轴支承结构设计

轴支撑结构设计准则 课程名称：结构设计 学院：机械工程与自动化 专业：材料成型及控制工程 班级：材料成控091 学生姓名：关涛（01）林骏（29） 指导教师：陶学恒 轴支撑结构设计准则 1 引言 旋转运动的轴必须由至少两只相距一定距离的滚动（或滑动）轴承来支承，旋转轴的运行性能、支承状况及质量及密切相关，对旋转轴支承状况和质量有决定性影响的不仅是轴承本身而且包括轴承周围的支承结构设计。滚动轴承是标准件，对它的设计主要是选型和确定尺寸，不涉及结构设计问题，而轴承周围的机构，比如轴承座，则必须根据不同的轴承经行具体的结构设计。如何经行整个轴支承结构的设计，以保证轴支承的性能，提高轴支承的质量？本文提出12条轴支承结构设计准则。

2 轴支撑设计准则 轴支承结构设计的主要要求是持久、可靠、经济。要满足这些要求，仅靠正确地选择轴承类型、轴承尺寸是远不够的，轴承周围的结构因素，诸如轴颈、轴承座、定位件等对轴支承性能的影响是显著的，此外，密封、润滑的影响也很大。 轴支承结构设计的首先要确定如何对所选用的轴承根据其工况在圆周方向和轴向进行可靠地固定，周向固定通常利用配合面上的摩擦力，即采取压紧配合的方法，轴向固定一般用结构方法，例如，凸台、挡圈、螺母等。其次轴支承结构的设计要便于安装、拆卸、密封、润滑。下面结合集体结构实例逐一论述轴支承结构设计准则。 轴系的结构设计没有固定的标准，要根据轴上零件的布置和固定方法，轴上载荷大小、方向和分布情况，以及对轴的加工和装配方法决定的。轴的结构设计，要以轴上零件的拆装是否方便、定位是否准确固定是否牢靠来衡量轴结构设计的好坏。轴的结构设计要包括轴的合理外形和全部尺寸，要满足强度、刚度以及装配加工要求，拟定几种不同的方案进行比较，轴的设计要越简单越好。 轴的结构设计主要取决于以下几个方面：轴在机器中的安装形式和位置；载荷的性质、方向、大小及分布情况；轴上安装零件的类型、数量、尺寸以及相应的连接方法等。轴的结构要满足：轴上的零件不仅要有准确的工作位置还要便于调整和装拆；轴要具有良好的制造工艺性。

2.1 轴向静定准则 轴支承结构设计必须使轴在轴线方向处于静定状态——轴在轴线方向既不能有刚体位移（静不定），也不能有阻碍自由伸缩的多余约束（超静定）。轴向静定准则是轴支承结构设计中最基本最重要的准则。 轴在轴向若约束不够，则表示轴定位不确定，甚至有从轴向脱离的危险，这种情况必须避免，见图1（左）。将轴在轴线正反两个方向都分别固定可避免静不定，但每个轴上也不能有多余的约束，否则轴在轴向无法自由伸缩，这样会由于轴和壳体之间不可避免的制造、装配误差、不同的热变形等因素引起的附加轴向力。从而能使轴承因超载而损坏。轴承轴向支承结构设计应特别注意防止超静定问题出现，见图2（左）。在轴支承结构中，理想静定状态不是总能实现的，一定范围之内的轴向刚体移动（准静定）或少量的附加轴向力（拟静定）是不可避免的，也是允许的。在工程实际中准静定和拟静定支承方式也是常见的，它们基本上仍可看做静定状态，重要的是这些少量的轴向刚体移动或附加轴向力的值的范围必须是清楚的。 符合轴向静定准则的常见轴承轴向支承方式有三种：（1）固定——松弛支承方式；（2）单侧止推支承方式；（3）单侧止推——游动支承方式。

固定——松弛支承方式是将两个轴向定位约束安置在轴某一端轴承（或轴承组，下同）上，此轴承称之为固定轴承，固定轴承在轴线正反两个方向都不能移动。轴上另一端轴承（或其他轴承，下同）在轴线两个方向都无固定，即可自由移动，这种轴承称之为松弛轴承。固定——松弛支承是理想的静定状态，它既无刚体位移，也可避免因制造误差，轴和壳体热变形不一样等因素引起的附加轴向力，见图1（右）和图2（右）。 单侧止推支承方式是将两个轴向定位约束分别安置在轴两端的轴承上，它通常由两圆锥滚子轴承或两向心推力球轴承组成，这种轴承既能承受大的径向力，也能承受大的轴向力，通常用于径向和轴向均有外载的场合。装配时用螺母或其他方法调节轴承圈，保证所需的轴向间隙或径向预紧，由于期间可调，这种支承方式特别适合于传动精度要求高的场合。它一般无轴向刚体位移，但当轴的热膨胀比支承它的壳体热膨胀大时，会引起附加轴向力，这种附加轴向力可用下面的方法限制于容许范围内： （1） 籍可调节的轴承轴向间隙，来平衡轴和壳体的变形差额； （2） 用弹簧，从而能保证其处于近似的静定状态。 单侧止推支承方式是拟静定状态，因为轴向间隙的值有限，因此单侧止推支承方式一般仍不宜用于长轴，图3所示是一圆盘犁，其轴的支承方式是单侧止推支承。 单侧止推——游动支承方式近似于单侧止推支承方式，即将两个轴向止推件和欲固定的轴承圈（通常为外圈）之间留有一定的间隙S，轴有一定的轴向刚体位移，其最大值为S。当轴的热膨胀比轴承它的壳体热膨胀大时，只要差额不超过S，不会引起附加轴向力。单侧止推——游动支承是准静定状态，见图4。它可用于既有较大的径向和轴向载荷，又有较大的轴向变形差异的场合，显然，这种支承方式轴向支承精度不高。 上述三种实际中典型的支承方式在同一机器中可根据轴的工况任意组合使用，图5是一个二级变速箱，三根轴的支承方式各异，集上述三种支承方式于一体，从左到右依次为：固定——松弛、单侧止推和单侧止推——游动支承方式。

2.2 固定轴承轴向能双向受力准则 在固定——松弛支承方式中，由于松弛轴承在轴向完全自由，即不能承担任何轴向力，因此，固定轴承必须要能承担轴向正反双向力，这就是说，能作固定轴承的一个先决条件是：他必须能承担正反双向轴向力。向心球轴承、内外圈带折边的圆珠滚子轴承和按X方式组合的两向心推力球轴承等可做固定轴承，而滚针轴承、单只圆锥滚子轴承和向心推力球轴承等不可做固定轴承，见图6。 图7所示为用于电梯上的蜗轮蜗杆变速箱，采用固定-松弛支撑方式，左图用单只向心推力球轴承作固定轴承，因此是错误的支撑结构。 在两个方向均无轴向外载荷的情况下，例如，直齿轮啮合的轴、皮带轮轴等，固定轴承仍必须要能双向受力吗？回答是肯定的，理由是，尽管这些轴上无轴向外载荷，仅有周向和径向外载荷，但轴承上仍有轴向力作用，而且极可能是两个方向都有，并随机变化着。一个很简单的原因：没有一个实际中的机械能保证其周向和径向外载荷绝对理想地垂直于它的轴线。但这个准则还是可以有例外的，当轴在任何工况下，其轴向外载荷都朝一个方向，而且其值远远大于其他各种原因可能引起的轴向力，即轴承所受的力肯定只朝一个方向，此时，如受其他因素的制约，不宜安置轴向能双向受力的轴承，可采用仅能受单向力的轴承，当然，轴承的安置方向必须和轴向力的方向相对应，图8是一立式交流电机主轴简图，转子重1200kg，其支承方式就是这种例外。 2.3 固定轴承四面定位准则 由于固定轴承必须独立承担阻止双向轴向刚体位移的任务，因此固定轴承内外圈左右两侧四个面都得轴向定位。无轴向外载荷是亦应如此，理由参见固定轴承轴向能双向受力准则，这里说的轴向定位，必须采用结构的方法，从而可保证轴支承可靠，见图9和图7。 这个准则也可以例外，图10是一车床尾部顶架，因它的轴向始终受一很大的向右的压力，无向左的力，因此在无法采用结构的方法防止可能向左的轴向刚体位移是（自重作用），用紧配合的方法代替之也是可行的方案。这个固定轴承（圆锥滚珠轴承+轴向向心球轴承）的优点是：既能承受大的轴向力（轴向向心球轴承），又能保证高的径向精度（可调间隙的圆锥滚珠轴承）。另外，轴上的作力点应优先靠近固定轴承，这样既便于松弛轴承自由移动，又可缩短力的传递路径，从而减少不必要的变形及不良影响。 轴上零件的轴向定位主要取决于零件所受轴向力的大小，轴向定位是要以圆螺母、轴承端盖、轴肩、套筒、轴端挡圈等来确定。轴的制造以及轴上零件的拆装难易程度、工作可靠性以及对轴强度的影响等因素都会影响到零件的轴向定位。用于周向定位常用的定位零件有销、键、花键、过盈配合以及一些紧定螺钉等，主要目的是为了防止轴上零件与轴发生相对转动。 2.4 松弛轴承至少一圈定位准则 在固定-松弛支承方式中，松弛轴承的功能是保证轴在轴向能完全自由伸缩，它不容许承担任何轴向力。松弛轴承轴向定位准则是：在满足轴承不承担轴向力的前提下，尽量多加轴向定位，避免轴承游动。当滚珠体和一轴承圈之间在轴向有相对移动的可能性时，比如用有一圈不带折边的圆柱滚子轴承作松弛轴承，松弛轴承内外圈四个面都得轴向定位，而当滚动体和任一轴承圈之间在轴向都无相对移动的可能性时，比如用向心球轴承作松弛轴承，为保证轴在轴向不承担任何轴向力，最多只能将一圈轴向定位，而为避免轴承游动，至少将一圈轴向定位，见图11。 轴承在载荷的作用下应具有一定的旋转精度和寿命，这就要求轴承以及与轴承相配的轴、轴承座或箱体都应具有足够的刚度。一般外壳及轴承座孔壁均应有足够的厚度，壁板上的轴承座的悬臂应尽可能地缩短，并用加强筋来增强支承部位的刚度。如果外壳是用轻合金或非金属制成的，安装轴承处应采用钢或铸铁制的套杯。 对于一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能地保持同心，以免轴承内外圈间产生过大的偏斜。最好的办法是采用整体结构的外壳，并把安装轴承的两个孔一次镗出。如在一根轴上装有不同尺寸的轴承时，外壳上的轴承孔仍应一次镗出，这时可利用衬筒来安装尺寸较小的轴承。当两个轴承孔分在两个外壳上时，则应把两个外壳组合在一起进行镗孔。