動(dòng)了多人距離。2J1簡(jiǎn)述滾珠幺幺杠副的主耍尺寸參數(shù)及其涵義。2-12簡(jiǎn)述滾珠絲杠副的椿度等級(jí)及標(biāo)注方法。2-13簡(jiǎn)述滾珠絲杠副的支承方式及其特點(diǎn)。214電磁制動(dòng)裝置的匚作原理姥什么?2-15齒輪傳動(dòng)部件的作用有哪些？2-16各級(jí)傳動(dòng)比的分配原則叢什么？輸出軸轉(zhuǎn)角謀差般小原則是什么？217已知:4級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為0.005rad,各級(jí)減速比相同，即15,求:（1）該傳動(dòng)系統(tǒng)的最人轉(zhuǎn)角謀差：（2）為縮小其最人轉(zhuǎn)角謀差應(yīng)采取何