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1、机电一体化系统设计,第二章 机械系统部件的选择与设计（3）,（七）旋转支承部件1、旋转支承的种类及基本要求 1）支承的种类旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体(或液体)摩擦支承。滑动摩擦支承按其结构特点可分为圆柱、圆锥、球面和顶针支承；滚动摩擦支承按其结构特点，可分为填入式滚珠支承和刀口支承。2）对支承的要求 方向精度和置中精度方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。置中精度是指在任意截面上，运动件的中心与承导件的中心之间产生偏移的程度。温度敏感性,各种支承结构简图,2、圆柱支承,1-轴肩；2-轴套；3-锥孔,用滚珠
2、作轴向定位,应用广泛。接触表面大，承载大，但摩擦阻力矩较大，方向精度和置中精度较差。,圆柱支承受力图,a）承受径向载荷，圆柱支承的摩擦阻力矩为b）止推面A承受轴向载荷，摩擦阻力矩为c）止推面B承受轴向载荷，摩擦阻力矩为,精度计算图,支承间隙与相配件的形状偏差会影响支承的方向精度和置中精度。其置中精度和方向精度分别用最大中心误差C和轴的最大偏角来衡量。,温度变化也会导致支承间隙的变化。,3、圆锥支承,方向精度、置中精度高，承载能力强，轴向位移可自动补偿磨损间隙。但摩擦阻力矩大，对温度变化敏感，制造成本较高。,承受轴向力，半锥角小，置中精度高，但产生大的正压力，摩擦阻力矩大，磨损、运动不灵活。,a
3、）用端面A承受部分轴向载荷；b）用止推螺钉承受部分轴向载荷。,4、填入式滚动支承为一种非标准滚珠轴承，结构上无内圈、外圈，在相对运动的零件上加工有滚道面。摩擦阻力矩小，耐磨性好，承载力较大，温度敏感性小，抗振性好，成本较高。,a）接触面积小，摩擦阻力矩小，承载能力小；b）特点与a）相反；c）介于a）、b）,5、其它形式的支承,轴除自传外，还可轴向摆动一定角度。,顶针支承、刀口支承、钟摆的支承结构图,（八）轴系部件的选择与设计一、转子动力学基础旋转机械的转子结构多样，在结构上具有最基本的转子（转轴和圆盘组成）、轴承等。它们的简化力学模型总可表示为：一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由轴承及
4、轴承座支承。认为轴承支承是刚性的称为刚性支承转子，考虑支承的弹性的称为弹性支承。在忽略圆盘的自重对振动的影响时，刚性单圆盘转子系统可以简化为下图（a）的简支梁系统。进一步，又可以把它简化为单自由度的离散系统，模型（b）。,（a）单圆盘转子系统模型（b）简化模型,求不计轴挠度时的离心力及两端轴承的动反力。,1、转子不平衡力,2、临界转速的动力特性考虑刚性支承单圆盘转子系统。旋转运动时，圆盘的离心力使轴发生挠曲，形成弓状回旋运动。（1）无阻尼系统动力分析设轴的动挠度为，则有：,k为轴中点处的横向刚度系数，n为轴无阻尼横向振动固有频率。,转子运动的力学模型回转中心是O，圆盘形心是C，质心是G，假定轴
5、的质量不计,（2）考虑阻尼作用时的情形,假定轴的横向刚度为kx=ky=k，系统的粘性阻尼系数是cx=cy=c。圆盘的偏心距是e。,实际中，阻尼总是存在的，线性阻尼力与速度成正比。此时O、C、G三点一般不共线了，设OC、CG成角。,当转子以角速度稳定转动时，根据圆盘受力可得出C点在X、Y两坐标方向的横向振动微分方程为：,方程的稳态解为：,求得振幅为：,方向位移落后于激励的相位角为：,写成无量纲的放大因子形式为：,转子既自转又公转的运动称为弓状回旋，但此时轴内并不产生交变应力，这与轴在横向振动时会发生交变应力是不同的。,机器的工作转速低于临界转速时，对应的转轴称为刚性轴；高速旋转机械的工作转速大于
6、临界转速，称为柔性轴。柔性轴的旋转机器正常工作运行较平稳，但在启动时需较快通过临界转速，否则有剧烈的振动。可在机器升降速时用测量响应的方法确定转子的临界转速。（3）影响临界转速的因素（1）陀螺力矩对转子临界转速的影响（2）弹性支承对临界转速的影响（3）组合转子对临界转速的影响，与联轴器的性质有关。,二、轴系设计的基本要求轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成，有主轴轴系和中间传动轴轴系。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力(力矩)。对于中间传动轴系一般要求不高。而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗振性等的要求较高。旋转精度、刚度、抗振性、热变形1
7、）旋转精度 指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动和轴向窜动量，取决于轴系零部件和支承部件的制造、装配精度。在工作转速下，旋转精度即为其运动精度，取决于转速、轴承性能和轴系动态特性。2）轴系的刚度 它反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。,3）抗振性 轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。其振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度及单向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。提高轴系静、动刚度，增大轴系阻尼等可提高轴系的动态性能。4）热变形 轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。又由于温度的上升会使润
8、滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。5）轴上零件的布置 对轴的受力变形、热变形和振动影响较大。如传动齿轮的空间布置，尽量避免弯曲变形的重叠。传动齿轮尽量靠近支承处。下图的机床主轴传动齿轮空间布置的比较，综合考虑轴端弯曲变形量和轴承支承反力的大小,三、轴(主轴)系用轴承的类型与选择 标准滚动轴承：深沟球轴承；双列向心圆柱滚子轴承；圆锥滚子轴承；推力轴承,双列向心短圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承、双列推力球轴承图,非标准滚动轴承：微型滚动轴承,液体静压轴承,液体静压轴承工作原理1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜；6-圆盒；7-回油槽；8-轴套,磁悬浮轴承磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩
9、擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。,磁悬浮轴承工作原理1-信号输入；2-调节器；3-功率放大器；4-位移传感器；5-定子；6-转子,径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同。四、提高轴系性能的措施1、提高轴系的旋转精度轴承(如主轴)的旋转精度中的径向跳动主要由：被测表面的几何形状误差、被测表面对旋转轴线的偏心、旋转轴线在旋转过程中的径向漂移等因素引起。轴系轴端的轴向窜动主要由：被测端面的几何形状误差、
10、被测端面对轴心线的不垂直度、旋转轴线的轴向窜动等三项误差引起。,提高其旋转精度的主要措施有：提高轴颈与架体(或箱体)支承的加工精度；用选配法提高轴承装配与预紧精度，轴系组件装配后对输出端轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。2.提高轴系组件的抗振性轴系组件有强迫振动和自激振动，前者是由轴系组件的不平衡、齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化引起的，后者是由传动系统本身的失稳引起的。提高其抗振性的主要措施有：提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼，通过计算或试验来预测其固有振动频率，当阻尼很小时，应使其固有振动频率远离强迫振动频率，以防止共振。一般讲，刚度越高、阻尼越大，则激起的振幅越小。消
11、除或减少强迫振动振源的干扰作用。构成轴系的主要零部件均应进行静态和动态平衡，选用传动平稳的传动件、对轴承进行合理预紧等。采用吸振、隔振和消振装置。,（九）机电一体化系统的机座或机架一、机座或机架的作用及基本要求机座或机架是支承其它零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷（以及惯性力、摩擦力等作用），又起保证各零部件相对位置的基准作用。机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。其基本要求是：1、几何精度和相对位置精度要求高（尤其是关键表面），以保证产品总体精度。2、刚度与抗振性 机座（机架）的变形和振动直接影响产品质量和正常运转。刚度是抵抗载荷变形的能力。刚度不足引起的变形、振动可
12、影响产品的定位精度、加工精度及其它性能。静刚度主要指结构刚度和接触刚度。动刚度是衡量抗振性的主要指标，一般动刚度越大，抗振性越好。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振荡频率有关。,抗振性是承受受迫振动的能力。振源可来自系统内部，也可来自外部。机座（机架）的振动，整机产生摇振，其主要部件及其相互作用间产生弯曲或扭振，尤其是发生共振时。为提高机架或机座的抗振性，可采取如下措施：提高静刚度，即从提高固有振动频率入手，以避免产生共振；增加阻尼，增加阻尼对提高动刚度的作用很大，如液(气)动、静压导轨的阻尼比滚动导轨大，故抗振性能好；在不降低机架或机座静刚度的前提下，减轻重量可提高固有振动频率，如适当减薄壁厚
13、、增加筋和隔板、采用钢材焊接代替铸件等；采取隔振措施，如加减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。3、热变形 热量分布不均时，不同部位的温差产生热变形，影响其原有精度。减小热变形的方法：控制热源，改善润滑、减小摩擦生热，隔热，散热，冷却等。,4、提高稳定性指长时间保持其几何尺寸和主要表面相对位置的精度。对铸件机座应进行时效处理来消除产生机座变形的应力，残余应力。常用的时效处理方法：热处理法，振动法。除上述要求之外，还应考虑工艺性、经济性及人机工程等方面的要求。二、机座或机架的结构设计特点机座或机架的结构设计必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性以及节省材料、
14、降低成本和缩短生产周期等问题。1、铸造机座的设计1）保证自身刚度的措施合理选择截面形状和尺寸。机座受力（矩）：拉、压、弯、扭等。拉、压作用主要考虑截面尺寸，弯、扭作用还需考虑截面形状（截面惯性矩）,合理布置筋板和加强筋，合理地开孔和加盖。2）提高机座连接处的接触刚度肋板及加强肋的形式,3）机座的模型刚度实验4）机座的结构工艺性5）机座的材料。铸铁、钢，其它材料（石材、陶瓷等）。2、焊接机架的设计,结构共振产生的轴承工作不稳定轴承油膜的不稳定振动，除了转子轴承系统自身固有频率引起共振外，还有相当一部分是由机器其它部分的结构共振引起的。如：机器底板或轴承刚度不足引起共振，基础共振，底板与基础间的连接松动、扭曲或断裂引起振动等，这些部件刚度、质量的不合适使它们的振动频率正好与轴承油膜涡动频率吻合，可引起很大的油膜不稳定振动。一些振动专家认为，旋转机械的振动原因大约有20%是因本体支承结构和支承底板刚度不足引起的。故由轴承座和机体测得的振动信号进行振源判别时，要从系统得观点出发，除了考虑转子本身的结构、动力学特性之外，还可考虑底板刚度，机器和底板等连接刚度，轴承架的支承刚度等部分。这需要做模态测试与分析，找出结构各部件的振动频率，振型，才可采取措施使机器激发频率的各次谐波避开结构共振区域。,
