轴支承定位方式的设计原则

1）轴向静定

机床主轴多以前、后两支承结构为主。下面以两支承结构为例，介绍轴支承定位方式的设计原则——轴向静定。

在轴支承结构设计时，所支承的轴在轴线方向上必须处于静定状态，即满足轴向静定的原则。也就是说，要求轴在轴线方向既不能有刚体位移，产生欠定位现象，也不能有阻碍轴自由伸缩的多余约束，使轴处于过定位状态。轴向静定原则是轴支承结构设计中最基本最重要的原则。

图5-20为轴支承结构处于欠定位状态的设计简图。图5-20a内深沟球轴承在箱体内没有轴向定位，故导致轴相对于箱体可以轴向移动；图5-20b内圆柱滚子轴承中的滚子在轴承内圈外圆柱面上没有轴向定位，也将导致轴会产生相对于箱体的位移。针对图5-20中两种不正确的轴支承结构，可分别改进设计成如图5-21a、b所示消除欠定位现象的轴支承结构。

图5-20 具有轴向刚体位移的轴支承结构

图5-21 消除轴向刚体位移的轴支承结构

图5-22为轴支承结构处于过定位状态的设计简图。由该图可知，不论图5-22a还是图5-22b都对所有轴承的内、外圈在箱体和轴颈上设计了轴向约束，在这种结构设计下，由于轴支承结构在制造或装配过程中出现的误差，就会使轴在轴向方向上同时受到了左、右两个轴承的定位制约，而不能自由变形伸缩，因此产生附加轴向力，导致轴弯曲，最终影响设备的工作性能。针对图5-22中过定位的轴支承结构，可改进设计成如图5-23所示的轴支承结构。

图5-22 过定位轴支承结构

图5-23 消除过定位状态的轴支承结构

在实际的轴支承结构中，由于受到各种因素的限制，并不一定总能实现理想的静定状态，少量的轴向刚体位移（欠定位）或附加轴向力（过定位）是不可避免的，但它们必须限制在工程允许的范围之内。

基于上述轴向静定原则，满足实际工程应用的轴支承方式主要有以下三种（以两支承为例）：①一端定位支承方式；②两端定位—调隙支承方式；③两端定位—游隙支承方式。

（1）一端定位支承方式又称固定—松弛支承方式，该种方式用轴上某一端的轴承来定位约束轴沿轴向两个方向的移动，此轴承的支承称为固定支承，固定支承中的轴承在轴向上也是沿两个方向都不能移动的；而轴的另一端支承则在轴线双向上都是没有固定的，即可自由移动，这种支承称为松弛支承。一端定位支承方式符合理想的静定状态，它既无刚体位移，也可避免因制造误差、轴和箱体热变形量不相同等因素引起的附加应力，图5-21和图5-23中所示轴支承结构都属于此种支承方式。

图5-24 两端定位—调隙支承方式

（2）两端定位—调隙支承方式是将轴在轴向两个方向的定位约束分别放置在轴两端的支承轴承上，如图5-24所示。这种支承方式常采用两个圆锥滚子轴承或两个角接触球轴承组成，这种轴承既能承受较大的径向力，也能承受较大的轴向力，通常用于径向和轴向均有外载荷的场合。装配时用螺母或者其他方法调节轴承套圈的轴向位置，通过轴向预紧保证所需的径向间隙。(www.xing528.com)

由于此种支承方式下轴承的间隙可调，因此特别适合传动精度要求高的场合。一般情况下，此种支承方式下的轴无轴向刚体位移，但当轴的热膨胀比支承它的壳体热膨胀大时会引起附加的轴向力。通常可借助弹簧等调节件，平衡轴和壳体的变形差额，将附加的轴向力限制于允许的范围之内，以保证轴处于近似的静定状态。由于轴向间隙的调整量有限，因此两端定位—调隙支承方式一般不宜用于长轴。

（3）两端定位—游隙支承方式近似于两端定位—调隙支承方式，它也是将轴向的两个方向的定位约束分别安置在轴两端的支承上，但不同之处在于，两端定位—游隙支承方式中一个支承的轴向止推件和轴承套圈（通常为外圈）之间在装配时会留出一定的间隙S，它限定了在不产生附加轴向力的前提下，轴的最大轴向刚体位移为S，即当轴的热膨胀数值比支承它的壳体的热膨胀数值多S的量时，就会引起附加轴向力。这种支承方式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，由于这种支承方式下会产生轴向位移，因此它的轴向支承精度不高。图5-25为两端定位—游隙支承方式的结构图。

图5-25 两端定位—游隙支承方式

上述三种典型的支承方式在同一机器中可根据轴的工况同时出现，联合使用。图5-26是一个二级变速箱，3根轴的支承方式各异，从左向右依次为：一端定位、两端定位—调隙和两端定位—游隙支承方式。

图5-26 某变速箱轴支承结构

2）各支承方式对比

一端定位支承方式还可以分为前端定位和后端定位两种形式，它们与两端定位轴支承结构的特点可归纳为如表5-3所示。

表5-3 各轴支承方式对比

（续表）__

图5-27 单向受力轴支承结构

3）特殊情况

当在任何工况下，轴所需承受的轴向外载荷主要都朝一个方向，其数值远远大于其他各种原因可能引起的轴向力时，在结构设计中可采用仅能承受单向力的轴承，但此轴承的装配方向必须和轴向力的方向相对应，如图5-27所示。此种定位支承方式下，虽然轴可以产生向上的轴向位移，导致欠定位问题，但考虑轴在实际运转过程中，在较大重力的作用下，这种情况是不会出现的，因此该轴支承结构设计可以保证轴的正常工作。

图5-28为车床尾架顶尖的装配结构，根据顶尖的工作状态可知，它始终承受向右的较大轴向力，而基本无向左的轴向力，因此为防止工作中意外可能发生的向左的轴向刚体位移，用紧配合的方法代替也是可行的方案。