机电一体化系统设计课件——第2章(5)机械系统的部件选择与设计(轴系)

1、轴糸部件的选择与役计一轴系设计的基本要求斗人敷有由轴及妥装在轴上的齿轮、组冬，有主轴轴系和 漿蠶営）。对于中禽传动慕 形及抗振性等的要家為，厦、热变旋转精度是指在装配之后，在无负载.低速旋转的条件下， 轴前端的径旨跳动和轴向窜动童。轴系的刚度反映了轴系组件抵抗静.动载荷变形的能力。轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。其振动原 图有敬系组件庾量丕匀引起的动衡：轴敢则度及 单向受另等；爸们直接影响旋转精废和轴承寿命。轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整 个传动系统的传动精度.旋转精度及位置精度。又由 丈温度的上廿会使润瘠油的粘度发生变化，使滑动或 滾动轴承的杲载能力降低。机

2、床主轴传动齿轮空间布置比较机床主轴不仅受切削力还受传动齿轮的圆周力（均可等效为轴心线上的径向力）的作用, 如按上图痂置，当传动齿轮1和2的圆周力&与作用在轴端的切削力斥同向时，轴端弯 曲变形量3 = 6心）较小.而前轴承的支承力厶为最大。按图b布置时，其為 与斥反 向，轴端变形量（必=0+心）为最大，但前轴承的支承反力最小。设计中要综合考虑 这些因索的影响。二. 轴（主轴）系用轴承的类型与选择标准滚动轴承深沟球轴承双列向心短圆柱滚子轴承-圆锥滚子轴承推力轴承圆锥滚子轴承.双列推力球轴芳图a)b)圆锥滚子轴承卜外圈；2隔套；3-圆谁滚子；4、5-内圈双列推力球轴承1内圏；?.； 3外圈； 4黑套

3、双列冋心短圆柱滚子轴承酉己奈应用例:專母；2姦列稚力球轴孜；5隔套；4泊孔；、套筒；调楚蛭母；7.主箱上图为其配套应用实例，双列向心短圆柱 滚子轴承的径向间隙调整，是先将螺母6松开、 转动螺母1,拉主轴7向左推动轴承内圈，利用内 圈涨大以消除间隙或预紧。这种轴承只能承受 径面裁荷。新I向載荷由奴列推力缺轴承2录受， 用螺母1调整间隙。轴向力的传递见图中箭头所 示，车卬向刚应较高。这种施力轴条的制造精度 已达B级，适用于各种精度的主轴轴系。其预紧 力和间隙大小调整用隔套3来实现。外围开有油 槽和油孔4,以利于润滑油进入轴承。微型滚动轴承Qb)哽裁議郞轄J & J上图为一精密分度头主轴系统。它采用

4、的是密 珠轴承，主轴由止推密珠轴承2、4和径向密珠轴承1、 3组成。这种轴承所用滚珠数量多且接近于多头螺旋 排列。由于密集的钢珠有误差平均效应，减小了局 部误差对主轴轴心位置的影响，故主轴回转精度有 所提高；每人钢珠公转时沿着自己的滚道滚动而不 相重复，减小了滚道的磨损，主轴回转精度可长期 保持。实践证明，提高钢珠的密集度有利于主轴回 转精度的提高，但过多地增加钢珠会增大摩擦力矩。 因此，应在保证主轴运转灵活的前提下，尽量增多 钢珠数量。图b为推力密珠轴承保持架孔分布情况， 图c为径向密珠轴承保持架孔的分布情况。液体静压轴承丄I乍丿杲理776、PrlW11心5/16R$20b)77液体静压轴承

5、工作原理1、2、3、4-油腔;5-金属薄膜;6-圆盒;7-回油槽;8-轴套777静压轴承是利用外部供油（气）装置将具有一定压力的液气）体 通过油气）孔进人轴套油气出空，将轴淳起而形成压力油（气）膜，以 承受载荷.其承载能力与滑动表面的线速度无关，故厂泛应用于底、 中速，大裁荷，高招度的机器。它具有别度大、精度高、抗振性好、 摩擦阻力小等优点。上图为液体静压轴孚工作原理图。中油腔1为轴套8內面上的凹入部分；包围油腔的四周称为封油酝，封油面与运动表面构成的间隙称为油膜厚度。为了承载，需 要流重补偿。补偿流量的机构称为补偿元件，也称节流器，如图b所 示.压力油经节流器第一次节流后流入油腔，又经过封油

6、面第二次节 流后从轴向端面和周向但1 ；由槽流入油箱在不考虑轴的重量，且四个节流器的液阻相弩（即尺小=尺0 =尺於=尺辭=尺凶）时，油腔1、 2.3、4的压力相等（即 久1 =仇2=仇3 = / =仇0）,主抽被一层油膜隔开，油膜厚度为A,轴中心 与轴套中心重合。考虑轴的径向载荷Fw（轴的童量）作用时，轴心O移至O-位移为。，各个油腔压力就发生 变化，油腔1的间隙增大，其液阻Rbi减小，油腔压力打1降低；油腔2却相反，油腔3.4压力相 等。若油腔1、2的油压变化而产生的压力差能满足pr2 = pri = Fw/A（A为每个油腔有效祇載 面积，设四个油腔面积相等），主轴便处于新的平衡位置，即轴向

7、下位移很小的距离，但远小于油 膜厚度A。，轴仍然处在液体支承状态下旋转。因为流经每个油腔的流量Qho等于流经节流器的流量Qgo,即Qh=Qg=Qo为节流器进口 前的系统油压，心（&1优隠、尺阳很旅）为各油腔的液阻，则Qf/R产（九-仇） 求得油腔压力为pT = r+ /Rh对千油腔1和2：如=丙缶，-扇瓦。如果四个节流器的液阻是常量且相等，则 打=匸总凤P犷门瓷凤。又因为油腔 间隙液阻尺以心1，故油腔压力如 如。当节流器液阻同时发生变化，即R2Rg，这时的 仇2九，向上的推力很大，轴的位移可以很小，甚至为零，却刚度趋向无穷大。节流器的作用是调节支承中各油腔的压力，以适应各自的不同载荷；使油膜具

8、有一定的刚 度，以适应载荷的变化。由此可知，没有节流器，轴受载后便不能浮起来。磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。其I: 作原理如卜图所示。径向磁悬浮轴承由转子（转动部件）6和定子（固定部件）5两部分组成。定子 部分装上电磁体，保持转子悬浮在磁场中。转子转动时，由位移传感器4检钏转子的偏心，并 通过反馈与基准信号1（转子的理想位置）进行比较，调节器2根据偏差信号进行调节，并把调节 信号送到功率放大器3以改变电磁体（定子）的电流，从而改变磁悬浮力的大小，使转子恢复到 理想位置。心径向磁悬浮轴承的转轴（如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断 电

9、或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙 一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的1作原理与径向磁悬浮轴承相同。磁悬浮轴承匸作原理1 信号输入；2调节器；3功率放大器；4位移传感器；5旋/； 6转r三. 提高轴系性能的措施1.提高轴系的旋转精度轴承（如主轴）的旋转精度中的径向跳动主要由被测表面 的几何形状误差、被测表面对旋转轴线的偏心、旋转轴线在 旋转过程中的径向漂移等因素引起。轴系轴端的轴向窜动主要由被测端而的几何形状误差、 被测端面对轴心线的不垂直度、旋转轴线的轴向窜动等三项误 差引起。提高其旋转精度的主要措施有：提高轴颈与架体（或箱体） 支承的

10、加工精度；用选配法提高轴承装配与预紧精度，轴系 组件装呢后对输出端轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精 加工。车診系游醐暑融牖触#疑前者是由轴系组件的不平衡、齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化引起的，后者是由传动系统本身的失稳引起的。捉咼具抗振性的Z要措施有：提咼轴系组件的固 有振动频率、刚度和阻尼，通过计算或试验來预测其固 有振动频率，当阻尼很小时，应使其固有振动频率远离 强迫振动频率，以防止共振。般讲，刚度越高、阻尼 越大，则激起的振幅越小。消除或减少强迫振动振源 的干扰作用。构成轴系的主要零部件均应进行静态和动 态平衡，选用传动平稳的传动件、对轴承进行合理预紧 等。采用吸振、隔振和消

11、振装置。嚣茨祠机赳一体化糸统（产醃）的机座或机架一.机座或机架的作用及基本要求机座或机架是支承其他零部件的基础部件。其基本要求是：1.刚度与抗振性刚度是抵抗裁荷变形的能力。动刚度是衡量抗振性的主要指标。为提高机架或机座的抗振性，可采取如卜措施：提高静刚度，即从提高固有 振动频率入手，以避免产生共振；增加阻尼，增加阻尼对提高动刚度的作用很大, 如液（气）动、静压导轨的阻尼比滚动$轨大，故抗振性能好；在不降低机架或机 座静刚度的前提卜，减轻重量可提高固有振动频率，如适当减薄壁厚、增加筋和隔 板、采用钢材焊接代替铸件等；采取隔振措施，如加减振橡胶柴脚、用空气弹簧 隔板等。2 热变形减小热变形。3.提

12、高稳定性除上述要求Z外，述应考虑工艺性、经济性及人机工程等方面的要求。二、机座或机架的结构设计要点机座或机架的结构设计必须 保证其自身刚度、连接处刚度和 局部刚度，同时要考虑安装方式、 材料选择、结构工艺性以及节省 材料、降低成本和缩短生产周期 等问题。肋板及加强肋的形式力|FAA- A zza)吕吕吕F匚 口匚g)h)口口b)e)000d)i)J)提高连接刚度机座的结构工艺性机座一般体积较大、结构复朵、成木高，尤其要注意其结构工艺性，以便于制造 和成本低，在保证刚度的条件卜，应力求铸件形状简单，拔模容易，泥芯要少，便于 支掌和制造。机座壁厚应尽量均匀，力求避免截面的急剧变化，凸起过大、壁厚过

13、薄、过长的 分型线和金属的局部堆积等。铸件要便于清砂，为此，必须开有足够大的清砂口，或 几个清砂口。在同一侧而的加工表而，应处于同一个平而上，以便一起刨出或铳出。如卜图所 示，图b的结构比图a的好。加工面要在- 个平面上机座的结构工艺性机座必须有可靠的加工工艺基而，若因结构原因没有工艺基 准，必须铸出四个或两个“匸艺凸台” A,如卜图所示（图b的结 构比图a的好）。加工时，先把凸台加工平，然后以凸台作基面来焊接机架的设计焊接机架具有许多优点：在刚度相同的情况下可减轻重量30%左右；改型 快，废品极少；生产周期短、成本低。机架常用普通碳素结构钢材（钢板、角钢、槽钢、钢管等）焊接制造。轻型机 架也

14、可用铝制型材连结制成。对于轻载焊接机架，由于其承受载荷较小，故常用型材焊成立体框架，再装 上而板、底板及盖板。板料型材制成的框架接头型式如图1所示。槽钢制成的框 架的接头型式见图2所示。角铁构成机架的接头形式如图3所示。图4 （a是用薄 钢板折弯成型后、焊接而成的机箱，顶板的连接可采用图b、c所示的接头形式。习题与思考题2-1设计机械传动部件时,为确保机械系统的传动精度和I：作稳定性,常提岀哪些要求?2-2机电体化系统传动机构的作用是什么？2-3机电体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？2-4简述丝杠螺付机构的分类及其特点。2-5幺幺杠螺母机构的传动形式及选择方法迢什么？2-6丝杠螺付副

15、的组成要索有哪些？2-7滚珠丝杠副的传动特点有哪些？2-8珠丝杠副的典型结构类型有哪些？各有何特点？2-9滚珠幺幺杠副消除轴向间隙的调整预紧力法有哪些？2J0现有双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程为6mm、 端的齿轮齿数为100、 另端的齿轮齿数为98,当其端的外齿轮相对另端的外齿轮转过2个齿时，试问： 两个螺母之间相对移动了多人距离。2J1简述滚珠幺幺杠副的主耍尺寸参数及其涵义。2-12简述滚珠丝杠副的椿度等级及标注方法。2-13简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。214电磁制动装置的匚作原理姥什么?2-15齿轮传动部件的作用有哪些？2-16各级传动比的分配原则丛什么？输出轴转角谋差般小原则是什么？217已知:4级齿轮传动系统,各齿轮的转角误差为0.005rad,各级减速比相同，即15,求:（1）该传动系统的最人转角谋差：（2）为缩小其最人转角谋差应采取何