机电装备设计第三章(6学时之三)

1本次课讲授内容3.5轴系3.5.1概述3.5.2主轴轴系的基本要求3.5.3主轴轴承选择3.5.4主轴滑动轴承3.5.5主轴组件布局3.5.6轴系组件初步计算3.5.7主轴滚动轴承的预紧3.5.8主轴组件的润滑和密封3.5.9提高主轴组件性能的措施第三章机电装备传动部件设计

TransmissionPartDesignforElectro-mechanicalEquipment23.5.1轴系概述定义：轴系由轴、轴承和安装于轴上的传动体、密封件及定位件组成。功能：支承旋转零件、传递转矩和运动。组成：轴系按其在传动链中所处的地位不同可分为传动轴轴系和主轴轴系，一般对传动轴的要求不高，对主轴有较高的要求。33.5.2对主轴（spindle)轴系的要求整体要求：保证在一定的载荷与转速下，主轴组件精确而稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这种性能。从以下五方面分析：1回转精度2静刚度3动态特性4热特性与热变形5精度保持性41回转精度定义：指主轴装配后，在无载荷、低转速条件下，主轴前端的径向和轴向跳动量。回转中心线：轴件作回转运动时线速度为零的点的连线。影响因素：轴承误差、轴颈圆度误差、轴件的挠曲和振动原因、箱体孔制造和装配误差、主轴转速、支承的设计及润滑等。2静刚度(StaticStiffness)定义：主轴前端产生单位位移时，在某一方向测量出施加的力。

反映了组件抵抗静态外载荷变形的能力。

影响因素：主轴的形状和尺寸，滚动轴承的型号和数量，轴承配置形式和预紧、滑动轴承的油膜刚度、支承距离，主轴前端悬伸量，组件的装配等。53动态特性(DynamicCharacteristic)定义：指主轴抵抗冲击、振动、噪声的特性。是机床主轴组件等非常重要的一个特性。评价指标有动刚度、振型、噪声三方面。1）动刚度定义：在交变动载荷作用下抵抗动态位移的能力。影响因素：静刚度K、组件质量m、阻尼比ξ和激振频率ω等。6（1）准静态区，主要取决于系统的静刚度K；（2）共振区，主要取决于系统的静刚度K和阻尼比ξ；（3）惯性区，主要取决于系统的惯性。准静态区共振区惯性区7

在判定机床系统的抗振能力时，首先应确定系统的动刚度处于那段频率范围。●准静态区：可用提高静刚度K的办法或加大固有频率的办法以提高动刚度。●

惯性区：采取增加等效质量的办法提高动刚度。●

共振区：可改变固有频率，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为显著。82）振型方法：对于多自由度系统，可分解为若干个当量单自由度系统（模态)，每个模态有自身的动刚度特性。模态分析理论：一个多自由度系统的各个主要振动模态各有自己的振动频率和振动型式(振型)，一般按振动频率的高低由低向高排列为第1阶、第2阶…第M阶的不同振型。3）噪声噪声来源于振动。主轴振动主要由轴承引起，轴承的滚动表面缺陷、滚道波纹、滚动体的直径误差，轴承结构及弹性变形等。94热特性与热变形

(heatcharacteristicanddeformation)1）温升和热变形轴系组件热产生的原因：运动件摩擦、搅油热量、加工区热量和环境热辐射等。后果：○主轴组件温升和热变形，使系统各部件间相对位置精度遭到破坏，影响系统的工作精度；○热变形造成主轴弯曲；○使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；○使轴件和轴承、主轴与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承的正常工作，加速齿轮和轴承等零件的磨损。主轴的温升梯度不要大，要温度场对称.102）热位移定义：使主轴工作端截面形心相对固定坐标产生的位移。热线位移可在笛卡尔坐标中产生三个坐标轴方向的分量。3）轴系主要热特性参数主要特性参数：热源强度、温升和工作部分的热位移。热源强度：轴系的热源有轴承、传动件、密封件等单位时间内发热量的总和。原因：滚动体和滚道产生弹性变形而产生摩擦热，为轴系主要热源之一，轴承的摩擦热与轴承类型、预紧力、转速、轴承的润滑等情况有关，预紧力越大，发热量越多，随着预紧力增加，温升的增加越来越快。115精度保持性（PrecisionPreserve)

定义：指长期地保持其原始制造精度的能力。要保证这些表面的耐磨性和有调整间隙的可能。影响耐磨性因素：轴件、轴承的材料与热处理，轴承(或衬套)的类型及润滑方式等。3.5.3主轴轴承的选择重要性：主轴的旋转精度在很大程度上由其轴承决定，轴承的变形量约占主轴组件总变形量的30﹪～50﹪，轴承的发热量占的比重↑。对主轴轴承要求：旋转精度高、刚度大、承载能力强、抗振性好、速度性能高、摩擦功耗小、噪声低和寿命长等。121主轴滚动轴承类型2-外圈1、4-内圈3-隔套13图a，内圈为1：12的锥孔，与主轴锥形轴颈配合。轴向移动内圈，改变在主轴上的位置来调节轴承的径向间隙和预紧量。

特点：1、圆柱滚子是线接触，滚子数多，承载能力较大；2、内外圈可分离，只能承受径向载荷，不能承受轴向荷；3、旋转精度高，径向结构紧凑和寿命长等特点；4、用在车床、铣床、镗床、磨床及数控车床上。图d，由外圈2、内圈1和4，及隔套3等组成，接触角为60°。

特点：1、接触角大，钢球直径小、数量较多，轴承承载能力和精度较高；2、允许极限转速可高出额定转速的1.5倍，温升低，运转平稳，工作可靠；3、用于高速、轻载和精密机床的主轴组件中。

142滚动轴承选用参考依据：转速、载荷及结构尺寸。整体原则：线接触轴承（滚柱、滚锥、滚针）：承载力↑，摩擦力↓，n↓；点接触球轴承：承载力↓，摩擦力↓，n↑；一般轴系要同时承受径向载荷与双轴向载荷，可按下列条件选用滚动轴承：

(1)中高速重载

双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承(若配推力轴承，则极限转速降低)。成对圆锥滚子轴承结构简单，但极限转速较低。空心圆锥滚子轴承的极限转速提高，但成本较高。(2)高速轻载

成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用25°或15°接触角。(3)轴向载荷为主精度不高时，选用推力轴承配深沟球轴承；精度较高，选用向心推力轴承。153.5.4主轴滑动轴承1液体动压轴承球头浮动式

○短三瓦滑动轴承由三块扇形轴瓦组成。○油膜压力需在一定的轴颈圆周速度(v＞4m／s)时形成。○三个压油楔能自动地适应外加载荷，使主轴保持在接近于轴承中心位置。○只宜朝一个方向旋转，不许反转。滑动轴承特点：运转阻尼特性好、抗振和平稳。按流体介质：液体和气体滑动轴承。按油膜压力形成方法：动压和静压轴承。16工作原理：当主轴以一定的转速旋转时→在轴颈周围能形成几个压力油膜→把轴颈推向中央→因而主轴的向心性较好→当主轴受到外载荷时→轴颈稍偏心→承载的压力油膜变薄而压力升高→相对方向的压力油膜变厚而压力降低→形成新的平衡。此时承载方向的油膜压力将比普通单油楔轴承的压力为高，油膜压力愈高和油膜愈薄，则其刚度愈大，故多油楔轴承较能满足主轴组件的工作性能要求。172液体静压轴承动压轴承在转速低于一定值时，压力油膜形成不了；如果旋转停止，压力油膜消失。所以当主轴转速较低或启动、停止过程中，轴颈会与轴承接触、发生干摩擦。主轴转速变化后压力油膜厚度也随之变化，则轴心位置改变。液体静压轴承是由外界供给一定的压力油于两个相对运动的表面间，不依赖于它们之间的相对运动速度就能建立压力油膜。18静压轴承工作原理19液体静压轴承形式：回转精度高达0.01μm自动定心装配方便用于精密仪器和精密机床20能同时承受径向和轴向力Talycenta圆度仪主轴轴系，轴颈2和轴套3是双扁锥形，能同时承受径向和双轴向力。轴套内锥面上开有12个油腔，每一油腔对应于一个直径为0.25～0.50mm的毛细管节流器。主轴回转精度达0.05μm。213空气动压轴承工作原理：空气动压轴承的工作原理与液体动压基本相同，在轴颈和轴瓦间形成气楔。特点：由于空气的可压缩性、粘度系数和温度变化均较小，用于超高速、超高低温、放射性、防污染等场合。应用：惯性导航陀螺仪、真空吸尘器的小型高速风机(18000r／min)、纺织机心轴(转速大于100000r／min)、波音747座舱内三轮型空调制冷涡轮机(40000r／min)、太阳能水冷凝器、飞机燃气涡轮(35000r／min)等机器中。空气动压轴承不需气源、密封和冷却系统，耗能低，效率达99％，结构简单，工作可靠，寿命长，适用于超高速轻载的小型机械。22特点：当轴颈受到脉冲载荷时，所产生的多余能量转换成薄片组的变形能，使气膜仍保持必要的厚度。薄片还吸收高速转轴的涡动能量，阻碍自激振动的形成。23轴颈1旋转时与平箔间形成气楔，将轴托起，无机械摩擦能达到高速。波箔起着吸收能量、防止自激振动、保证主轴转速稳定的作用。约0.02mm厚的金属薄带1缠绕在轴颈2和几个圆形导柱3上，两端加张紧力F。这样薄带1与轴颈形成三个两端楔形的包容区，轴颈双向旋转均可形成气楔将轴托起，与薄带脱离接触高速旋转。244动静压轴承动静压轴承综合了动压轴承和静压轴承的优点，工作性能良好。

静压启动动压工作也可混合工作255磁浮轴承磁浮轴承是利用磁力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。目前用于空间工业、机床工业、轻工业、重工业方面。工作原理：定子装有电磁体，使转子悬浮在磁场中。转子转动时，由位移传感器4随时检测转子的偏心，并通过反馈与基准信号(转子的理想位置)进行对比。调节器根据偏差信号进行调节，并把调节信号送到功率放大器，以改变定子电磁铁的电流，从而改变对转子的磁吸力，使转子向理想位置复位。径向磁力轴承的转轴一般要配备辅助轴承。26

无需润滑，无需密封介质；

无摩擦及摩擦力矩；运动无噪声，温升低；

保持转速消耗功率少；

圆周速度可达200m/s，旋转精度可达0.1μm；

用于真空、无菌、腐蚀剂放射性环境中。特点：273.5.5主轴组件的布局

主轴有前、后两支承和前、中、后三支承两种。其原则为:1）适应刚度和承载能力的要求2）适应转速要求3）适应精度的要求4）适应结构的要求5）适应经济性要求主轴轴承的配置，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求。常见的有以下几种典形的配置形式：速度型、刚度型和刚度速度型。281）速度型主轴前后轴承都采用具有良好高速性能的角接触球轴承(双联或三联)。○当轴向切削分力较大时，可选用接触角为25°的球轴承；○当轴向切削分力较小时，可选用接触角为15°的球轴承。○角接触球轴承的承载能力较小，因而适用于高速轻载精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床。1典型主轴轴承配置形式292）刚度型

前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60°角接触双列调心推力球轴承承受轴向载荷。后支承采用双列短圆柱滚子轴承。这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床。前支承后支承303）速度刚度型后轴承采用角接触球轴承，前支承采用双列短圆柱滚子轴承。前支承后支承314）三支承主轴主轴箱长度较大，主轴支承跨距超过两支承合理跨距很多，增加中间支承有利于提高刚度和抗振性。为保证主轴组件的刚度和旋转精度，通常只有两个支承(其中一个为前支承)起主要作用，而另一个支承(中间支承或后支承)起辅助作用，即处于所渭“浮动”状态。辅助支承常采用刚度和承载能力较小的轴承，并选用其外圈与支承座孔配合比主要支承松1～2级。统计结果表明，80％左右的机床采用前、中支承为主要支承。323.5.6轴系组件的初步计算1各传动轴的估算和验算机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。2主轴直径选择 在设计之初，由于确定的只是一个设计方案，尚未确定具体构造，因此，只能根据统计资料，初步选择主轴的直径。3主轴合理跨距的选择主轴的跨距(前、后轴承之间的距离)对于主轴组件的性能有相当大的影响。合理选择跨距，是主轴组件设计中的一个相当重要的问题。333435

显然存在着一个最佳的L/a值。这时，柔度y/Fc最小，也就是主轴组件的综合刚度最大。如果a为已定，则存在着一个最佳跨距L0。通常，L／a=2～3.5。从线图上也可以看到，在L／a的最佳值附近，柔度变化不大。当L＞L0时，柔度的增加比L＜L0时慢。设计时首先应争取符合最佳跨距。

363.5.7主轴滚动轴承的预紧

保持合理的轴承间隙，对主轴组件的工作性能和轴承寿命有着重要的影响。机床主轴组件在装配时或使用过程中轴承被磨损后，都需要对轴承间隙进行调整。预紧:预加载荷,消除轴承间隙，且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。预紧有径向和轴向两种。预紧量要根据载荷和转速来确定，不能过大，否则预紧后发热较多、温升高，会使轴承寿命降低。373.5.8