機(jī)電裝備設(shè)計第三章(6學(xué)時之三)

1本次課講授內(nèi)容3.5軸系3.5.1概述3.5.2主軸軸系的基本要求3.5.3主軸軸承選擇3.5.4主軸滑動軸承3.5.5主軸組件布局3.5.6軸系組件初步計算3.5.7主軸滾動軸承的預(yù)緊3.5.8主軸組件的潤滑和密封3.5.9提高主軸組件性能的措施第三章機(jī)電裝備傳動部件設(shè)計

TransmissionPartDesignforElectro-mechanicalEquipment23.5.1軸系概述定義：軸系由軸、軸承和安裝于軸上的傳動體、密封件及定位件組成。功能：支承旋轉(zhuǎn)零件、傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動。組成：軸系按其在傳動鏈中所處的地位不同可分為傳動軸軸系和主軸軸系，一般對傳動軸的要求不高，對主軸有較高的要求。33.5.2對主軸（spindle)軸系的要求整體要求：保證在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，主軸組件精確而穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并長期地保持這種性能。從以下五方面分析：1回轉(zhuǎn)精度2靜剛度3動態(tài)特性4熱特性與熱變形5精度保持性41回轉(zhuǎn)精度定義：指主軸裝配后，在無載荷、低轉(zhuǎn)速條件下，主軸前端的徑向和軸向跳動量?；剞D(zhuǎn)中心線：軸件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動時線速度為零的點(diǎn)的連線。影響因素：軸承誤差、軸頸圓度誤差、軸件的撓曲和振動原因、箱體孔制造和裝配誤差、主軸轉(zhuǎn)速、支承的設(shè)計及潤滑等。2靜剛度(StaticStiffness)定義：主軸前端產(chǎn)生單位位移時，在某一方向測量出施加的力。

反映了組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。

影響因素：主軸的形狀和尺寸，滾動軸承的型號和數(shù)量，軸承配置形式和預(yù)緊、滑動軸承的油膜剛度、支承距離，主軸前端懸伸量，組件的裝配等。53動態(tài)特性(DynamicCharacteristic)定義：指主軸抵抗沖擊、振動、噪聲的特性。是機(jī)床主軸組件等非常重要的一個特性。評價指標(biāo)有動剛度、振型、噪聲三方面。1）動剛度定義：在交變動載荷作用下抵抗動態(tài)位移的能力。影響因素：靜剛度K、組件質(zhì)量m、阻尼比ξ和激振頻率ω等。6（1）準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)，主要取決于系統(tǒng)的靜剛度K；（2）共振區(qū)，主要取決于系統(tǒng)的靜剛度K和阻尼比ξ；（3）慣性區(qū)，主要取決于系統(tǒng)的慣性。準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)共振區(qū)慣性區(qū)7

在判定機(jī)床系統(tǒng)的抗振能力時，首先應(yīng)確定系統(tǒng)的動剛度處于那段頻率范圍。●準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)：可用提高靜剛度K的辦法或加大固有頻率的辦法以提高動剛度。●

慣性區(qū)：采取增加等效質(zhì)量的辦法提高動剛度。●

共振區(qū)：可改變固有頻率，以避免共振，若提高阻尼率也均有效果，以提高阻尼串效果最為顯著。82）振型方法：對于多自由度系統(tǒng)，可分解為若干個當(dāng)量單自由度系統(tǒng)（模態(tài))，每個模態(tài)有自身的動剛度特性。模態(tài)分析理論：一個多自由度系統(tǒng)的各個主要振動模態(tài)各有自己的振動頻率和振動型式(振型)，一般按振動頻率的高低由低向高排列為第1階、第2階…第M階的不同振型。3）噪聲噪聲來源于振動。主軸振動主要由軸承引起，軸承的滾動表面缺陷、滾道波紋、滾動體的直徑誤差，軸承結(jié)構(gòu)及彈性變形等。94熱特性與熱變形

(heatcharacteristicanddeformation)1）溫升和熱變形軸系組件熱產(chǎn)生的原因：運(yùn)動件摩擦、攪油熱量、加工區(qū)熱量和環(huán)境熱輻射等。后果：○主軸組件溫升和熱變形，使系統(tǒng)各部件間相對位置精度遭到破壞，影響系統(tǒng)的工作精度；○熱變形造成主軸彎曲；○使傳動齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；○使軸件和軸承、主軸與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承的正常工作，加速齒輪和軸承等零件的磨損。主軸的溫升梯度不要大，要溫度場對稱.102）熱位移定義：使主軸工作端截面形心相對固定坐標(biāo)產(chǎn)生的位移。熱線位移可在笛卡爾坐標(biāo)中產(chǎn)生三個坐標(biāo)軸方向的分量。3）軸系主要熱特性參數(shù)主要特性參數(shù)：熱源強(qiáng)度、溫升和工作部分的熱位移。熱源強(qiáng)度：軸系的熱源有軸承、傳動件、密封件等單位時間內(nèi)發(fā)熱量的總和。原因：滾動體和滾道產(chǎn)生彈性變形而產(chǎn)生摩擦熱，為軸系主要熱源之一，軸承的摩擦熱與軸承類型、預(yù)緊力、轉(zhuǎn)速、軸承的潤滑等情況有關(guān)，預(yù)緊力越大，發(fā)熱量越多，隨著預(yù)緊力增加，溫升的增加越來越快。115精度保持性（PrecisionPreserve)

定義：指長期地保持其原始制造精度的能力。要保證這些表面的耐磨性和有調(diào)整間隙的可能。影響耐磨性因素：軸件、軸承的材料與熱處理，軸承(或襯套)的類型及潤滑方式等。3.5.3主軸軸承的選擇重要性：主軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大程度上由其軸承決定，軸承的變形量約占主軸組件總變形量的30﹪～50﹪，軸承的發(fā)熱量占的比重↑。對主軸軸承要求：旋轉(zhuǎn)精度高、剛度大、承載能力強(qiáng)、抗振性好、速度性能高、摩擦功耗小、噪聲低和壽命長等。121主軸滾動軸承類型2-外圈1、4-內(nèi)圈3-隔套13圖a，內(nèi)圈為1：12的錐孔，與主軸錐形軸頸配合。軸向移動內(nèi)圈，改變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)：1、圓柱滾子是線接觸，滾子數(shù)多，承載能力較大；2、內(nèi)外圈可分離，只能承受徑向載荷，不能承受軸向荷；3、旋轉(zhuǎn)精度高，徑向結(jié)構(gòu)緊湊和壽命長等特點(diǎn)；4、用在車床、銑床、鏜床、磨床及數(shù)控車床上。圖d，由外圈2、內(nèi)圈1和4，及隔套3等組成，接觸角為60°。

特點(diǎn)：1、接觸角大，鋼球直徑小、數(shù)量較多，軸承承載能力和精度較高；2、允許極限轉(zhuǎn)速可高出額定轉(zhuǎn)速的1.5倍，溫升低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠；3、用于高速、輕載和精密機(jī)床的主軸組件中。

142滾動軸承選用參考依據(jù)：轉(zhuǎn)速、載荷及結(jié)構(gòu)尺寸。整體原則：線接觸軸承（滾柱、滾錐、滾針）：承載力↑，摩擦力↓，n↓；點(diǎn)接觸球軸承：承載力↓，摩擦力↓，n↑；一般軸系要同時承受徑向載荷與雙軸向載荷，可按下列條件選用滾動軸承：

(1)中高速重載

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)。成對圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)簡單，但極限轉(zhuǎn)速較低。空心圓錐滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速提高，但成本較高。(2)高速輕載

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。(3)軸向載荷為主精度不高時，選用推力軸承配深溝球軸承；精度較高，選用向心推力軸承。153.5.4主軸滑動軸承1液體動壓軸承球頭浮動式

○短三瓦滑動軸承由三塊扇形軸瓦組成?！鹩湍毫π柙谝欢ǖ妮S頸圓周速度(v＞4m／s)時形成?！鹑齻€壓油楔能自動地適應(yīng)外加載荷，使主軸保持在接近于軸承中心位置?！鹬灰顺粋€方向旋轉(zhuǎn)，不許反轉(zhuǎn)?；瑒虞S承特點(diǎn)：運(yùn)轉(zhuǎn)阻尼特性好、抗振和平穩(wěn)。按流體介質(zhì)：液體和氣體滑動軸承。按油膜壓力形成方法：動壓和靜壓軸承。16工作原理：當(dāng)主軸以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時→在軸頸周圍能形成幾個壓力油膜→把軸頸推向中央→因而主軸的向心性較好→當(dāng)主軸受到外載荷時→軸頸稍偏心→承載的壓力油膜變薄而壓力升高→相對方向的壓力油膜變厚而壓力降低→形成新的平衡。此時承載方向的油膜壓力將比普通單油楔軸承的壓力為高，油膜壓力愈高和油膜愈薄，則其剛度愈大，故多油楔軸承較能滿足主軸組件的工作性能要求。172液體靜壓軸承動壓軸承在轉(zhuǎn)速低于一定值時，壓力油膜形成不了；如果旋轉(zhuǎn)停止，壓力油膜消失。所以當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低或啟動、停止過程中，軸頸會與軸承接觸、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，則軸心位置改變。液體靜壓軸承是由外界供給一定的壓力油于兩個相對運(yùn)動的表面間，不依賴于它們之間的相對運(yùn)動速度就能建立壓力油膜。18靜壓軸承工作原理19液體靜壓軸承形式：回轉(zhuǎn)精度高達(dá)0.01μm自動定心裝配方便用于精密儀器和精密機(jī)床20能同時承受徑向和軸向力Talycenta圓度儀主軸軸系，軸頸2和軸套3是雙扁錐形，能同時承受徑向和雙軸向力。軸套內(nèi)錐面上開有12個油腔，每一油腔對應(yīng)于一個直徑為0.25～0.50mm的毛細(xì)管節(jié)流器。主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.05μm。213空氣動壓軸承工作原理：空氣動壓軸承的工作原理與液體動壓基本相同，在軸頸和軸瓦間形成氣楔。特點(diǎn)：由于空氣的可壓縮性、粘度系數(shù)和溫度變化均較小，用于超高速、超高低溫、放射性、防污染等場合。應(yīng)用：慣性導(dǎo)航陀螺儀、真空吸塵器的小型高速風(fēng)機(jī)(18000r／min)、紡織機(jī)心軸(轉(zhuǎn)速大于100000r／min)、波音747座艙內(nèi)三輪型空調(diào)制冷渦輪機(jī)(40000r／min)、太陽能水冷凝器、飛機(jī)燃?xì)鉁u輪(35000r／min)等機(jī)器中。空氣動壓軸承不需氣源、密封和冷卻系統(tǒng)，耗能低，效率達(dá)99％，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，適用于超高速輕載的小型機(jī)械。22特點(diǎn)：當(dāng)軸頸受到脈沖載荷時，所產(chǎn)生的多余能量轉(zhuǎn)換成薄片組的變形能，使氣膜仍保持必要的厚度。薄片還吸收高速轉(zhuǎn)軸的渦動能量，阻礙自激振動的形成。23軸頸1旋轉(zhuǎn)時與平箔間形成氣楔，將軸托起，無機(jī)械摩擦能達(dá)到高速。波箔起著吸收能量、防止自激振動、保證主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的作用。約0.02mm厚的金屬薄帶1纏繞在軸頸2和幾個圓形導(dǎo)柱3上，兩端加張緊力F。這樣薄帶1與軸頸形成三個兩端楔形的包容區(qū)，軸頸雙向旋轉(zhuǎn)均可形成氣楔將軸托起，與薄帶脫離接觸高速旋轉(zhuǎn)。244動靜壓軸承動靜壓軸承綜合了動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，工作性能良好。

靜壓啟動動壓工作也可混合工作255磁浮軸承磁浮軸承是利用磁力將軸無機(jī)械摩擦、無潤滑地懸浮在空間的一種新型軸承。目前用于空間工業(yè)、機(jī)床工業(yè)、輕工業(yè)、重工業(yè)方面。工作原理：定子裝有電磁體，使轉(zhuǎn)子懸浮在磁場中。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由位移傳感器4隨時檢測轉(zhuǎn)子的偏心，并通過反饋與基準(zhǔn)信號(轉(zhuǎn)子的理想位置)進(jìn)行對比。調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，并把調(diào)節(jié)信號送到功率放大器，以改變定子電磁鐵的電流，從而改變對轉(zhuǎn)子的磁吸力，使轉(zhuǎn)子向理想位置復(fù)位。徑向磁力軸承的轉(zhuǎn)軸一般要配備輔助軸承。26

無需潤滑，無需密封介質(zhì)；

無摩擦及摩擦力矩；運(yùn)動無噪聲，溫升低；

保持轉(zhuǎn)速消耗功率少；

圓周速度可達(dá)200m/s，旋轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.1μm；

用于真空、無菌、腐蝕劑放射性環(huán)境中。特點(diǎn)：273.5.5主軸組件的布局

主軸有前、后兩支承和前、中、后三支承兩種。其原則為:1）適應(yīng)剛度和承載能力的要求2）適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求3）適應(yīng)精度的要求4）適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求5）適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求主軸軸承的配置，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對所設(shè)計主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求。常見的有以下幾種典形的配置形式：速度型、剛度型和剛度速度型。281）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))?！甬?dāng)軸向切削分力較大時，可選用接觸角為25°的球軸承；○當(dāng)軸向切削分力較小時，可選用接觸角為15°的球軸承?！鸾墙佑|球軸承的承載能力較小，因而適用于高速輕載精密機(jī)床，如高速鏜削單元、高速CNC車床。1典型主軸軸承配置形式292）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°角接觸雙列調(diào)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。前支承后支承303）速度剛度型后軸承采用角接觸球軸承，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承。前支承后支承314）三支承主軸主軸箱長度較大，主軸支承跨距超過兩支承合理跨距很多，增加中間支承有利于提高剛度和抗振性。為保證主軸組件的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，通常只有兩個支承(其中一個為前支承)起主要作用，而另一個支承(中間支承或后支承)起輔助作用，即處于所渭“浮動”狀態(tài)。輔助支承常采用剛度和承載能力較小的軸承，并選用其外圈與支承座孔配合比主要支承松1～2級。統(tǒng)計結(jié)果表明，80％左右的機(jī)床采用前、中支承為主要支承。323.5.6軸系組件的初步計算1各傳動軸的估算和驗(yàn)算機(jī)床各傳動軸在工作時必須保證具有足夠的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。2主軸直徑選擇 在設(shè)計之初，由于確定的只是一個設(shè)計方案，尚未確定具體構(gòu)造，因此，只能根據(jù)統(tǒng)計資料，初步選擇主軸的直徑。3主軸合理跨距的選擇主軸的跨距(前、后軸承之間的距離)對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)計中的一個相當(dāng)重要的問題。333435

顯然存在著一個最佳的L/a值。這時，柔度y/Fc最小，也就是主軸組件的綜合剛度最大。如果a為已定，則存在著一個最佳跨距L0。通常，L／a=2～3.5。從線圖上也可以看到，在L／a的最佳值附近，柔度變化不大。當(dāng)L＞L0時，柔度的增加比L＜L0時慢。設(shè)計時首先應(yīng)爭取符合最佳跨距。

363.5.7主軸滾動軸承的預(yù)緊

保持合理的軸承間隙，對主軸組件的工作性能和軸承壽命有著重要的影響。機(jī)床主軸組件在裝配時或使用過程中軸承被磨損后，都需要對軸承間隙進(jìn)行調(diào)整。預(yù)緊:預(yù)加載荷,消除軸承間隙，且有一定的過盈量，使?jié)L動體和內(nèi)外圈接觸部分產(chǎn)生預(yù)變形，增加接觸面積，提高支承剛度和抗振性。預(yù)緊有徑向和軸向兩種。預(yù)緊量要根據(jù)載荷和轉(zhuǎn)速來確定，不能過大，否則預(yù)緊后發(fā)熱較多、溫升高，會使軸承壽命降低。373.5.8