第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置12-7 轴系部件的选择与设计轴系部件的选择与设计一、轴系设计基本要求 轴、轴承和安装于轴上的传动体、密封件及定位件组成 主要功能：支承旋转零件、传递转矩和运动 按其在传动链中所处地位不同，分为： 传动轴轴系：要求一般不高 主轴轴系：保证设备功能、完成主运动直接影响 基本要求： 1）回转精度 瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置偏差 误差形式： 轴向窜动量、径向跳动、摆动误差 影响因素： 支承轴颈的圆度误差-径向误差 轴承误差（滚道圆度、滚动体直径和圆度不一致性）-径向误差 轴承端面对轴颈的垂直度、推力轴承滚道、滚动体误差-轴向误差 前后轴承同轴度、径向跳动大小和方向不一致性-摆动误差 轴系不平衡、轴系支承刚度变化-径向误差和摆动误差 主轴振动-径向误差 滑动轴承低速、高速时的油膜震荡-径向误差 2）刚度 轴系抵抗静、动载荷变形的能力 载荷：弯矩、转矩挠度、扭转角抗弯刚度、抗扭刚度 轴系承受切向力、径向力作用产生弯矩、转矩弯扭合成验算强度、刚度 静刚度静刚度 K在静态外力或力矩（交变频率低于 0.167Hz）作用下，轴系产生单位 变形所需静载荷大小N/mmyFK/BSyyy主轴本身弯曲变形产生的位移；Sy支承轴承弹性变形产生的位移；By 力学分析可知，主轴的变形量与支承结构 L，a 参数、轴径以及轴的弹性摸量等有关 加强轴与支承的刚度是提高静刚度和旋转 精度的主要措施 动刚度动刚度轴系抵抗冲击、振动等变载荷的能力，即在交变动载荷作用下，产dK生单位动态变形(位移)所需动载荷大小L a F yB yS 第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置2激振力tieFtFF00sin轴系产生的动态响应位移)()sin(tiAetAx=)()()(XFKd)(0 )()( ieAF)()(i deK动刚度的倒数动柔度dKdW=)()( )(1)( FX KWdd)(0)()( ieFA)()(i deW式中 激振力的幅值；0F振动位移的幅值；A 激振力的角频率； 位移滞后于激振力的相位角；动刚度的幅频特性；)(dK动柔度的幅频特性(或轴系频率响应函数的幅频特性)(dW从控制工程角度讲，为系统输入，为轴系输出响应，动柔度)(F)(X就是轴系的频率响应函数)(dW3）抗振性 轴系振动：强迫振动、自激振动 原因：轴系质量不均匀引起不平衡（静平衡、动平衡） 、轴刚度不足 影响：旋转精度、轴承寿命 高速运动轴系，提高静、动刚度，增大轴系阻尼改善轴系动态性能 4）热变形 温度轴伸长、轴系零件间隙变化传动精度、旋转精度、位置精度 温度润滑油粘度变化轴承承载能力降低 控制温度变化 5）轴上零件布置 轴的受力变形、热变形、振动 机械设计工程学（）二、轴系用轴承选择 1标准滚动轴承 滚动轴承标准化、系列化 根据承载大小、旋转精度、刚度、转速等要求选用合适轴承类型 2非标准滚动轴承 适应轴承精度要求高、结构尺寸较小、特殊要求不能采用标准轴承-自行设计第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置33静压轴承 滑动轴承：阻尼特性好、支承精度高、具有良好抗振性能和运动平稳性 流体介质分类： 液体滑动轴承、气体滑动轴承 油膜/气膜压强形成方法分类： 动压、静压、动静压轴承动压轴承：轴旋转时，油/气被带入轴与轴承间形成的楔形间隙内，由于间隙变窄压强轴浮起形成油/气楔承受载荷承载能力与滑动表面的线速度呈正比-低速时承载能力很低动压轴承适应速度很高、速度变化不大场合静压轴承：利用外部供油/气装置将具有一定压力的液/气体通过油/气孔进入轴承油/气腔轴浮起形成压力油/气膜承受载荷承载能力与滑动表面的线速度无关适应低、中速，大载荷，高精度设备特点： 刚度大、精度高、抗振性好、摩擦阻力小静压轴承工作原理油腔 1 为轴套 8 内面上的凹入部分，包围油腔的四周-封油面；封油面与运动表面构成的间隙-油膜厚度。承载补偿流量。补偿流量的机构-补偿元件/节流器压力油节流器节流油腔封油面节流轴向(端面)、周向(回油槽 7)油箱不考虑轴重，且 4 节流器液阻相等()，油腔04321gggggRRRRR1，2，3，4 压力相等()。主轴被一层油膜隔开，油膜厚04321rrrrrppppp度 A0，轴中心与轴套中心重合考虑轴的径向载荷(轴重)作用，轴心 OO1，位移 e，油腔压力变化：油腔 1 间隙液阻油腔压力；1hR1rp第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置4油腔 2 间隙液阻油腔压力；油腔 3，4 压力相等2hR2rp油腔 1，2 压力变化产生的压力差满足：pr2-pr1=FW/A(A-每个油腔有效承载面积，设 4 油腔面积相等)主轴新平衡位置：轴下移很小距离(远小于油膜厚度 A0)在液体支承状态下轴旋转流经油腔的流量 Qh0=流经节流器的流量 Qg0，ps节流器进口前000QQQgh的系统油压，Rhi各油腔液阻grshrRppRpQ/ )(/油腔压力hgs rRRpp/1油腔 1，2，下标标注 如果 4 节流器液阻：相等，常量101/1hgs rRRpp202/1hgs rRRpp油腔间隙液阻油腔压力12hhRR12rrpp节流器液阻、油腔间隙液阻同时变化，：向上推力很大，12ggRR12rrpp轴位移很小刚度很大节流器作用：1）调节支承中各油腔压力适应各自不同载荷2）使油膜具有一定刚度适应载荷变化节流器种类：小孔节流器(孔径孔长)、毛细管节流器(孔长孔径)固定节流器液阻不随外载荷变化薄膜反馈节流器可变节流器液阻随外载变化原理图 2-100b薄膜反馈节流器组成：中间有凸台的圆盒 6，两圆盒间隔金属薄膜 5。油液从薄膜两边间隙流入轴承0gh上下油腔主轴不受载薄膜平直状态两边节流间隙相等油腔压力，轴、轴套12rrpp同心主轴受载上下油腔间隙变化油腔压力薄膜向上凸起阻力12rrpp第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置5，流量，流量上下油腔压力差平衡外载荷，产生反馈作用1gR2gR气体静压轴承工作原理与液体静压轴承相似。设计时注意：气体密度随压力变化，在确定流量的连续方程时，用质量流量，不能用体积流量空气粘度低，流量就大取轴与轴套较小间隙空气静压轴承材料：良好抗腐蚀性能（带水份气体腐蚀轴承）动静压轴承综合动压、静压，工作特性分为：静压启动、动压工作，动静压混合工作现代机电产品多采用动静压混合工作型2-8 现代机电产品的机座现代机电产品的机座/机架机架一、基本要求一、基本要求 支承其他零部件的基础，承受其他零部件的重量和工作载荷，保证各零部件相对 位置的基准 机座铸件，机架型材装配/焊接 特点： 尺寸较大、结构复杂、加工面多、几何精度和相对位置精度要求较高 机座/机架在工作过程中产生变形/振动-影响设备工作性能，基本要求： 1）刚度 在额定载荷作用下，具有足够的抵抗变形的能力 2）抗振性 具有足够的抵抗受迫振动和自激振动的能力-良好动态特性 3）热稳定性 4）结构工艺性 5）加工、装配工艺性 设计步骤： 1）根据使用要求进行受力分析、变形分析 2）根据受力和其他要求(排屑、安装电气)，并参考现有设备同类型件，初步 确定形状、尺寸 3）采用有限元法计算/模型试验-静态刚度和动态特性，并进行热变形、热应力分 析 4）修改、完善设计方案 二、静力分析二、静力分析 足够刚度，受力分析、变形分析：分析受载情况、产生变形-引起的有关零部件之 间相对运动误差结构设计，变形在允许误差范围内-保证工作精度 静刚度不足，在重力、夹紧力、切削力、摩擦力作用变形、振动影响性第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置6能 变形包括三部分：自身变形、局部变形、接触变形 机床床身，载荷通过导轨面作用到床身上，变形包括床身自身变形、导轨局部变 形、导轨表面接触变形。注意三类变形之间匹配，针对薄弱环节，加强刚度 1提高自身刚度 抵抗自身变形的能力-自身刚度，与材料、形状、尺寸、肋板位置有关 1）正确选用截面形状、尺寸 载荷：拉压、弯曲、扭转，通常弯曲、扭转为主要载荷弯、扭变形抗弯刚度、 抗扭刚度 相同材料，截面面积相同，形状不同截面惯性矩不同 .空心截面惯性矩比实心大加大截面轮廓尺寸，适当减小壁厚提高自身刚度 .圆形截面抗扭刚度比方形大，抗弯刚度比方形小 承受主要载荷弯矩，截面取方形 .封闭截面刚度比不封闭截面刚度大 2）合理布置肋板和肋条 封闭空心截面刚度较高，为便于铸造清砂及其内部零部件的装配和调整，需要在 机座上开“窗口” ，使其刚度显著降低。为了提高刚度，应增加肋板(隔板)或肋条(加强 肋) 肋板(隔板)在两壁之间起连接作用的内壁图 a 为纵向肋板，主要用于提高抗弯刚度 图 b 为横向肋板，主要用于提高空心构件的抗扭刚度 图 c 为斜向肋板，提高抗弯和抗扭刚度 加强肋一般布置在内壁上，以减少构件的局部变形和薄壁振动。加强肋也有纵向、 横向和斜向等基本形式，其作用与肋板相同 图 d 为直形肋，结构简单，铸造容易但刚度较差；一般用于窄壁和受载较小的机 座或机身上第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置7图 e 为十字肋，结构较简单，但在交叉处金属有堆积现象，会产生内应力，一般 用于箱形截面机身或平板上 图 f 为斜向肋，加强肋呈三角形分布，具有足够的刚度，多用于矩形截面机座的 宽壁处 图 g 为斜交叉肋；图 h 为蜂窝式加强肋；图 i 为米字肋。图 j 为井字肋 加强肋的高度，一般不应大于支承部件壁厚的 5 倍，厚度一般取壁厚的 0.70.8 3）合理开孔和加盖 开窗孔：安装机件、清砂、减轻重量。窗孔对刚度影响取决于大小、位置 实践证明，当 b0/b0.2 时，其刚度降低很少 开孔沿机座或机架壁中心线排列，或在中心线附近交错排列， 孔宽(孔径)以不大于机座或机架壁宽的 0.25 倍为宜，即 b0/b0.25 在开孔上加盖板，用螺钉紧固，可将弯曲刚度恢复到接近未开 孔时的刚度，但对提高抗扭刚度无明显效果 2提高连接刚度和局部刚度 连接刚度：连接处抵抗变形的能力 影响因素：连接处材料、几何形状和尺寸，接触面硬度、表面 粗糙度、几何精度、加工方法 凸缘连接，连接刚度影响因素：螺栓刚度、凸缘刚度、接触刚度 保证接触刚度，接合面上的压力1.52.0MPa，接合面表面粗糙度达到 8m。 合理选择螺栓尺寸、布置位置，提高接触刚度 局部刚度：抵抗局部变形的能力。发生在载荷集中的局部结构处，与局部变形处 的结构、尺寸有关 在安装螺钉处加厚凸缘，或用壁龛式螺钉孔，或采用添置加强肋增加局部刚度， 并提高连接刚度三、动态特性三、动态特性 1动态分析 动态特性，固有频率不能和激振频率重合，较高动刚度(共振状态下，激振力的幅 值/振幅)，较大阻尼受迫振动幅值小 已知系统动力学模型、外部激振力、系统工作条件，进行动态分析第 2 章 机电控制中常用的传动机构与装置81）固有特性频率 简单振动系统，固有特性指系统固有频率；复杂振动系统，指系统各阶固有频率、 阻尼率、模态振型。 研究固有特性：避免共振；对系统进一步动态分析 2）动力响应 外部激振力作用，系统产生动力响应(振动)系统构件内部动态应力疲劳破坏； 动态位移，过大影响性能，产生工业噪声 3）动力稳定性 自激振动由系统本身的动力特性、系统工作过程决定的振动 颤振、爬行 系统不稳定性影响工作性能，动力稳定性分析目的： 确定发生颤振的临界条件，不出现自激振动 2改善动态特性措施 关键：提高动刚度 1）提高静刚度 合理设计结构、尺寸，