机械系统设计 (6)

3.2 执行轴机构设计
3.主轴的技术要求
主轴支承轴颈、安装各种传动件（如齿轮）的定心轴颈、轴承等 的定位面、压紧轴承和传动件的螺纹、安装刀具或卡盘等的轴端定心 直径及锥孔定位等部位的制造精度（尺寸精度、形状精度、和位置精 度）、粗糙度和硬度等，对主轴组件的工作质量都有直接影响。 设计时应参照机床精度标准，并结合所设计机床的具体情况对主 轴提出详细的技术要求。 表3.7 为主轴径和外壳孔的技术要求。
（3）轴承刚度：轴承的滚动体与滚道之间是接触变形，这种变形应满足使
用要求，即轴承应具有足够的刚度。
（4）轴承的精度：轴承的精度分为P2、P4、P5、P6和P0五级，精度依次由
高级到低级，此外，又规定了SP级和UP级作为补充。 主轴轴承常用P4级，高精度主轴采用P2级，要求较低的主轴或三支承中的 辅助轴承可用P5级轴承。
3.2 执行轴机构设计
三、执行轴组件（主轴组件）
2.主轴轴承的选择（P79表3.10）
（1）类型选择：有滚动轴承和滑动轴承两大类，用滚动轴承更多一些。 （2）滚动轴承选型：根据精度、刚度和转速来选择。
为提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该可调，这是主轴轴承的主要特点。 机床主轴滚动轴承的受力情况有径向和推力（轴向）两类。常用的有双列 圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、和角接触球轴承等。 主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系列，以特轻系列为主。
（5）耐磨性
主轴组件的耐磨性是指其长 期保持原始精度的能力，即精度 的保持性。 部位：轴承、锥孔、定心轴颈等。
3.2 执行轴机构设计
二、执行轴（主轴）
1.执行轴（主轴）的尺寸及结构设计 a 主轴的尺寸确定应按材料力学的理论进行设计计算。 b 主轴的结构设计则需要考虑受力、调整以及装配等工艺要求。
c 通常设计成阶梯形状，一种是中间粗两边细，另一种是由主轴前 端向后端逐步递减的阶梯状；
d 主轴前支承支反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离— —悬伸量应尽可能地小些； 对于通用机床，主轴端部尺寸已经标准化，见表3.5 e 有些机床的主轴是空心的，设计成空心轴的目的是为了通过棒料、 拉杆或通过气动、电气、液压等辅具。一般内孔直径不宜超过主轴直径 的70％。
3.2 执行轴机构设计
洛氏硬度（HRC）
用120o金刚石圆锥，施加150Kg载荷，测量范围为20~70HRC。 适应于碳钢、工具钢及合金钢等经过淬火及回火处理的试样的硬度试验。 应用最广。
维氏硬度（HV）
将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后， 用测量压痕对角线长度。试验负荷1.961~<49.03N。 它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定； 测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很 软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可 测量。
3.1
执行系统的组成、功能及分类
三、执行系统的分类
按执行系统对运动和动力的不同要求可分为： P66表3.1 动作型 执行系统的主要运动参 动力型 数： 动作——动力型 P66表3.2 按执行系统所完成的任务可分为： 执行系统的常用机构性 单一型 能特点： 相互独立型 P66表3.3 相互联系型 按执行末端件的运动形式可分为： 回转运动 直线运动
3.3
导轨结构设计
3.1
执行系统的组成、功能及分类
一、执行系统的组成
直接完成预期工作任务的那部分子系统是执行系统。
执行末端件
直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、移动、转动等）或在工作对 象上完成一定动作（切削、锻压、清洗等）的零部件。
执行机构
给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动和 动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。
3.2 执行轴机构设计
2.执行轴机构设计的基本要求（5项）
（1）旋转精度 （2）静刚度 （3）抗振性 （4）温升和热变形
主轴的旋转精度是指装配后，在无 主轴部件和传动系统在运转中由 是指主轴受到交变载荷时，能平 简称刚度，是指机械系统或零、 载荷、低速转动的条件下，主轴安装工 于摩擦和搅油等损耗产生热量，出现 稳地运转而不发生振动的能力。 部件抵抗静态外载荷引起变形的能力。 件或刀具部位相对于理想旋转中心线的 温升。温升使主轴部件的形状和位置 主要包括主轴组件的弯曲刚度 K和扭转 影响振动的主要因素是主轴部件 空间瞬时旋转误差： 径向跳动、轴向 发生畸变，称为热变形。 刚度KT， 的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的 串动和角度摆动。 弯曲刚度 K = F/δ ； δ -为位移 不同精度的机床对主轴轴承所允 固有频率应远大于激振力的频率，使 旋转精度取决于各主要件如主轴、 通常，弯曲变形占（ 50%-70%） 许的温升不同。表 它不易发生共振。3.4 轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精 扭转刚度 KT = T*L/Q ； 度。其中， 20％的精度由轴承的精度来 保证，80％则取决于有关的其它零件的 Q-为扭转角 精度。
v>40m/s 丝织带
3.2 执行轴机构设计
三、执行轴组件（主轴组件）
1.主轴组件的布局 c、内联原动机传动 无传动弯矩，主轴弯曲变形小，不受速度限制，可以变速。 变速方法：多速电机、变化电源频率 2）主轴传动件的布置： P79图3.15 当主轴上的传动件是齿轮时，可将其安装在前、后轴承之间或后 轴承之后的主轴后悬伸处，当在前、后轴承之间时，应将几个齿轮 中较大的一个靠近前支承。 传动件是皮带时，一般情况下都装在后支承后部主轴的悬伸处。
3.2
执行轴机构设计
说明： （1）主轴精度： 比传动轴高1~2级 （2）精度等级： 普通级（P5）， 精密级（P4）， 高精度级（P2） （3）公差带： IT3/2等
3.2
作业：
执行轴机构设计
机械设计课程设计（减速器）中的一根 轴进行复习性设计。 要求：
手绘图纸一张；
尺寸、公差、粗糙度标注清晰； 材料、热处理等技术要求明确
1、对于有级变速传动，相邻各级转速按_______级 数排列。
2、机构总体设计步骤，一般分为哪三个阶段 3、总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。 主要有：______参数、______参数、______参数、 _______参数等。
第三章
执行系统设计
3.1 执行系统的组成、功能及分类
3.2
执行轴机构设计
3.2 执行轴机构设计
三、执行轴组件（主轴组件）
1.主轴组件的布局 （2）主轴传动件的布置 1）传动方式：主要取决于n、Rn和平稳性的要求。 主轴上使用的传动件主要有齿轮和带两种。 a 齿轮转动：结构简单、紧凑，且转动扭矩较大， 但受齿形误差影响。 速度不高。v≤12~15m/s（n≤2000~2500r/min） 精度：一般为IT6，高的为IT5（螺旋角 β ≤15~20度） v≤30m/s时,三角带、多 材料：中碳合金钢，高频淬火 楔带、同步齿形带等 低碳合金钢，渗碳淬硬 v>30m/s时，需用平皮带 b 皮带传动：结构简单，成本低， v≤35m/s 橡胶带 运动平稳性高，但带易拉长和磨损。 v≤40m/s 皮革带
3.1
执行系统的组成、功能及分类
2.实现开关、联锁和检测等的功能 （垫圈检测）
（1）用来实现运动的离合或开停；
（2）用来换向、超载或反向止动；
（3）用来实现联锁、过载保护、安全制动； （4）实现锁止、定位、夹压等；
（5）实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。
3.实现程序控制的功能 例3.4 4.实现施力功能
3.2 执行轴机构设计
一、执行轴机构的组成及基本要求 二、执行轴（主轴）设计 三、执行轴组件（主轴组件）
3.2 执行轴机构设计
一、执行轴机构的组成及基本要求 1.执行轴机构的组成
执行轴机构一般主要由执行轴、安装在其上的传动件（齿轮、皮带 轮等）、密封件、轴承、轴承间隙调整及固定元件（螺母）等组成，
（1）实现预期固定轨迹或简 单可调的轨迹功能； （联动 凸轮） （2）匀速运动（平动、转动) 与非匀速运动的变换；（牛头 刨床） （3）连续运动与间歇式的转 动或摆动的变换。
牛头刨床有两个执行末端件——刨刀和工作台。带动刨刀走直线往复运动的执行 机构是曲柄导杆机构ABCD。工作台的进给运动则由执行机构中的齿轮Z1、Z2，曲柄摇杆 机构FGHI，棘轮机构J和螺杆K带动。
设计执行轴机构时主要是各组成元件的布置及设计轴本 身。 下面以机床执行轴机构——主轴组件为例进行介绍。
3.2 执行轴机构设计
如图是CA6140型普通车床的执行轴机构——主轴组件。
主轴上的传动齿轮共三个，其中右端的斜齿轮空套在主轴上。采用 图 3.1 斜齿轮传动可以使主轴的运动比较平稳，而且可以使斜齿轮作用在主轴 该主轴是一个空心的阶梯轴，内孔可用来通过棒料、拆卸顶尖，也 上的轴向力与切削力的轴向分力方向相反，从而减小后支承推力轴承所 主轴的后支承是由一个 P5级精度的向心推力球轴承和一个P5级精度的推 可用以通过气动或液压夹紧装置等辅具。主轴前端的锥孔为莫氏 6号锥 主轴采用两支承结构，使结构简化，成本较低。主轴的前支承是 P5 承受的轴向载荷。主轴中间的齿轮可以在主轴的花键上滑移，共有三个 力球轴承组成，分别承受径向力和轴向力。两个轴承的调整均由后部的 度，用来安装前顶尖或心轴，后端的锥孔为工艺孔。主轴前端采用短圆 级精度的双列短圆柱滚子轴承，用于承受径向力。内孔以1:12的锥度与 位置，中间位置为主轴空挡，右边位置时，可以和斜齿轮相连，使主轴 螺母来完成。 锥式法兰结构，用来安装卡盘或拨盘。 主轴配合，可以自动调整径向间隙而达到其预紧的目的。 得到 18种转速，左边位置时，运动直接传给主轴，使主轴得到6种转速。 主轴左端的齿轮固定在主轴上，将运动和动力传给进给传动链。
2.材料和热处理 几何形状和尺寸一定时，主轴的刚度取决于材料的弹性模量 E，各种钢 材的弹性模量E的差别甚微小，故刚度不是选材的依据。