1 軸系設(shè)計(jì)的基本要求
軸系分為主軸軸系和中間傳動(dòng)軸軸系。對(duì)于中間傳動(dòng)軸軸系一般要求不高。而對(duì)于完成主要作用的主軸軸系的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、熱變形及抗振性等要求較高。
(1)旋轉(zhuǎn)精度旋轉(zhuǎn)精度是指在裝配之后，在無(wú)負(fù)載、低速旋轉(zhuǎn)的條件下，軸前端的徑向圓跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)量。其大小取決于軸系各組成零件及支承部件的制造精度與裝配調(diào)整精度。如采用高精密金剛石車(chē)刀的切削加工機(jī)床的主軸軸端徑向圓跳動(dòng)量為0．025μm時(shí)，才能達(dá)到零件加工表面粗糙度Ra (2)剛度軸系的剛度反映了軸系組件抵抗靜、動(dòng)載荷變形的能力。載荷為彎矩、轉(zhuǎn)矩時(shí)，相應(yīng)的變形量為撓度、扭轉(zhuǎn)角，其剛度為抗彎剛度和抗扭剛度。軸系的載荷為徑向力(如帶輪、齒輪上承受的徑向力)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。所以除強(qiáng)度驗(yàn)算之外，還必須進(jìn)行剛度驗(yàn)算。
(3)抗振性軸系的振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式，其振動(dòng)原因有軸系組件質(zhì)量不勻引起的不平衡、軸的剛度及單向受力等；它們直接影響旋轉(zhuǎn)精度和軸承壽命。對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的軸系必須以提高其靜剛度、動(dòng)剛度、增大軸系阻尼比等措施來(lái)提高軸系的動(dòng)態(tài)性能，特別是抗振性。
(4)熱變形軸系受熱會(huì)使軸伸長(zhǎng)或使軸系零件間隙發(fā)生變化，影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、旋轉(zhuǎn)精度及位置精度。又由于溫度的上升會(huì)使?jié)櫥偷恼扯劝l(fā)生變化，使滑動(dòng)或滾動(dòng)軸承的承載能力降低。因此應(yīng)采取措施將軸系部件的溫升限制在一定范圍之內(nèi)。
(5)軸上零件的布置軸上傳動(dòng)件的布置是否合理對(duì)軸的受力變形、熱變形及振動(dòng)影響較大。傳動(dòng)齒輪應(yīng)盡可能安置在靠近支承處，以減少軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。如主軸上裝有兩對(duì)齒輪，均應(yīng)盡量靠近前支承，并使傳遞扭矩大的齒輪副更靠近前支承，使主軸受扭轉(zhuǎn)部分的長(zhǎng)度縮短。傳動(dòng)齒輪的空間布置上，也應(yīng)盡量避免彎曲變形的重疊。
(6)軸系的驅(qū)動(dòng)方法 由于電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)是主要振源之一，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視合理選擇軸系的驅(qū)動(dòng)方法，以保證軸系的回轉(zhuǎn)精度。例如，可采用卸荷帶輪、卸荷軸承、撓性聯(lián)軸器等方法減少或消除單向和不平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力直接作用在軸系上。
2 軸系設(shè)計(jì)的分類(lèi)、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式軸系因主軸軸頸與軸套之間的摩擦性質(zhì)不同，可以分為以下幾類(lèi)：
(1)滑動(dòng)軸承軸系這種軸系在軸頸與軸套之間注入潤(rùn)滑油介質(zhì)起潤(rùn)滑作用。為了轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，軸頸與軸套之間應(yīng)具有一定間隙(一般禁忌小于2．5μm，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，間隙也應(yīng)相應(yīng)增大)。
滑動(dòng)軸承軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，剛度和承載能力大，但抗振性和耐磨性較差，因此容易喪失精度。如采用錐形結(jié)構(gòu)，磨損后間隙可以調(diào)整，但調(diào)整比較麻煩。
(2)流體動(dòng)壓軸承和靜壓軸承軸系 流體動(dòng)壓軸承軸系和靜壓軸承軸系阻尼性能好，支撐精度高，具有良好的抗振性和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。按照油膜和氣膜壓強(qiáng)的形成方式分為動(dòng)壓、靜壓和動(dòng)靜壓相結(jié)合三類(lèi)軸系。目前使用的流體介質(zhì)主要為液體和氣體。
動(dòng)壓軸承是在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，油(氣)被帶入軸與軸承問(wèn)所形成的楔形間隙中，由于間隙逐漸變窄，使壓強(qiáng)升高，將軸浮起而形成油(氣)楔，以承受載荷。其承載能力與滑動(dòng)表面的線(xiàn)速度成正比，低速時(shí)承載能力很低。故動(dòng)壓軸承只適用于速度很高、且速度變化不大的場(chǎng)合。
靜壓軸承是利用外部供油(氣)裝置將具有一定壓力的油(氣)體通過(guò)油(氣)孔進(jìn)入軸套油(氣)腔，將軸浮起而形成壓力油(氣)膜，以承受載荷。其承載能力與滑動(dòng)表面的線(xiàn)速度無(wú)關(guān)，故廣泛應(yīng)用于低、中速，大載荷的機(jī)器。它具有剛度大、精度高、抗振性好、摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn)。
(3)磁懸浮軸承軸系磁懸浮軸承是利用磁場(chǎng)力將軸無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)潤(rùn)滑地懸浮在空間的一種新型軸承。磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)軸一般要配備輔助軸承，工作時(shí)輔助軸承不與轉(zhuǎn)軸接觸，當(dāng)斷電或磁懸浮失控時(shí)能托住高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸，起到保護(hù)作用。輔助軸承與轉(zhuǎn)子之間的間隙一般等于轉(zhuǎn)子與電磁體氣隙的一半。
(4)滾動(dòng)軸承軸系軸頸與軸套之間放入滾動(dòng)軸承或圓球、滾柱等滾動(dòng)體作為介質(zhì)的軸系。滾動(dòng)軸承軸系分為標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承軸系和非標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承軸系兩類(lèi)。
直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承的軸系稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承軸系。標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，并由軸承廠(chǎng)成批生產(chǎn)。在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，只要根據(jù)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、精度、剛度及空間大小等即可選用所需軸承。
非標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承軸系中不用標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承，一般是在軸頸和軸套間直接放人滾動(dòng)體，因此結(jié)構(gòu)緊湊。此外，軸頸與軸套上一般不加工出圓弧形滾道，因此容易達(dá)到較高的尺寸和形狀精度，所以在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，或因標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承無(wú)法滿(mǎn)足軸系精度要求時(shí)，就自行設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承軸系。非標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承軸系又可分為普通非標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承軸系和密珠軸系兩種。
軸系的作用是承受工作時(shí)的軸向和徑向載荷，并要保證所要求的回轉(zhuǎn)精度。因此軸系設(shè)計(jì)時(shí)，在選擇軸系類(lèi)型的同時(shí)，還要考慮合適的結(jié)構(gòu)形式，這樣才能更好地滿(mǎn)足軸系工作的要求。軸系的結(jié)構(gòu)形式很多，常見(jiàn)的有以下幾種，如圖2-69所示。
1)圓柱一止推。如圖2—69a所示，其徑向載荷和徑向回轉(zhuǎn)精度由徑向圓柱形軸承承受和保證，而軸向載荷和軸向精度則由止推軸承承受和保證。這種軸系結(jié)構(gòu)形式最為常見(jiàn)。
2)圓錐一止推。如圖2—69c所示，由兩個(gè)錐形軸承和一個(gè)止推軸承構(gòu)成。其徑向載荷及徑向精度由錐形軸承承擔(dān)及保證，而軸向載荷及軸向精度則由止推軸承承受和保證，其特點(diǎn)是徑向間隙可以調(diào)整。
3j雙錐。如圖2—69d所示，軸系兩端軸承由兩個(gè)錐角方向相反的圓錐軸承構(gòu)成，既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷。
4)圓柱一圓球。如圖2-69e所示，軸系兩端軸承一個(gè)是徑向圓柱形軸承，一個(gè)是球形軸承，球形軸承承受徑向和軸向載荷。
5)圓錐_半圓球。如圖2—69f所示，軸系兩端軸承，一個(gè)是錐形軸承，一個(gè)是半圓球軸承組成。
6)雙球(包括圓球一半圓球及雙半圓球等)。由兩個(gè)圓球形軸承、兩個(gè)半圓球軸承或一個(gè)球及一個(gè)半圓球軸承構(gòu)成(見(jiàn)圖2—69b)。
在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用哪一種類(lèi)型軸系和什么樣的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)從多方面考慮，包括軸系的精度要求、軸系的空間位置(立式軸系還是臥式軸系)、軸系的承載大小及制造廠(chǎng)的工藝條件等。
3 軸系機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)禁忌
軸主要是用來(lái)支承作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并傳遞動(dòng)力。因此，設(shè)計(jì)軸時(shí)首先要滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的要求，因此必須考慮軸和軸上零件的布置及定位固定形式、軸的合理受力、軸承的類(lèi)型和支承、軸的加工、裝配工藝要求等情況。可見(jiàn)設(shè)計(jì)出合理的軸系結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)非常復(fù)雜且困難的工作，因?yàn)樾枰C合考慮多種情況。但是如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中注意以下幾種情況，將對(duì)設(shè)計(jì)出合理的軸系結(jié)構(gòu)大有裨益。
1)注意為了改善軸的抗疲勞強(qiáng)度，軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)禁忌出現(xiàn)形狀的突然變化，若需要制成階梯軸則可以采用過(guò)渡圓角(必要時(shí)可增設(shè)一階梯軸段或錐形軸段)，借以緩和軸的截面突變。如果軸肩或軸環(huán)處圓角受到固定在軸上零件的限制，那么可用凹切圓角或加裝隔離肩環(huán)。另外，軸上的環(huán)形槽應(yīng)設(shè)置在受輕載荷的軸段或軸端處。當(dāng)軸與軸上零件過(guò)盈配合時(shí) 可以采用減少過(guò)盈量(在保證傳遞載荷的前提下)、增大配合處半徑、軸上開(kāi)減載槽及零件輪轂兩端開(kāi)減載槽；對(duì)于階梯軸，為了避免由過(guò)盈引起的端部應(yīng)力集中和階梯部分應(yīng)力集中相疊加，應(yīng)逐漸減少階梯部分附近的過(guò)盈量及加大配合處的軸向?qū)挾?若不能加大，要從粗的一端向細(xì)的一端調(diào)整過(guò)盈量)。當(dāng)軸上有鍵槽時(shí)，必須按國(guó)標(biāo)給出鍵槽圓角半徑和避免將鍵槽銑削至階梯軸的階梯部分。這些措施都有利于減小軸上的應(yīng)力集中。
2)為減少過(guò)盈配合零件的裝拆困難，在滿(mǎn)足傳遞載荷的條件下盡量減小配合長(zhǎng)度，并使其他部分留有間隙。另外，對(duì)于圓柱配合表面還要在配合軸段的一端制成錐形結(jié)構(gòu)。如果在一根軸上安裝有多個(gè)過(guò)盈配合的零件，要在各段逐一給予稍許的階梯差，安裝部分以外不要加過(guò)盈量，同一零件在軸上有幾處過(guò)盈配合時(shí)也要符合上述要求。在不能給予自由的微小尺寸的階梯差的場(chǎng)合(如用滾動(dòng)軸承支承的多支點(diǎn)軸)，應(yīng)考慮利用帶斜度的緊固定套配合。
3)為裝配方便，裝配起點(diǎn)不要成尖角，另外，兩配合表面起點(diǎn)不要同時(shí)裝配，這樣可以使裝配平穩(wěn)。
4)為將零件安裝到軸的正確位置上，軸必須制成階梯形軸肩或軸環(huán)，如果受某些條件限制，軸的階梯差很小或不便加工出軸肩時(shí)，可采用加定位套筒或加對(duì)開(kāi)的軸環(huán)進(jìn)行定位。
5)當(dāng)軸上采用兩個(gè)平鍵時(shí)一般設(shè)置在同一軸段上相隔墻O。的位置，有利于平衡軸的截面變形不均勻性。當(dāng)采用兩個(gè)楔鍵時(shí)，為禁忌輪轂之間傳遞轉(zhuǎn)矩的摩擦力相互抵消，兩鍵槽相隔120°左右為好。當(dāng)采用兩個(gè)半圓鍵時(shí)，為禁忌過(guò)分消弱軸的強(qiáng)度，則常設(shè)置在軸的同一母線(xiàn)上。在長(zhǎng)軸上避免在一側(cè)開(kāi)多個(gè)鍵槽或長(zhǎng)鍵槽，因?yàn)檫@會(huì)使軸喪失全周的均勻性，易造成軸的彎曲，因此，要交替相反地在兩側(cè)布置鍵槽，長(zhǎng)鍵槽也要相隔180。對(duì)稱(chēng)布置。另外為防止軸的損壞，空心軸的鍵槽下部壁厚不要太薄，且鍵槽要設(shè)置在軸上便于加工的位置。
6)禁忌在軸上加工細(xì)長(zhǎng)孔，以防鉆頭折斷。
7)注意軸承的選擇要恰當(dāng)。由于軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大程度上是由其軸承決定的，因此在選擇軸承類(lèi)型時(shí)一定要慎重，軸承的類(lèi)型應(yīng)該依據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來(lái)選擇。所選用的軸承有滾動(dòng)和滑動(dòng)兩大類(lèi)。這兩類(lèi)軸承都能滿(mǎn)足旋轉(zhuǎn)精度的要求，一般情況下用滾動(dòng)軸承多一些，特別是大多數(shù)立式主軸。只要加工表面粗糙度數(shù)值要求較小，且主軸是水平的機(jī)床，采用滑動(dòng)軸承；或?yàn)榱颂岣咧鬏S組件的抗振性，在主軸前支承處用滑動(dòng)軸承，后支承用滾動(dòng)軸承。當(dāng)主軸組件要求徑向剛度較高時(shí)，可采用雙列圓柱滾子軸承，而軸向載荷由接觸角為50°的雙向推力角接觸球軸承來(lái)承受，但是主軸的組件要求轉(zhuǎn)速較高時(shí)，可以采用接觸角為40°或30°的推力角接觸球軸承。角接觸球軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低，為提高剛度，通常采用背靠背的組合方式。
此外，主軸軸承常用輕系列、特輕系列和超輕系列。軸承越輕，則同樣內(nèi)徑時(shí)，外徑越小；而同樣外徑時(shí)，則內(nèi)徑越大，即同樣的主軸直徑殼體孔可以小一些，使結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)也利于孔的加工。如果同樣的殼體孔直徑，則主軸直徑可粗一些，主軸組件的綜合剛度提高十分明顯。但是軸承越輕，內(nèi)、外國(guó)越薄，制造越困難。
為了提高其精度和剛度，主軸的間隙應(yīng)該是可以調(diào)整的，這也是主軸軸承的主要特點(diǎn)。
主軸傳動(dòng)件的適當(dāng)布置也是非常重要的。當(dāng)傳動(dòng)件是齒輪時(shí)，可將其安裝在前、后軸承之間或后軸承之后的主軸后懸伸處。當(dāng)在前、后軸承之間時(shí)，應(yīng)將幾個(gè)齒輪中較大的一個(gè)靠近前軸承，這樣不僅可以減少主軸的彎曲變形，因與切削力的位置比較靠近，又使主軸的扭轉(zhuǎn)變形較小。
當(dāng)傳動(dòng)件是傳動(dòng)帶時(shí)，一般情況下都裝在后支承后部主軸的懸伸處。這樣一方面便于防護(hù)，以免油類(lèi)侵蝕傳動(dòng)帶，另一方面是更換傳動(dòng)帶容易。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，傳動(dòng)件的布置往往受到許多條件的限制，所以必須注意應(yīng)全面考慮。
8)注意合理布置軸上的零件和改進(jìn)結(jié)構(gòu)減小軸所受的轉(zhuǎn)矩和彎矩，當(dāng)動(dòng)力需兩個(gè)或兩個(gè)以上的輪輸出時(shí)，將輸入輪布置在輸出輪中間，就可以減小軸的轉(zhuǎn)矩。用人字齒輪替代斜齒輪可以抵消軸向力。把輪轂與軸的配合面分為兩段，不僅可減小軸的彎矩，提高了軸的強(qiáng)度和剛度，而且也改善了軸孔的配合。
9)注意若在軸的兩端上被驅(qū)動(dòng)的是車(chē)輪或杠桿一類(lèi)的構(gòu)件，為防止兩端的扭轉(zhuǎn)變形不相同而導(dǎo)致相互動(dòng)作失調(diào)，要求采取等距離的中央驅(qū)動(dòng)，軸的直徑也應(yīng)大一些為好。
10)注意為提高軸的疲勞強(qiáng)度，要求軸具有良好的表面品質(zhì)(例如表面粗糙度等)，另外采用碾壓、噴丸、滲碳淬火、氮化、高頻淬火等表面強(qiáng)化方法，也可以顯著提高軸的疲勞強(qiáng)度。
11)注意在盲孔中裝入過(guò)盈配合軸，如果孔內(nèi)部形成封閉空間，則使安裝困難，在拔出時(shí)由于內(nèi)部形成真空，則拔出時(shí)更為困難，為避免形成封閉空間，必須設(shè)置供通氣用的小孔或溝槽。
12)注意為節(jié)省材料可以將軸制成空心軸，另外設(shè)計(jì)空心軸的目的也是為了通過(guò)棒料、拉桿或通過(guò)氣動(dòng)、電氣或液壓等安裝輔助工具；一般要求內(nèi)孔的直徑大些，但是當(dāng)內(nèi)孔直徑超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，就會(huì)降低主軸的剛度，所以為了不使主軸的剛度受到太大的影響，內(nèi)孔直徑禁忌超過(guò)軸直徑的70％。
13)注意在軸的兩個(gè)支承中，如果有其中一個(gè)支承力為零或接近零，則在此支點(diǎn)上的軸承載荷為零，在載荷為零的軸承上的軸，在軸承的哪一個(gè)方向上都不接觸，軸心的位置很不穩(wěn)定，容易發(fā)生油膜振蕩，使軸產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。避免的方法是首先合理安排好軸上的傳動(dòng)零件和軸承的位置，禁忌軸承上的載荷為零，如果不能避免這種情況，則務(wù)必采用穩(wěn)定性好的軸承。
14)注意通常軸支承在滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承上，為了保證軸頸的磨損壽命，軸頸表面必須具有足夠的硬度；當(dāng)軸上的零件用螺母緊固時(shí)，軸上切制的螺紋要有利于螺母的防松，另外，還可以使用止動(dòng)墊圈和彈性卡圈，但是要注意其正確安裝(詳細(xì)內(nèi)容可參考有關(guān)資料)。如果用螺母壓緊安裝在軸上的零件時(shí)，要使軸的配合部分的長(zhǎng)度稍短于安裝零件的寬度，以防出現(xiàn)零件壓不緊的現(xiàn)象；相反，如果要求安裝件在軸上轉(zhuǎn)動(dòng)或在軸向有一定游動(dòng)時(shí)，禁忌依靠調(diào)整螺母的松緊來(lái)給出間隙，而要擰緊螺母，使其與軸階梯接觸，所以應(yīng)該使軸的配合部分的長(zhǎng)度稍大于安裝件的寬度，以保證預(yù)定的間隙，如圖2-70所示。
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