1本次課講授內容3.5軸系3.5.1概述3.5.2主軸軸系的基本要求3.5.3主軸軸承選擇3.5.4主軸滑動軸承3.5.5主軸組件布局3.5.6軸系組件初步計算3.5.7主軸滾動軸承的預緊3.5.8主軸組件的潤滑和密封3.5.9提高主軸組件性能的措施第三章機電裝備傳動部件設計

TransmissionPartDesignforElectro-mechanicalEquipment23.5.1軸系概述定義：軸系由軸、軸承和安裝于軸上的傳動體、密封件及定位件組成。功能：支承旋轉零件、傳遞轉矩和運動。組成：軸系按其在傳動鏈中所處的地位不同可分為傳動軸軸系和主軸軸系，一般對傳動軸的要求不高，對主軸有較高的要求。33.5.2對主軸（spindle)軸系的要求整體要求：保證在一定的載荷與轉速下，主軸組件精確而穩定地繞其軸心旋轉，并長期地保持這種性能。從以下五方面分析：1回轉精度2靜剛度3動態特性4熱特性與熱變形5精度保持性41回轉精度定義：指主軸裝配后，在無載荷、低轉速條件下，主軸前端的徑向和軸向跳動量。回轉中心線：軸件作回轉運動時線速度為零的點的連線。影響因素：軸承誤差、軸頸圓度誤差、軸件的撓曲和振動原因、箱體孔制造和裝配誤差、主軸轉速、支承的設計及潤滑等。2靜剛度(StaticStiffness)定義：主軸前端產生單位位移時，在某一方向測量出施加的力。

反映了組件抵抗靜態外載荷變形的能力。

影響因素：主軸的形狀和尺寸，滾動軸承的型號和數量，軸承配置形式和預緊、滑動軸承的油膜剛度、支承距離，主軸前端懸伸量，組件的裝配等。53動態特性(DynamicCharacteristic)定義：指主軸抵抗沖擊、振動、噪聲的特性。是機床主軸組件等非常重要的一個特性。評價指標有動剛度、振型、噪聲三方面。1）動剛度定義：在交變動載荷作用下抵抗動態位移的能力。影響因素：靜剛度K、組件質量m、阻尼比ξ和激振頻率ω等。6（1）準靜態區，主要取決于系統的靜剛度K；（2）共振區，主要取決于系統的靜剛度K和阻尼比ξ；（3）慣性區，主要取決于系統的慣性。準靜態區共振區慣性區7

在判定機床系統的抗振能力時，首先應確定系統的動剛度處于那段頻率范圍。●準靜態區：可用提高靜剛度K的辦法或加大固有頻率的辦法以提高動剛度。●

慣性區：采取增加等效質量的辦法提高動剛度。●

共振區：可改變固有頻率，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為顯著。82）振型方法：對于多自由度系統，可分解為若干個當量單自由度系統（模態)，每個模態有自身的動剛度特性。模態分析理論：一個多自由度系統的各個主要振動模態各有自己的振動頻率和振動型式(振型)，一般按振動頻率的高低由低向高排列為第1階、第2階…第M階的不同振型。3）噪聲噪聲來源于振動。主軸振動主要由軸承引起，軸承的滾動表面缺陷、滾道波紋、滾動體的直徑誤差，軸承結構及彈性變形等。94熱特性與熱變形

(heatcharacteristicanddeformation)1）溫升和熱變形軸系組件熱產生的原因：運動件摩擦、攪油熱量、加工區熱量和環境熱輻射等。后果：○主軸組件溫升和熱變形，使系統各部件間相對位置精度遭到破壞，影響系統的工作精度；○熱變形造成主軸彎曲；○使傳動齒輪和軸承的工作狀態變壞；○使軸件和軸承、主軸與支承座之間已調整好的間隙和配合發生變化，影響軸承的正常工作，加速齒輪和軸承等零件的磨損。主軸的溫升梯度不要大，要溫度場對稱.102）熱位移定義：使主軸工作端截面形心相對固定坐標產生的位移。熱線位移可在笛卡爾坐標中產生三個坐標軸方向的分量。3）軸系主要熱特性參數主要特性參數：熱源強度、溫升和工作部分的熱位移。熱源強度：軸系的熱源有軸承、傳動件、密封件等單位時間內發熱量的總和。原因：滾動體和滾道產生彈性變形而產生摩擦熱，為軸系主要熱源之一，軸承的摩擦熱與軸承類型、預緊力、轉速、軸承的潤滑等情況有關，預緊力越大，發熱量越多，隨著預緊力增加，溫升的增加越來越快。115精度保持性（PrecisionPreserve)

定義：指長期地保持其原始制造精度的能力。要保證這些表面的耐磨性和有調整間隙的可能。影響耐磨性因素：軸件、軸承的材料與熱處理，軸承(或襯套)的類型及潤滑方式等。3.5.3主軸軸承的選擇重要性：主軸的旋轉精度在很大程度上由其軸承決定，軸承的變形量約占主軸組件總變形量的30﹪～50﹪，軸承的發熱量占的比重↑。對主軸軸承要求：旋轉精度高、剛度大、承載能力強、抗振性好、速度性能高、摩擦功耗小、噪聲低和壽命長等。121主軸滾動軸承類型2-外圈1、4-內圈3-隔套13圖a，內圈為1：12的錐孔，與主軸錐形軸頸配合。軸向移動內圈，改變在主軸上的位置來調節軸承的徑向間隙和預緊量。

特點：1、圓柱滾子是線接觸，滾子數多，承載能力較大；2、內外圈可分離，只能承受徑向載荷，不能承受軸向荷；3、旋轉精度高，徑向結構緊湊和壽命長等特點；4、用在車床、銑床、鏜床、磨床及數控車床上。圖d，由外圈2、內圈1和4，及隔套3等組成，接觸角為60°。

特點：1、接觸角大，鋼球直徑小、數量較多，軸承承載能力和精度較高；2、允許極限轉速可高出額定轉速的1.5倍，溫升低，運轉平穩，工作可靠；3、用于高速、輕載和精密機床的主軸組件中。

142滾動軸承選用參考依據：轉速、載荷及結構尺寸。整體原則：線接觸軸承（滾柱、滾錐、滾針）：承載力↑，摩擦力↓，n↓；點接觸球軸承：承載力↓，摩擦力↓，n↑；一般軸系要同時承受徑向載荷與雙軸向載荷，可按下列條件選用滾動軸承：

(1)中高速重載

雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承(若配推力軸承，則極限轉速降低)。成對圓錐滾子軸承結構簡單，但極限轉速較低。空心圓錐滾子軸承的極限轉速提高，但成本較高。(2)高速輕載

成組角接觸球軸承，根據軸向載荷的大小分別選用25°或15°接觸角。(3)軸向載荷為主精度不高時，選用推力軸承配深溝球軸承；精度較高，選用向心推力軸承。153.5.4主軸滑動軸承1液體動壓軸承球頭浮動式

○短三瓦滑動軸承由三塊扇形軸瓦組成。○油膜壓力需在一定的軸頸圓周速度(v＞4m／s)時形成。○三個壓油楔能自動地適應外加載荷，使主軸保持在接近于軸承中心位置。○只宜朝一個方向旋轉，不許反轉。滑動軸承特點：運轉阻尼特性好、抗振和平穩。按流體介質：液體和氣體滑動軸承。按油膜壓力形成方法：動壓和靜壓軸承。16工作原理：當主軸以一定的轉速旋轉時→在軸頸周圍能形成幾個壓力油膜→把軸頸推向中央→因而主軸的向心性較好→當主軸受到外載荷時→軸頸稍偏心→承載的壓力油膜變薄而壓力升高→相對方向的壓力油膜變厚而壓力降低→形成新的平衡。此時承載方向的油膜壓力將比普通單油楔軸承的壓力為高，油膜壓力愈高和油膜愈薄，則其剛度愈大，故多油楔軸承較能滿足主軸組件的工作性能要求。172液體靜壓軸承動壓軸承在轉速低于一定值時，壓力油膜形成不了；如果旋轉停止，壓力油膜消失。所以當主軸轉速較低或啟動、停止過程中，軸頸會與軸承接觸、發生干摩擦。主軸轉速變化后壓力油膜厚度也隨之變化，則軸心位置改變。液體靜壓軸承是由外界供給一定的壓力油于兩個相對運動的表面間，不依賴于它們之間的相對運動速度就能建立壓力油膜。18靜壓軸承工作原理19液體靜壓軸承形式：回轉精度高達0.01μm自動定心裝配方便用于精密儀器和精密機床20能同時承受徑向和軸向力Talycenta圓度儀主軸軸系，軸頸2和軸套3是雙扁錐形，能同時承受徑向和雙軸向力。軸套內錐面上開有12個油腔，每一油腔對應于一個直徑為0.25～0.50mm的毛細管節流器。主軸回轉精度達0.05μm。213空氣動壓軸承工作原理：空氣動壓軸承的工作原理與液體動壓基本相同，在軸頸和軸瓦間形成氣楔。特點：由于空氣的可壓縮性、粘度系數和溫度變化均較小，用于超高速、超高低溫、放射性、防污染等場合。應用：慣性導航陀螺儀、真空吸塵器的小型高速風機(18000r／min)、紡織機心軸(轉速大于100000r／min)、波音747座艙內三輪型空調制冷渦輪機(40000r／min)、太陽能水冷凝器、飛機燃氣渦輪(35000r／min)等機器中。空氣動壓軸承不需氣源、密封和冷卻系統，耗能低，效率達99％，結構簡單，工作可靠，壽命長，適用于超高速輕載的小型機械。22特點：當軸頸受到脈沖載荷時，所產生的多余能量轉換成薄片組的變形能，使氣膜仍保持必要的厚度。薄片還吸收高速轉軸的渦動能量，阻礙自激振動的形成。23軸頸1旋轉時與平箔間形成氣楔，將軸托起，無機械摩擦能達到高速。波箔起著吸收能量、防止自激振動、保證主軸轉速穩定的作用。約0.02mm厚的金屬薄帶1纏繞在軸頸2和幾個圓形導柱3上，兩端加張緊力F。這樣薄帶1與軸頸形成三個兩端楔形的包容區，軸頸雙向旋轉均可形成氣楔將軸托起，與薄帶脫離接觸高速旋轉。244動靜壓軸承動靜壓軸承綜合了動壓軸承和靜壓軸承的優點，工作性能良好。

靜壓啟動動壓工作也可混合工作255磁浮軸承磁浮軸承是利用磁力將軸無機械摩擦、無潤滑地懸浮在空間的一種新型軸承。目前用于空間工業、機床工業、輕工業、重工業方面。工作原理：定子裝有電磁體，使轉子懸浮在磁場中。轉子轉動時，由位移傳感器4隨時檢測轉子的偏心，并通過反饋與基準信號(轉子的理想位置)進行對比。調節器根據偏差信號進行調節，并把調節信號送到功率放大器，以改變定子電磁鐵的電流，從而改變對轉子的磁吸力，使轉子向理想位置復位。徑向磁力軸承的轉軸一般要配備輔助軸承。26

無需潤滑，無需密封介質；

無摩擦及摩擦力矩；運動無噪聲，溫升低；

保持轉速消耗功率少；

圓周速度可達200m/s，旋轉精度可達0.1μm；

用于真空、無菌、腐蝕劑放射性環境中。特點：273.5.5主軸組件的布局

主軸有前、后兩支承和前、中、后三支承兩種。其原則為:1）適應剛度和承載能力的要求2）適應轉速要求3）適應精度的要求4）適應結構的要求5）適應經濟性要求主軸軸承的配置，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據對所設計主軸組件在轉速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求。常見的有以下幾種典形的配置形式：速度型、剛度型和剛度速度型。281）速度型主軸前后軸承都采用具有良好高速性能的角接觸球軸承(雙聯或三聯)。○當軸向切削分力較大時，可選用接觸角為25°的球軸承；○當軸向切削分力較小時，可選用接觸角為15°的球軸承。○角接觸球軸承的承載能力較小，因而適用于高速輕載精密機床，如高速鏜削單元、高速CNC車床。1典型主軸軸承配置形式292）剛度型

前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60°角接觸雙列調心推力球軸承承受軸向載荷。后支承采用雙列短圓柱滾子軸承。這種軸承配置的主軸部件，適用于中等轉速和切削負載較大，要求剛度高的機床。前支承后支承303）速度剛度型后軸承采用角接觸球軸承，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承。前支承后支承314）三支承主軸主軸箱長度較大，主軸支承跨距超過兩支承合理跨距很多，增加中間支承有利于提高剛度和抗振性。為保證主軸組件的剛度和旋轉精度，通常只有兩個支承(其中一個為前支承)起主要作用，而另一個支承(中間支承或后支承)起輔助作用，即處于所渭“浮動”狀態。輔助支承常采用剛度和承載能力較小的軸承，并選用其外圈與支承座孔配合比主要支承松1～2級。統計結果表明，80％左右的機床采用前、中支承為主要支承。323.5.6軸系組件的初步計算1各傳動軸的估算和驗算機床各傳動軸在工作時必須保證具有足夠的彎曲剛度和扭轉剛度。2主軸直徑選擇 在設計之初，由于確定的只是一個設計方案，尚未確定具體構造，因此，只能根據統計資料，初步選擇主軸的直徑。3主軸合理跨距的選擇主軸的跨距(前、后軸承之間的距離)對于主軸組件的性能有相當大的影響。合理選擇跨距，是主軸組件設計中的一個相當重要的問題。333435

顯然存在著一個最佳的L/a值。這時，柔度y/Fc最小，也就是主軸組件的綜合剛度最大。如果a為已定，則存在著一個最佳跨距L0。通常，L／a=2～3.5。從線圖上也可以看到，在L／a的最佳值附近，柔度變化不大。當L＞L0時，柔度的增加比L＜L0時慢。設計時首先應爭取符合最佳跨距。

363.5.7主軸滾動軸承的預緊

保持合理的軸承間隙，對主軸組件的工作性能和軸承壽命有著重要的影響。機床主軸組件在裝配時或使用過程中軸承被磨損后，都需要對軸承間隙進行調整。預緊:預加載荷,消除軸承間隙，且有一定的過盈量，使滾動體和內外圈接觸部分產生預變形，增加接觸面積，提高支承剛度和抗振性。預緊有徑向和軸向兩種。預緊量要根據載荷和轉速來確定，不能過大，否則預緊后發熱較多、溫升高，會使軸承壽命降低。373.5.8