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1、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 1
2、2 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
3、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
4、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
5、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。不合理支重結椅合理支横结构固定松弛支承方式是将两个车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
6、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
7、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。S3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
8、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
9、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
10、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 图8 一立 交流 机主简 转子应，是式电轴 图，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
11、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
12、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。图u-1 I不合理支承结构合珈支承结构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
13、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
14、 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。團不合理支承結构合理支承结构2.5 受变载作用轴承圈固定准则无论是固定轴承还是松弛轴承其圆周方向的相对运动只应出现在滚动体和 内外圈之间，不应出现在内圈与轴颈或外圈与壳体之间，而松弛轴承轴向的相对 运动，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，则必须出现 在内圈与轴颈或外圈与壳体之间。究竟应让内圈与轴颈还是让外圈与壳体之间有 轴向的相对运动？这取决于内圈或外圈的受力状况，其准则是受变载作用的轴承 圈周向和轴
15、向全部固定，从而避免可能出现的配合生锈，而仅在一点受静载作用 的轴承圈可与其外圈有轴向的相对运动。一般情况下，内圈和轴颈同时旋转，受 力点在整个圆周上不停地变化着，而外圈和壳体一样，静止不动，只在一处受静 载，比如，齿轮轴、皮带轮轴，此时，作为松弛轴承只能将外圈用于周向运动， 图 12 所示为圆盘锯轴的支承结构，其驱动轮为皮带轮。在轴上安装轴承内圈时，一般都由轴肩在一面固定轴承的位置，而另一面则 用螺母、止动垫圈或弹簧档圈等固定。轴肩和轴向固定零件与轴承内圈接触部分 的尺寸，可按轴承尺寸表格所列各类轴承的安装尺寸确定。（1）螺母定位在轴承转速较高、承受较大轴向负荷的情况下，螺母与轴承内圈接触的
16、端面 要与轴的旋转中心线垂直。否则即使拧紧螺母也会破坏轴承的安装位置及轴承的 正常工作状态，降低轴承旋转精度和使用寿命。特别是轴承内孔与轴的配合为松 动配合时，更需要严格控制。为了防止螺母在旋转过程中发生松动，需要采取适 当的防止松动的技术措施。使用螺母和止动垫圈定位，将止动垫圈内键齿置入轴 的键槽内，再将其外圈上各齿中的一个弯入螺母的切口中。（2）弹簧档圈定位 承受轴向负荷不大、转速不高、轴既较短又在轴颈上加工成螺纹有困难的情 况下，可采用断面为矩形的弹性档圈定位。此种方法装卸很方便，所占位置小， 制造简单。（3）止推垫圈定位 在轴颈较短、轴颈上加工成螺纹有困难，轴承转速较高、轴向负荷较大的情 况下，可采用垫圈定位，即用垫圈在轴端面上用两个以上螺钉进行
