精密机械水平及垂直旋转支承结构设计

ΔX
导致支承间隙的变化，其变
化量为：
X d孔[1 ak (t t0 ) d轴[1 az (t t0 )]
●轴承与轴颈材料相同时有利于减小温度对 结构性能的影响 ●从相对摩擦特性的角度考虑，轴承与轴颈 应采用两类不同的材料
24/08
风
力
发
3.轴向铅垂布置结构设计
电
机
为保证尺寸紧凑和较高的精度，精密 机械结构中多采用滑动轴承。 常见铅垂布置：
24/13
（3）结构特点及应用相关讨论 1）结构零件少，整体精度高，能自动补
偿工作磨损造成的间隙；旋转阻力矩大，摩 擦升温影响严重，制造工艺复杂；
2）锥角2α越小，定向及置中精度越高， 但锥面法向压力增大，旋转灵活性差；
设计锥角推荐值：2α= 4-15° 高精度支承锥角：2α= 4-8 °（荷载较小）
N1
N2
Q
2 sin
摩擦力矩：
M0
Q
sin
d平均 2
24/15
2）结构精度分析
评价参数：最大中心误差 C 、最大偏角
在不采用端面支承的结构中，理论上不存 在配合间隙；由于制造存在尺寸、形状误差， 实际结构在运行中有间隙引起的跳动。
若采用端面支承，可等效看成轴向荷载全 部由端面承担，分析方式与前面圆柱面相同。
存在或必需考虑轴向力导 致的端部摩擦力矩：
M0
1 Q
3
d13 d12
d
3 2
d
2 2
等效荷载 Q
24/05
球面支承摩擦力矩的计算：
M0
3 Qa
16
赫兹公式计算接触半径a：
a 0.8813 Q( 1 1 )r E轴颈 E止推
等效 荷载Q
水平布置 球面支承
E—wenku.baidu.com弹性模量； r——支承球体半径
垂直布置 球面支承
计算内容主要包括：
●摩擦力矩的计算 ●支承部分承受径向载荷计算 ●支承部分承受轴向载荷计算 若运行时同时承受轴向和径向载荷，则总摩 擦力矩等于两种载荷所产生的摩擦力矩之和。 注意的问题：矢量合成运算
24/02
（1）轴颈尺寸设计
圆柱面支承的设计主要是确定圆柱面
支承尺寸的确定，运用强度计算方法。
最小轴颈： d
程度取决于倒圆锥状孔的内表面质量。
重要措施：分离制造 （轴承）
由于圆锥内孔精度（尺寸、形状、表面质量）
涉及加工设备、专门的工艺装备，因此轴承材料
选择时除满足功能，还要考虑其工艺性。
例：陶瓷、宝石 类非金属，尽管使用性能很好但
工艺性极差，不适合该场合选用。 常用材料：磷青铜、黄铜、耐磨铸铁
24/20
4.滚动体填入的轴向铅垂布置设计 运用滚动体填入的方式，将有效改善滑动
26/14
加工机床类垂直旋转支撑结构：
立式铣床主轴、立式车床工作台、龙门 铣床升降丝杠和立铣头等常用设备。。
立 式 车 床
24/23
龙门铣床
填入滚动体垂直支承结构小结：
类似滚珠丝杠、水平支持结构设计特征， 选用时应综合优劣两方面的特性。
●根据运行速度、荷载大小的差异，选择不同 的滚动体植入；
●适用转速、功率（承载）范围大 ●过定位多点支撑 ●采取合理措施，控制定向、置中精度 ●突出专业制造提高结构性价比
●圆锥面支承
回
●球端面支承
转 工
●顶针、刃口等支承
作 台
●填入滚动体（球体）
24/09
铅垂布置滚动轴承结构：
典型结构——滚动体支持
24/10
（1）圆锥支持结构设计
如图所示圆锥面支承结构，具有定向、
置中双项功能，但旋转阻力大。
设结构参数：
轴锥面长 L、圆锥角2α、承载 Q Q
非承
正压力： N
Q
sin
摩擦难以消除的的部分缺陷。 适用场合：对运动精度要求一般，承载较
大的大中型回转运动装置。 滚动体选择：球体、圆柱体
24/22
结构特点： ●滚动摩擦系数小、接触面积小、相对运动
灵活、用量大便于专业化生产。 ●零件种类、数量、相关参数较多，运动件
承受循环荷载，且表面硬度要求高，工艺特殊。 高度专业化行业： ●轴承产业及轴承配套系列产品 ●各类精密回转台、分度盘等
3）利用端面支承结构，减小锥面正压力；
4）辅助措施：润滑、防尘
24/14
（4）结构参数设计——分析及计算
1）摩擦力矩计算
轴径及支承面在加工中存在尺寸及形
状误差，考虑误差的微量性和结构的各向
相同性，支承力简化为n个均匀分布力。
平衡方程：Q N1 sin N2 sin Nn sin
可等效成两个左右对称支撑力：即
轴长推荐值： L 1.5d平均
24/17
4）精度（公差与配合）设计 配合间隙由零件尺寸、形
状、相对位置等误差造成。
解决问题的关键：精度 基准制——标准化 标准公差等级——功能、经济 基本偏差——配合性能
精度设计是实现功能设计的基础。
24/18
（5）材料及工艺
1）轴颈材料
选常材用依材据料：：精度、工艺、荷载、环境、润滑 优先优考质虑碳：素表结面构硬钢度：45、55
问题思考：
●如何获取预期效果？ ●磨损后能否自动补偿？
24/12
Q 2）辅助球面支承（B面）
球面支持接触面小，
摩擦阻力矩小，但磨损
问题仍然存在。
N
N
运行时上述两种优化支承结
B面
构都处于一种复杂受力状态，属于过定位承载，
总摩擦力矩由多项组成，与结构刚度相关。
端面（平面或球面）等效荷载：
●分担的轴向力 ●轴向力产生的阻力矩
载面 R
L
摩擦力： f N
N
摩擦力矩： M 0 fR平均
r
N
结构受力图
24/11
（2）圆锥支持结构优化——端面支承
改进主要承载零件结构，可将圆锥面荷
载分散，减小旋转摩擦力矩。
Q A面
受力：过定位（超静定）
1）辅助平面支承（A面）
水平面接触，降
低圆锥面正压力，提 N
N
高定向回转稳定性，一定程度减小摩擦阻力。
等效 荷载Q
24/06
（3）精度计算 支承零件的配合存在：
●尺寸偏差（间隙） ●形状偏差 ●相对位置偏差
评价支承精度的两项
主要参数：
定位中心误差：（含尺寸、形状误差）
C
1 2
(
d
k
dz ) (d k max
d z min )
最大偏角误差： tg C
L
24/07
（4）温敏性计算
系统环境温度的变化将
24/24
思考题：
P247:2
思考题
上次课程主要内容：
1.旋转支承的一般形式（方向、置中精度） ●水平布置：
径向荷载→向心轴承 径向、轴向荷载→向心推力轴承 ●铅垂布置：向心推力轴承、轴承组合 ●精密机械滑动轴承支承结构 2.轴承材料
铸铁、铜合金、巴氏合金、陶瓷合金、 宝石、非金属（尼龙1010、聚四氟乙烯）
24/01
2.圆柱面支承的设计和计算
P
0.2 b
等P 效荷载P
b — —强度极限应力 根据摩擦力矩计算方法：
M0
Pd
2
— —当量摩擦系数
未跑合 已跑合 硬摩硬
' 1.57 ' 1.27 '
24/03
(2)摩擦力矩计算（复杂性）
●影响因素：尺寸精度、配合种类、表面粗糙
度、形状及位置精度、材料、支承等。
●设计条件：综合考虑支承轴承的旋转精度要
求、承载、转速、环境等因素。
●计算：依据相关经验公式，修正计算结果
影响滑动轴承摩擦力矩的因素复杂，实用 中可参考有关手册对不同结构的计算。 有效途径：借鉴类似产品设计参数
24/04
摩擦力矩的计算公式应用：
支承处仅考虑承受径向载荷时，摩擦力
矩来源于圆柱面，计算式：
等效荷载 P
M0
Pd
2
（注意当量系数μ′的确定）
碳不素论工滑具动钢、：滚T8动A、结T构12，A 其相对运动表面都需 达到合一金定结的构耐钢磨：性40（Cr硬、度50）Mn。、65Mn （机特械殊结性构能设钢计：：GC首r1先5、考C虑rW强Mn度或刚度）
工艺考虑：
●机械加工工艺性 ●热处理效果 ●后续磨削、研磨
24/19
2）轴承材料 圆锥面支承结构的精度、寿命 设计，很大
最大中心误差： C 0.5 孔 轴 间隙 / cos
最大偏角：
tan C
L
24/16
3）平均轴径 d平均 及轴长 L
平均轴径的确定取决于摩擦 力矩，影响因素包括材料、荷载、 系统刚度、表面质量等。
平均轴径：
d平均
d1
d2 2
注：为保证结构支承的稳定性，轴长 L 应
大于横向作用力的力臂。