机械传动课程设计指导2

第四节主轴组件

一．主轴组件的传动方式

主轴旋转运动传动方式的选择，决定于主轴转速的高低，所传递扭矩的大小，对运转平稳性的要求及结构紧凑、装卸维修方便等。

机床主轴传动的方式有齿轮传动、带传动及电动机直接传动。大多数机床主轴是由齿轮传动的，其结构简单、紧凑和能传递较大的扭矩。齿轮装在前、后支撑之间，且靠近主轴的前支撑处，这样与切削力的位置比较靠近，因而主轴的扭矩变形可以减小些。当主轴上装有大小两个齿轮时，因为大齿轮用于低速，作用力较大，应使其靠近前支撑处。

二．主轴传动件位置的合理布置

多数主轴是由齿轮传动的。齿轮可位于前后轴承之间，也可位于后轴承之后（如果是三支承主轴，这里的前后轴承指的都是¡°主¡±支承。即后轴承实际上是中轴承。）如果齿轮位于前后轴承之间，则齿轮应尽量靠近前轴承。这样做的好处是可以减少主轴的弯曲变形。此外，由于主轴上传递转矩的部分较短，扭转变形也较小。如果主轴上装有几个齿轮，则一般情况下常使大齿轮靠近前轴承。这样的安排将使前轴承的负荷较大，但前轴承的直径通常大于后轴承，因而承载能力也较大。

为了使主轴组件能成为一个独立的单元¡ª主轴单元，近年来常使传动齿轮位于后支承之后的主轴后悬伸处。这时，后支承的负荷较大。应考虑采用承载能力较大的轴承。

三．滚动轴承的预紧

预紧或预载荷是指使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量。当滚动轴承在有间隙的条件下工作，会造成载荷集中作用在处于受力方向的少数几个滚动体上，使这几个滚动体和滚道之间产生很大的接触应力和接触变形。如略有过盈时，可使承载的滚动体增多，滚动体受力均匀，还可以均化误差。所以，适当预紧可提高轴承的刚度和寿命。但是，过度预紧，会使滚动体和滚道的变形太大，将导致提高其温升，并降低轴承寿命。

1．双列圆柱滚子轴承的预紧

这种轴承是靠内空的锥面，使内圈径向胀大实现预紧的，故称之为径向预紧。衡量预紧大小的是滚子包络圆直径D2（见图3-5（a））与外圈滚道直径之差△=(D2-D1)。将称之为径向预紧量或简称¡°预紧量¡±，单位为μm。装配时，把外圈装入壳体孔内，测出D1。先不装隔离套1（图3-5（b）），把内圈装上主轴。拧动螺母2，用专门的包络圆测量仪测量滚动体的包络圆直径，直到使它比D1大△，测出距离L，按L值磨隔套的厚度。装上隔套，拧紧螺母，便可得到预定的预紧量。

2．角接触轴承的预紧

这种轴承是在轴向力Fa0的作用下，使内、外圈产生轴向错位实现预紧（图3-5（c））。

衡量预紧大小的是轴向预紧力Fa0，简称预紧力，单位为N。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂在内圈（背靠背组配，图3-5（d））或外圈（面对面组配，图3-5（e））的端面根据预紧力磨去δ。装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内、外隔套。在轴向载荷作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联组配为最大轴向载荷的35%（近似地取1/3）；三联组配为其24%（近似地取1/4）。

图３－５轴承的预紧

第五节主轴组件的设计计算

主轴是主轴组件的重要组成部分，对主轴组件的工作性能影响较大。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、主轴前端悬伸量及主轴的支撑跨距等。

一．主轴直径

主轴直径越大，主轴组件的刚度越高。但同时使安装在主轴上的轴承、传动件等的尺寸也随之增大，从而使主轴组件的结构变大，有时甚至为机床结构所不允许。因此，主轴直径应在合理的范围内尽量选大些，使之既满足刚度要求，又使结构紧凑，节省材料。

设计时，由于主轴的具体结构尚未确定，只能根据统计资料，初步确定主轴的直径。通常是根据传递功率，并参考同类型机床的主轴尺寸加以确定。几种通用机床钢质主轴前轴颈

的直径D1可参考表３-３选取。车床和铣床主轴后轴颈D2=(0.7～0.85)D1。应该注意的是，由于对车床、铣床、磨床等机床主轴弯曲刚度的要求较高，主轴又常是空心的，不能像估算传动轴直径那样按其扭转刚度进行估算。

车床、铣床、镗铣加工中心等机床因装配的需要，主轴直径常是从前向后逐渐减少的。后轴承的直径往往小于前轴承的直径。

表3－3 主轴前轴颈直径D 1 （mm ）

二．主轴的内孔直径

主轴的内孔用来通过通过棒料、通过刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的使用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。但是，内孔过大将削弱主轴的刚度。

当d/D =ε<0.3时，实心与空心截面的主轴刚度很接近；当 ε<0.5时，空心主轴的刚度降低很少；当ε=0.7时，主轴刚度降低为25％左右。因此，为了不至于过分地削弱主轴刚度，ε的数值一般不大于0.5～0.7。此外，确定内孔直径时，还应考虑后周颈处壁厚是否足够。

三．主轴前端悬伸量及主轴的支撑跨距

主轴前支承点至主轴前端的距离a 称为前端悬伸量。前后支承点之间的距离称为支承跨距。轴前端悬伸量a 对主轴组件的综合刚度影响很大。因此，在进行结构设计时，应尽量缩短前端悬伸量a 。a 与主轴前端结构的形状尺寸、前轴承类型、组合方式和轴承的润滑与密封有关。跨距L 对综合刚度的影响不是单向的。如L 较大，则主轴变形较大；如L 较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，L 有一个最大值，L 太大或L 太小，都会降低综合刚度。

机床主轴组件的支承跨距，由于受结构的限制，实际的支撑跨距大于最佳跨距，且用传统方式计算理想支承跨距L 0，既费时，又不准确。下面介绍一种经验公式，供参考。

式中 Dm ——主轴平均外径(mm)；

dm ——主轴平均内径(mm)；

K 0——刚度值，其下限值250N/μm ，精密机床的K0值为500 N/m 。

l d D K m m 4

40530-⨯=