第2章机械系统4.doc

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1、膅§ 2-7轴系部件的选择与设计蚁一、轴系设计基本要求肈轴、轴承和安装于轴上的传动体、密封件及定位件组成袈主要功能：支承旋转零件、传递转矩和运动芃按其在传动链中所处地位不同，分为：肁传动轴轴系：要求一般不高蝿主轴轴系：保证设备功能、完成主运动直接影响罿基本要求：蚅 1）回转精度薀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蕿误差形式：螆轴向窜动量、径向跳动、摆动误差螄影响因素： 芄支承轴颈的圆度误差-径向误差芀轴承误差（滚道圆度、滚动体直径和圆度不一致性）- 径向误差螈轴承端面对轴颈的垂直度、推力轴承滚道、滚动体误差- 轴向误差膆前后轴承同轴度、径向跳动大小和方向不一致性- 摆

2、动误差蚃轴系不平衡、轴系支承刚度变化- 径向误差和摆动误差羀主轴振动 - 径向误差薅滑动轴承低速、高速时的油膜震荡- 径向误差芅 2）刚度肂轴系抵抗静、动载荷变形的能力螀载荷：弯矩、转矩挠度、扭转角抗弯刚度、抗扭刚度蚆轴系承受切向力、径向力作用产生弯矩、转矩弯扭合成验算强度、刚度莃静刚度 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蒂 KF / yN/mmLaF蒁 yySyB蚈 yS 主轴本身弯曲变形产生的位移；yB螅 yB 支承轴承弹性变形产生的位移；yS羁力学分析可知， 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芁加强轴

3、与支承的刚度是提高静刚度和旋转精度的主要措施蒅动刚度 K d 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，产生单位动态变形 (位移 )所需动载荷大小袄激振力 F F0 sin tF0 ei t莀轴系产生的动态响应位移xA sin(t)Aei ( t )羁 K d ( )F ( ) = F0 ( ) ei ( ) = K d ( ) e i ( )X ( )A()薇动刚度 K d 的倒数动柔度Wd膆 Wd ( )1X( )=A( ) e i ( )= Wd ( ) e i ( )K d ( )F() F0()肄式中F0 激振力的幅值；蒈 A 振动位移的幅值；薈激振力的角频率；芄位移滞

4、后于激振力的相位角；蒃 K d ( ) 动刚度的幅频特性；膈 Wd () 动柔度的幅频特性(或轴系频率响应函数的幅频特性)莅从控制工程角度讲， F ( ) 为系统输入， X ( ) 为轴系输出响应，动柔度 Wd ( ) 就是轴系的频率响应函数蒃 3）抗振性袃轴系振动：强迫振动、自激振动罿原因：轴系质量不均匀引起不平衡（静平衡、动平衡）、轴刚度不足 蒇影响：旋转精度、轴承寿命螅高速运动轴系，提高静、动刚度，增大轴系阻尼改善轴系动态性能莂 4）热变形虿温度轴伸长、轴系零件间隙变化传动精度、旋转精度、位置精度薈温度润滑油粘度变化轴承承载能力降低袄控制温度变化螁 5）轴上零件布置葿轴的受力变形、热变形

5、、振动莅机械设计工程学（）芆膁二、轴系用轴承选择12膀 标准滚动轴承莇滚动轴承标准化、系列化莄根据承载大小、旋转精度、刚度、转速等要求选用合适轴承类型袄 2非标准滚动轴承羀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-自行设计蒈 3静压轴承蒃滑动轴承：阻尼特性好、支承精度高、具有良好抗振性能和运动平稳性芃流体介质分类：蚀液体滑动轴承、气体滑动轴承芆油膜 /气膜压强形成方法分类：袅动压、静压、动静压轴承螃动压轴承：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 承受载荷蒁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

6、应速度很高、速度变化不大场合芇静压轴承：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 承受载荷羃承载能力与滑动表面的线速度无关适应低、中速，大载荷，高精度设备膂特点：膁刚度大、精度高、抗振性好、摩擦阻力小莈莆静压轴承工作原理薂油腔 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。袂承载 补偿流量。补偿流量的机构-补偿元件 /节流器膆压力油 节流器节流 油腔 封油面节流 轴向 (端面 )、周向 (回油槽 7) 油箱蒄不考虑轴重，且4 节流器液阻相等 ( Rg1 Rg 2Rg 3 R

7、g 4 Rg 0 )，油腔 1，2，3，4 压力相等 ( pr1pr 2 pr 3 pr 4 pr 0 )。主轴被一层油膜隔开，油膜厚度 A0，轴中心与轴套中心重合肁考虑轴的径向载荷(轴重 )作用，轴心O O1，位移 e，油腔压力变化：莈油腔 1 间隙 液阻 Rh1 油腔压力pr 1 ；膇油腔 2 间隙 液阻 Rh 2 油腔压力pr 2 ；油腔 3， 4 压力相等薃油腔 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蒀流经油腔的流量 Qh0=流经节

8、流器的流量 Qg0， Qh 0 Qg 0 Q0 ， ps 节流器进口前的系统油压， Rhi 各油腔液阻膈 Qpr / Rh( pspr ) / Rg艿油腔压力ps羅 pr1Rg / Rh膄油腔 1， 2，下标标注衿如果 4 节流器液阻：相等，常量肆 pr 1pspr 2ps1 Rg 0/ Rh11 Rg0/ Rh 2肃油腔间隙液阻Rh 2Rh1油腔压力pr 2pr1薃节流器液阻、 油腔间隙液阻同时变化，Rg 2 Rg1pr 2pr 1 ：向上推力很大，轴位移很小刚度很大蕿节流器作用：膇 1）调节支承中各油腔压力 适应各自不同载荷蒆 2）使油膜具有一定刚度 适应载荷变化羂节流器种类：荿小孔节流器

9、 (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腿薄膜反馈节流器可变节流器 液阻随外载变化薄原理图 2-100b蒂薄膜反馈节流器组成：肀中间有凸台的圆盒 6，两圆盒间隔金属薄膜 5。油液从薄膜两边间隙 hg0 流入轴承上下油腔羆主轴不受载 薄膜平直状态 两边节流间隙相等 油腔压力 pr 2pr 1 ，轴、轴套同心羆 主轴受载 上下油腔间隙变化 油腔压力 pr 2 pr1 薄膜向上凸起 阻力 Rg 1 ，流量 Rg 2 ，流量 上下油腔压力差 平衡外载荷，产生反馈作用袁气体静压轴承工作原理与液体静压轴承相似。设计时注意：袀气体密度

10、随压力变化，在确定流量的连续方程时，用质量流量，不能用体积流量肇空气粘度低，流量就大取轴与轴套较小间隙肅空气静压轴承材料：良好抗腐蚀性能（带水份气体腐蚀轴承）芁动静压轴承综合动压、静压，工作特性分为：薁静压启动、动压工作，动静压混合工作聿现代机电产品多采用动静压混合工作型膃§ 2-8现代机电产品的机座/机架羄一、基本要求莁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袆机座铸件，机架型材装配/焊接薆特点：莃尺寸较大、结构复杂、加工面多、几何精度和相对位置精度要求较高肁机座 /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：羈 1）刚度蚄

11、在额定载荷作用下，具有足够的抵抗变形的能力袃 2）抗振性薈具有足够的抵抗受迫振动和自激振动的能力-良好动态特性罿 3）热稳定性肆 4）结构工艺性节 5）加工、装配工艺性芈设计步骤：螆 1）根据使用要求进行受力分析、变形分析膅 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、尺寸蚁 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、热应力分析肈 4）修改、完善设计方案袈二、静力分析芃足够刚度，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 -保证工作精度肁静刚度不足，在重力、夹

12、紧力、切削力、摩擦力 作用变形、振动影响性能蝿变形包括三部分：自身变形、局部变形、接触变形罿机床床身， 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，加强刚度蚅 1提高自身刚度薀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）2）蕿 正确选用截面形状、尺寸螆载荷：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、抗扭刚度螄相同材料，截面面积相同，形状不同截面惯性矩不同芄 . 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芀 . 圆形截面抗扭刚度比方形大，抗弯刚度比方形小螈

13、承受主要载荷弯矩，截面取方形膆 . 封闭截面刚度比不封闭截面刚度大蚃 2）合理布置肋板和肋条羀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 )薅肋板 (隔板 )在两壁之间起连接作用的内壁芅肂图 a 为纵向肋板，主要用于提高抗弯刚度螀图 b 为横向肋板，主要用于提高空心构件的抗扭刚度蚆图 c 为斜向肋板，提高抗弯和抗扭刚度莃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，其作用与肋板相同蒂图 d 为直形肋，结构简单，铸造容易但刚度较差；一

14、般用于窄壁和受载较小的机座或机身上蒁图 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蚈图 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螅图 g 为斜交叉肋；图h 为蜂窝式加强肋；图i 为米字肋。图 j 为井字肋羁加强肋的高度，一般不应大于支承部件壁厚的5 倍，厚度一般取壁厚的0.7 0.8芁 3）合理开孔和加盖蒅开窗孔：安装机件、清砂、减轻重量 。窗孔对刚度影响取决于大小、位置袄实践证明，当b0/b<0.2 时，其刚度降低很少莀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

15、座或机架壁宽的0.25 倍为宜，即b0/b<0.25羁在开孔上加盖板，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薇 2提高连接刚度和局部刚度膆连接刚度：连接处抵抗变形的能力肄影响因素：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 蒈凸缘连接，连接刚度影响因素：螺栓刚度、凸缘刚度、接触刚度薈保证接触刚度，接合面上的压力1.5 2.0MPa ，接合面表面粗糙度达到8m。合理选择螺栓尺寸、布置位置，提高接触刚度芄局部刚度：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、尺寸有关蒃在安装螺钉处加厚凸缘，或用壁龛式螺钉

16、孔，或采用添置加强肋增加局部刚度，并提高连接刚度膈莅三、动态特性蒃 1动态分析袃动态特性，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罿已知系统动力学模型、外部激振力、系统工作条件，进行动态分析蒇 1）固有特性频率螅简单振动系统，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。莂研究固有特性：避免共振；对系统进一步动态分析虿 2）动力响应薈外部激振力作用，系统产生动力响应(振动 )系统构件内部动态应力疲劳破坏；袄动态位移，过大影响性能，产生工业噪声螁 3）动力稳定性葿自激振动由系统本身的动力特性、系统工作过程决定

17、的振动莅颤振、爬行芆系统不稳定性影响工作性能，动力稳定性分析目的：膁确定发生颤振的临界条件，不出现自激振动膀 2改善动态特性措施莇关键：提高动刚度莄 1）提高静刚度袄合理设计结构、尺寸，布置肋板、肋条，注意整体刚度、局部刚度、接触刚度匹配羀 2）增加阻尼蒈提高动刚度有效措施，比增加静刚度有效。共振振幅=1/2，减小振动蒃方法：芃保留铸件中的型芯；具有阻尼作用的焊接结构(铸铁阻尼是钢的2 4 倍 )，在支承件中灌注混凝土 蚀 3）调整固有频率芆nK / m ，增大刚度，减小质量。固有频率远离激振力频率袅 4）采用减振器螃四、热变形蒁 1热平衡与温度场芇设备工作，自身温度升高，向周围散热羃开始工作

18、，设备与环境温差不大，散热少，升温快；设备温度升高，温差加大，散热增加，温升减慢温度平衡，单位时间内的发热量=散热量热平衡膂支承件热量主要来自于某几个相应热源。热源处温度高于其他部分温度，离热源远温度低形成温度场。等温曲线表示温度场膁 2热变形和热应力莈热变形分类：莆约束情况：自由状态热变形、非自由状态热变形薂变形情况：直线伸长(均匀温升引起)、弯曲变形 (温差 /变形差引起 )袂温度变化热变形单元不能自由变形热应力膆结构形状复杂，热源多实物测试/ 有限元计算热变形、热应力。蒄 3减少热变形措施肁 1）控制温升莈加大散热面积，加设与气流方向一致的散热片，风扇、冷却器散热膇分离 /隔绝热源：主要

19、热源 (电动机、变速箱、液压油箱 )移到与设备隔离的地基上，或放在箱体最上部，易于散热薃润滑、液压、冷却油进行恒温控制蒀 2）均衡温度场膈机床床身内温度高于导轨处温度油箱油润滑导轨油沟温度场趋于均匀艿 3）热对称结构羅对称结构热变形对称中心线位置基本不变减小热变形影响膄 4）热补偿装置衿热变形的相反方向采取措施产生相反热变形抵消减小综合热变形肆利用计算机 /检测装置进行热位移补偿： 预测热变形规律建立数学模型计算机实时处理热补偿肃发生热伸长的主要部位采用热膨胀系数小的材料减小热变形薃五、结构设计蕿设计步骤：膇 1）根据使用要求进行受力分析、变形分析蒆 2）根据受力和其他要求 (排屑、安装电器

20、) ，并参考现有设备同类型件，初步确定形状、尺寸羂 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、热应力分析荿 4）修改、完善设计方案腿1）2）薄 考虑设备类型、布局、常用支承件形状，在满足工作性能前提下，综合考虑工艺性、美学问题蒂 2）根据支承件使用要求、受力情况、其他要求进行结构设计，保证支承件良好性能的同时，减轻质量莆 1截面形状膂综合考虑刚度要求、导轨位置、内部安装零部件和排屑 膂 2壁厚设计肇结构工艺可行条件下，尽量减小支承件壁厚-加设肋板，加强支承件壁的稳定性肆铸铁支承件的壁厚可根据当量尺寸选择。当量尺寸C芃 C=(2 l+b+h)/3芁支承件长宽高。根据C

21、 值，得到最小壁厚，综合考虑受力情况、工艺条件修改壁厚蒆 当量尺寸 C/m袆 0.75莅 1.0荿 1.51.82.02.53.03.54.0壁厚 /mm810121416182022253结构工艺性便于铸造、锻造、焊接、机械加工 4焊接结构5材料铸铁、钢材 (板材、型材 )、预应力钢筋混凝土 以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。 , , .For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f ü r den pers?nlichen fü r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l 'é tude et la recherche uniquementà des fins personnelles; pasà des fins commerciales.