轴系部件的选择与设计

目录

轴系部件的选择与设计 (1)

1.轴系设计的基本要求 (1)

（1）旋转精度、刚度、抗振性、热变形 (1)

（2）机床主轴传动齿轮空间布置比较 (1)

2.轴系(主轴)用轴承的类型与选择 (2)

（1）标准滚动轴承； (2)

（2）深沟球轴承； (2)

（3）双列向心短圆柱滚子轴承； (2)

（4）圆锥滚子轴承； (2)

（5）推力轴承。 (2)

3.提高轴系性能的措施 (5)

（1）提高轴系的旋转精度 (5)

（2）提高轴系组件的抗振性 (5)

轴系部件的选择与设计

1.轴系设计的基本要求

轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成，有主轴轴系和中间传动轴轴系。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力(力矩)。

对于中间传动轴系一般要求不高。而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗振性等的要求较高。

（1）旋转精度、刚度、抗振性、热变形

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向跳动和轴向窜动量。

轴系的刚度反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。

轴系的振动表现为受迫振动和自激振动两种形式。其振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度及单向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。

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。又由于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。

（2）机床主轴传动齿轮空间布置比较

机床主轴传动齿轮空间布置比较

2.轴系(主轴)用轴承的类型与选择

（1）标准滚动轴承；

（2）深沟球轴承；

（3）双列向心短圆柱滚子轴承；

（4）圆锥滚子轴承；

（5）推力轴承。

双列向心短圆柱滚子轴承、

圆锥滚子轴承、双列推力球轴承图

1）配套应用例

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，利用内圈胀大以消除间隙或预紧。这种轴承只能承受径向载荷。轴向载荷由双列推力球轴承2承受，用螺母1调整间隙。轴向力的传递见图中箭头所示，轴向刚度较高。这种推力轴承的制造精度已达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。

2）微型滚动轴承

3）精密分度头主轴系统

上图为一精密分度头主轴系统。它采用的是密珠轴承，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；每个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。

4）液体静压轴承工作原理

液体静压轴承工作原理

1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜；6-圆盒；7-回油槽；8-轴套

5）磁悬浮轴承工作原理i

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。其工作原理如下图所示。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检测转子的偏心，并通过反馈与基准信号l(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。

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。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同。

磁悬浮轴承工作原理

1—信号输入；2—调节器；3—功率放大器；4—位移传感器；5—定子；6—转子

3.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

1）被测表面的几何形状误差；

2）被测表面对旋转轴线的偏心；

3）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

1）被测端面的几何形状误差；

2）被测端面对轴心线的不垂直度；

3）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：

1）提高轴颈与架体(或箱体)支承的加工精度；

2）用选配法提高轴承装配与预紧精度；

3）轴系组件装配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。

（2）提高轴系组件的抗振性

轴系组件有受迫振动和自激振动，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。

提高其抗振性的主要措施有：

1）提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼，通过计算或试验来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受迫振动频率，以防止共振。一般讲，刚度越高、阻尼越大，则激起的振幅越小。

2）消除或减少受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。

3）采用吸振、隔振和消振装置。

i注：摘自张建民《机电一体化系统设计》第四版