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精密机械水平及垂直旋转支承结构设计

日期:2020-11-07 14:29 作者:狗博app

  精密机械水平及垂直旋转支承结构设计_工学_高等教育_教育专区。上次课程主要内容: 1.旋转支承的一般形式(方向、置中精度) ●水平布置: 径向荷载→向心轴承 径向、轴向荷载→向心推力轴承 ●铅垂布置:向心推力轴承、轴承组合 ●精密机械滑动轴承支承结构 2.轴承材

  上次课程主要内容: 1.旋转支承的一般形式(方向、置中精度) ●水平布置: 径向荷载→向心轴承 径向、轴向荷载→向心推力轴承 ●铅垂布置:向心推力轴承、轴承组合 ●精密机械滑动轴承支承结构 2.轴承材料 铸铁、铜合金、巴氏合金、陶瓷合金、 宝石、非金属(尼龙1010、聚四氟乙烯) 24/01 2.圆柱面支承的设计和计算 计算内容主要包括: ●摩擦力矩的计算 ●支承部分承受径向载荷计算 ●支承部分承受轴向载荷计算 若运行时同时承受轴向和径向载荷,则总摩 擦力矩等于两种载荷所产生的摩擦力矩之和。 注意的问题:矢量合成运算 24/02 (1)轴颈尺寸设计 圆柱面支承的设计主要是确定圆柱面 支承尺寸的确定,运用强度计算方法。 等效荷载 P P 最小轴颈: d? P? 0.2?? b ? ? b — —强度极限应力 根据摩擦力矩计算方法: M0 ? ? ?Pd 2 ?? — —当量摩擦系数 24/03 ? ? 1.57? 未跑合 ? ? 1.27? 已跑合 ? ?? 硬摩硬 (2)摩擦力矩计算(复杂性) ●影响因素:尺寸精度、配合种类、表面粗糙 度、形状及位置精度、材料、支承等。 ●设计条件:综合考虑支承轴承的旋转精度要 求、承载、转速、环境等因素。 ●计算:依据相关经验公式,修正计算结果 影响滑动轴承摩擦力矩的因素复杂,实用 中可参考有关手册对不同结构的计算。 有效途径:借鉴类似产品设计参数 24/04 摩擦力矩的计算公式应用: 支承处仅考虑承受径向载荷时,摩擦力 等效荷载 P 矩来源于圆柱面,计算式: M0 ? ? ?Pd 2 (注意当量系数μ′的确定) 存在或必需考虑轴向力导 致的端部摩擦力矩: 3 1 d13 ? d 2 M 0 ? ? ?Q 2 2 3 d1 ? d 2 等效荷载 Q 24/05 3 M 0 ? ??Qa 16 球面支承摩擦力矩的计算: 赫兹公式计算接触半径a: a ? 0.8813 Q( 1 E轴颈 ? 1 E止推 )r 等效 荷载Q 水平布置 球面支承 E——弹性模量; r——支承球体半径 垂直布置 球面支承 等效 荷载Q 24/06 (3)精度计算 支承零件的配合存在: ●尺寸偏差(间隙) ●形状偏差 ●相对位置偏差 评价支承精度的两项 主要参数: 定位中心误差:(含尺寸、形状误差) 1 (? d k ? ? d z ) ? (d k max ? d z min ) 2 最大偏角误差: tg?? ? ?C L ?C ? 24/07 (4)温敏性计算 系统环境温度的变化将 导致支承间隙的变化,其变 化量为: ΔX ?X ? d孔[1 ? ak (t ? t0 ) ? d轴[1 ? az (t ? t0 )] ●轴承与轴颈材料相同时有利于减小温度对 结构性能的影响 ●从相对摩擦特性的角度考虑,轴承与轴颈 应采用两类不同的材料 24/08 3.轴向铅垂布置结构设计 为保证尺寸紧凑和较高的精度,精密 机械结构中多采用滑动轴承。 常见铅垂布置: 风 力 发 电 机 ●圆锥面支承 ●球端面支承 ●顶针、刃口等支承 ●填入滚动体(球体) 24/09 回 转 工 作 台 铅垂布置滚动轴承结构: 典型结构——滚动体支持 24/10 (1)圆锥支持结构设计 如图所示圆锥面支承结构,具有定向、 置中双项功能,但旋转阻力大。 设结构参数: 轴锥面长 L、圆锥角2α 、承载 Q Q R L r 正压力: Q N? sin ? 摩擦力: f ? ? ?N 摩擦力矩: M 0 ? fR平均 24/11 非承 载面 N N 结构受力图 (2)圆锥支持结构优化——端面支承 改进主要承载零件结构,可将圆锥面荷 Q A面 载分散,减小旋转摩擦力矩。 受力:过定位(超静定) 1)辅助平面支承(A面) 水平面接触,降 N N 低圆锥面正压力,提 高定向回转稳定性,一定程度减小摩擦阻力。 问题思考: ●如何获取预期效果? ●磨损后能否自动补偿? 24/12 Q 2)辅助球面支承(B面) 球面支持接触面小, 摩擦阻力矩小,但磨损 问题仍然存在。 N N B面 运行时上述两种优化支承结 构都处于一种复杂受力状态,属于过定位承载, 总摩擦力矩由多项组成,与结构刚度相关。 端面(平面或球面)等效荷载: ●分担的轴向力 ●轴向力产生的阻力矩 24/13 (3)结构特点及应用相关讨论 1)结构零件少,整体精度高,能自动补 偿工作磨损造成的间隙;旋转阻力矩大,摩 擦升温影响严重,制造工艺复杂; 2)锥角2α 越小,定向及置中精度越高, 但锥面法向压力增大,旋转灵活性差; 设计锥角推荐值:2α = 4-15° 高精度支承锥角:2α = 4-8 °(荷载较小) 3)利用端面支承结构,减小锥面正压力; 4)辅助措施:润滑、防尘 24/14 (4)结构参数设计——分析及计算 1)摩擦力矩计算 轴径及支承面在加工中存在尺寸及形 状误差,考虑误差的微量性和结构的各向 相同性,支承力简化为n个均匀分布力。 平衡方程: Q ? N1 sin ? ? N2 sin ? ??? Nn sin ? 可等效成两个左右对称支撑力:即 Q N1 ? N 2 ? 2 sin ? d 平均 Q 摩擦力矩: M 0 ? ? ? sin ? 2 24/15 2)结构精度分析 评价参数:最大中心误差 ?C 、最大偏角 ?? 在不采用端面支承的结构中,理论上不存 在配合间隙;由于制造存在尺寸、形状误差, 实际结构在运行中有间隙引起的跳动。 若采用端面支承,可等效看成轴向荷载全 部由端面承担,分析方式与前面圆柱面相同。 最大中心误差: ?C ? 0.5?? 孔 ? ? 轴 ?? ?间隙 / cos? 最大偏角: ?C tan ?? ? L 24/16 3)平均轴径 d平均 及轴长 L 平均轴径的确定取决于摩擦 力矩,影响因素包括材料、荷载、 系统刚度、表面质量等。 d1 ? d 2 ? 2 平均轴径: d 平均 注:为保证结构支承的稳定性,轴长 L 应 大于横向作用力的力臂。 轴长推荐值: L ? 1.5d平均 24/17 4)精度(公差与配合)设计 配合间隙由零件尺寸、形 状、相对位置等误差造成。 解决问题的关键:精度 基准制——标准化 标准公差等级——功能、经济 基本偏差——配合性能 精度设计是实现功能设计的基础。 24/18 (5)材料及工艺 1)轴颈材料 常用材料: 选材依据: 精度、工艺、荷载、环境、润滑 优质碳素结构钢: 优先考虑: 表面硬度 45、55 碳素工具钢: T8A 、 T12A 不论滑动、滚动结构,其相对运动表面都需 合金结构钢:40Cr、50Mn、65Mn 达到一定的耐磨性(硬度)。 特殊性能钢:GCr15、CrWMn (机械结构设计:首先考虑强度或刚度) 工艺考虑: ●机械加工工艺性 ●热处理效果 ●后续磨削、研磨 24/19 2)轴承材料 圆锥面支承结构的精度、寿命 设计,很大 程度取决于倒圆锥状孔的内表面质量。 重要措施:分离制造 (轴承) 由于圆锥内孔精度(尺寸、形状、表面质量) 涉及加工设备、专门的工艺装备,因此轴承材料 选择时除满足功能,还要考虑其工艺性。 例:陶瓷、宝石 类非金属,尽管使用性能很好但 工艺性极差,不适合该场合选用。 常用材料:磷青铜、黄铜、耐磨铸铁 24/20 4.滚动体填入的轴向铅垂布置设计 运用滚动体填入的方式,将有效改善滑动 摩擦难以消除的的部分缺陷。 适用场合:对运动精度要求一般,承载较 大的大中型回转运动装置。 滚动体选择:球体、圆柱体 24/22 结构特点: ●滚动摩擦系数小、接触面积小、相对运动 灵活、用量大便于专业化生产。 ●零件种类、数量、相关参数较多,运动件 承受循环荷载,且表面硬度要求高,工艺特殊。 高度专业化行业: ●轴承产业及轴承配套系列产品 ●各类精密回转台、分度盘等 26/14 加工机床类垂直旋转支撑结构: 立式铣床主轴、立式车床工作台、龙门 铣床升降丝杠和立铣头等常用设备。。 立 式 车 床 龙门铣床 24/23 填入滚动体垂直支承结构小结: 类似滚珠丝杠、水平支持结构设计特征, 选用时应综合优劣两方面的特性。 ●根据运行速度、荷载大小的差异,选择不同 的滚动体植入; ●适用转速、功率(承载)范围大 ●过定位多点支撑 ●采取合理措施,控制定向、置中精度 ●突出专业制造提高结构性价比 24/24 思考题: P247:2 思考题

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