1 軸系設計的基本要求
軸系分為主軸軸系和中間傳動軸軸系。對于中間傳動軸軸系一般要求不高。而對于完成主要作用的主軸軸系的旋轉精度、剛度、熱變形及抗振性等要求較高。
(1)旋轉精度旋轉精度是指在裝配之后，在無負載、低速旋轉的條件下，軸前端的徑向圓跳動和軸向竄動量。其大小取決于軸系各組成零件及支承部件的制造精度與裝配調(diào)整精度。如采用高精密金剛石車刀的切削加工機床的主軸軸端徑向圓跳動量為0．025μm時，才能達到零件加工表面粗糙度Ra (2)剛度軸系的剛度反映了軸系組件抵抗靜、動載荷變形的能力。載荷為彎矩、轉矩時，相應的變形量為撓度、扭轉角，其剛度為抗彎剛度和抗扭剛度。軸系的載荷為徑向力(如帶輪、齒輪上承受的徑向力)時會產(chǎn)生彎曲變形。所以除強度驗算之外，還必須進行剛度驗算。
(3)抗振性軸系的振動表現(xiàn)為強迫振動和自激振動兩種形式，其振動原因有軸系組件質量不勻引起的不平衡、軸的剛度及單向受力等；它們直接影響旋轉精度和軸承壽命。對高速運動的軸系必須以提高其靜剛度、動剛度、增大軸系阻尼比等措施來提高軸系的動態(tài)性能，特別是抗振性。
(4)熱變形軸系受熱會使軸伸長或使軸系零件間隙發(fā)生變化，影響整個傳動系統(tǒng)的傳動精度、旋轉精度及位置精度。又由于溫度的上升會使?jié)櫥偷恼扯劝l(fā)生變化，使滑動或滾動軸承的承載能力降低。因此應采取措施將軸系部件的溫升限制在一定范圍之內(nèi)。
(5)軸上零件的布置軸上傳動件的布置是否合理對軸的受力變形、熱變形及振動影響較大。傳動齒輪應盡可能安置在靠近支承處，以減少軸的彎曲和扭轉變形。如主軸上裝有兩對齒輪，均應盡量靠近前支承，并使傳遞扭矩大的齒輪副更靠近前支承，使主軸受扭轉部分的長度縮短。傳動齒輪的空間布置上，也應盡量避免彎曲變形的重疊。
(6)軸系的驅動方法 由于電動機及傳動系統(tǒng)的振動是主要振源之一，因此，設計時應重視合理選擇軸系的驅動方法，以保證軸系的回轉精度。例如，可采用卸荷帶輪、卸荷軸承、撓性聯(lián)軸器等方法減少或消除單向和不平穩(wěn)驅動力直接作用在軸系上。
2 軸系設計的分類、特點和結構形式軸系因主軸軸頸與軸套之間的摩擦性質不同，可以分為以下幾類：
(1)滑動軸承軸系這種軸系在軸頸與軸套之間注入潤滑油介質起潤滑作用。為了轉動靈活，軸頸與軸套之間應具有一定間隙(一般禁忌小于2．5μm，當轉速增大時，間隙也應相應增大)。
滑動軸承軸系結構簡單，制造方便，剛度和承載能力大，但抗振性和耐磨性較差，因此容易喪失精度。如采用錐形結構，磨損后間隙可以調(diào)整，但調(diào)整比較麻煩。
(2)流體動壓軸承和靜壓軸承軸系 流體動壓軸承軸系和靜壓軸承軸系阻尼性能好，支撐精度高，具有良好的抗振性和運動平穩(wěn)性。按照油膜和氣膜壓強的形成方式分為動壓、靜壓和動靜壓相結合三類軸系。目前使用的流體介質主要為液體和氣體。
動壓軸承是在軸旋轉時，油(氣)被帶入軸與軸承問所形成的楔形間隙中，由于間隙逐漸變窄，使壓強升高，將軸浮起而形成油(氣)楔，以承受載荷。其承載能力與滑動表面的線速度成正比，低速時承載能力很低。故動壓軸承只適用于速度很高、且速度變化不大的場合。
靜壓軸承是利用外部供油(氣)裝置將具有一定壓力的油(氣)體通過油(氣)孔進入軸套油(氣)腔，將軸浮起而形成壓力油(氣)膜，以承受載荷。其承載能力與滑動表面的線速度無關，故廣泛應用于低、中速，大載荷的機器。它具有剛度大、精度高、抗振性好、摩擦阻力小等優(yōu)點。
(3)磁懸浮軸承軸系磁懸浮軸承是利用磁場力將軸無機械摩擦、無潤滑地懸浮在空間的一種新型軸承。磁懸浮軸承的轉軸一般要配備輔助軸承，工作時輔助軸承不與轉軸接觸，當斷電或磁懸浮失控時能托住高速旋轉的轉軸，起到保護作用。輔助軸承與轉子之間的間隙一般等于轉子與電磁體氣隙的一半。
(4)滾動軸承軸系軸頸與軸套之間放入滾動軸承或圓球、滾柱等滾動體作為介質的軸系。滾動軸承軸系分為標準滾動軸承軸系和非標準滾動軸承軸系兩類。
直接應用標準滾動軸承的軸系稱為標準滾動軸承軸系。標準滾動軸承已標準化、系列化，并由軸承廠成批生產(chǎn)。在軸系設計時，只要根據(jù)負荷、轉速、精度、剛度及空間大小等即可選用所需軸承。
非標準滾動軸承軸系中不用標準滾動軸承，一般是在軸頸和軸套間直接放人滾動體，因此結構緊湊。此外，軸頸與軸套上一般不加工出圓弧形滾道，因此容易達到較高的尺寸和形狀精度，所以在機電一體化系統(tǒng)中，由于結構尺寸的限制，或因標準滾動軸承無法滿足軸系精度要求時，就自行設計非標準滾動軸承軸系。非標準滾動軸承軸系又可分為普通非標準滾動軸承軸系和密珠軸系兩種。
軸系的作用是承受工作時的軸向和徑向載荷，并要保證所要求的回轉精度。因此軸系設計時，在選擇軸系類型的同時，還要考慮合適的結構形式，這樣才能更好地滿足軸系工作的要求。軸系的結構形式很多，常見的有以下幾種，如圖2-69所示。
1)圓柱一止推。如圖2—69a所示，其徑向載荷和徑向回轉精度由徑向圓柱形軸承承受和保證，而軸向載荷和軸向精度則由止推軸承承受和保證。這種軸系結構形式最為常見。
2)圓錐一止推。如圖2—69c所示，由兩個錐形軸承和一個止推軸承構成。其徑向載荷及徑向精度由錐形軸承承擔及保證，而軸向載荷及軸向精度則由止推軸承承受和保證，其特點是徑向間隙可以調(diào)整。
3j雙錐。如圖2—69d所示，軸系兩端軸承由兩個錐角方向相反的圓錐軸承構成，既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷。
4)圓柱一圓球。如圖2-69e所示，軸系兩端軸承一個是徑向圓柱形軸承，一個是球形軸承，球形軸承承受徑向和軸向載荷。
5)圓錐_半圓球。如圖2—69f所示，軸系兩端軸承，一個是錐形軸承，一個是半圓球軸承組成。
6)雙球(包括圓球一半圓球及雙半圓球等)。由兩個圓球形軸承、兩個半圓球軸承或一個球及一個半圓球軸承構成(見圖2—69b)。
在軸承結構設計時，采用哪一種類型軸系和什么樣的結構形式，應從多方面考慮，包括軸系的精度要求、軸系的空間位置(立式軸系還是臥式軸系)、軸系的承載大小及制造廠的工藝條件等。
3 軸系機構設計禁忌
軸主要是用來支承作旋轉運動的零件，以實現(xiàn)旋轉運動并傳遞動力。因此，設計軸時首先要滿足強度和剛度的要求，因此必須考慮軸和軸上零件的布置及定位固定形式、軸的合理受力、軸承的類型和支承、軸的加工、裝配工藝要求等情況�？梢娫O計出合理的軸系結構是一項非常復雜且困難的工作，因為需要綜合考慮多種情況。但是如果在設計過程中注意以下幾種情況，將對設計出合理的軸系結構大有裨益。
1)注意為了改善軸的抗疲勞強度，軸的結構應禁忌出現(xiàn)形狀的突然變化，若需要制成階梯軸則可以采用過渡圓角(必要時可增設一階梯軸段或錐形軸段)，借以緩和軸的截面突變。如果軸肩或軸環(huán)處圓角受到固定在軸上零件的限制，那么可用凹切圓角或加裝隔離肩環(huán)。另外，軸上的環(huán)形槽應設置在受輕載荷的軸段或軸端處。當軸與軸上零件過盈配合時 可以采用減少過盈量(在保證傳遞載荷的前提下)、增大配合處半徑、軸上開減載槽及零件輪轂兩端開減載槽；對于階梯軸，為了避免由過盈引起的端部應力集中和階梯部分應力集中相疊加，應逐漸減少階梯部分附近的過盈量及加大配合處的軸向寬度(若不能加大，要從粗的一端向細的一端調(diào)整過盈量)。當軸上有鍵槽時，必須按國標給出鍵槽圓角半徑和避免將鍵槽銑削至階梯軸的階梯部分。這些措施都有利于減小軸上的應力集中。
2)為減少過盈配合零件的裝拆困難，在滿足傳遞載荷的條件下盡量減小配合長度，并使其他部分留有間隙。另外，對于圓柱配合表面還要在配合軸段的一端制成錐形結構。如果在一根軸上安裝有多個過盈配合的零件，要在各段逐一給予稍許的階梯差，安裝部分以外不要加過盈量，同一零件在軸上有幾處過盈配合時也要符合上述要求。在不能給予自由的微小尺寸的階梯差的場合(如用滾動軸承支承的多支點軸)，應考慮利用帶斜度的緊固定套配合。
3)為裝配方便，裝配起點不要成尖角，另外，兩配合表面起點不要同時裝配，這樣可以使裝配平穩(wěn)。
4)為將零件安裝到軸的正確位置上，軸必須制成階梯形軸肩或軸環(huán)，如果受某些條件限制，軸的階梯差很小或不便加工出軸肩時，可采用加定位套筒或加對開的軸環(huán)進行定位。
5)當軸上采用兩個平鍵時一般設置在同一軸段上相隔墻O。的位置，有利于平衡軸的截面變形不均勻性。當采用兩個楔鍵時，為禁忌輪轂之間傳遞轉矩的摩擦力相互抵消，兩鍵槽相隔120°左右為好。當采用兩個半圓鍵時，為禁忌過分消弱軸的強度，則常設置在軸的同一母線上。在長軸上避免在一側開多個鍵槽或長鍵槽，因為這會使軸喪失全周的均勻性，易造成軸的彎曲，因此，要交替相反地在兩側布置鍵槽，長鍵槽也要相隔180。對稱布置。另外為防止軸的損壞，空心軸的鍵槽下部壁厚不要太薄，且鍵槽要設置在軸上便于加工的位置。
6)禁忌在軸上加工細長孔，以防鉆頭折斷。
7)注意軸承的選擇要恰當。由于軸的旋轉精度在很大程度上是由其軸承決定的，因此在選擇軸承類型時一定要慎重，軸承的類型應該依據(jù)精度、剛度和轉速來選擇。所選用的軸承有滾動和滑動兩大類。這兩類軸承都能滿足旋轉精度的要求，一般情況下用滾動軸承多一些，特別是大多數(shù)立式主軸。只要加工表面粗糙度數(shù)值要求較小，且主軸是水平的機床，采用滑動軸承；或為了提高主軸組件的抗振性，在主軸前支承處用滑動軸承，后支承用滾動軸承。當主軸組件要求徑向剛度較高時，可采用雙列圓柱滾子軸承，而軸向載荷由接觸角為50°的雙向推力角接觸球軸承來承受，但是主軸的組件要求轉速較高時，可以采用接觸角為40°或30°的推力角接觸球軸承。角接觸球軸承為點接觸，剛度較低，為提高剛度，通常采用背靠背的組合方式。
此外，主軸軸承常用輕系列、特輕系列和超輕系列。軸承越輕，則同樣內(nèi)徑時，外徑越��；而同樣外徑時，則內(nèi)徑越大，即同樣的主軸直徑殼體孔可以小一些，使結構緊湊，同時也利于孔的加工。如果同樣的殼體孔直徑，則主軸直徑可粗一些，主軸組件的綜合剛度提高十分明顯。但是軸承越輕，內(nèi)、外國越薄，制造越困難。
為了提高其精度和剛度，主軸的間隙應該是可以調(diào)整的，這也是主軸軸承的主要特點。
主軸傳動件的適當布置也是非常重要的。當傳動件是齒輪時，可將其安裝在前、后軸承之間或后軸承之后的主軸后懸伸處。當在前、后軸承之間時，應將幾個齒輪中較大的一個靠近前軸承，這樣不僅可以減少主軸的彎曲變形，因與切削力的位置比較靠近，又使主軸的扭轉變形較小。
當傳動件是傳動帶時，一般情況下都裝在后支承后部主軸的懸伸處。這樣一方面便于防護，以免油類侵蝕傳動帶，另一方面是更換傳動帶容易。實際設計時，傳動件的布置往往受到許多條件的限制，所以必須注意應全面考慮。
8)注意合理布置軸上的零件和改進結構減小軸所受的轉矩和彎矩，當動力需兩個或兩個以上的輪輸出時，將輸入輪布置在輸出輪中間，就可以減小軸的轉矩。用人字齒輪替代斜齒輪可以抵消軸向力。把輪轂與軸的配合面分為兩段，不僅可減小軸的彎矩，提高了軸的強度和剛度，而且也改善了軸孔的配合。
9)注意若在軸的兩端上被驅動的是車輪或杠桿一類的構件，為防止兩端的扭轉變形不相同而導致相互動作失調(diào)，要求采取等距離的中央驅動，軸的直徑也應大一些為好。
10)注意為提高軸的疲勞強度，要求軸具有良好的表面品質(例如表面粗糙度等)，另外采用碾壓、噴丸、滲碳淬火、氮化、高頻淬火等表面強化方法，也可以顯著提高軸的疲勞強度。
11)注意在盲孔中裝入過盈配合軸，如果孔內(nèi)部形成封閉空間，則使安裝困難，在拔出時由于內(nèi)部形成真空，則拔出時更為困難，為避免形成封閉空間，必須設置供通氣用的小孔或溝槽。
12)注意為節(jié)省材料可以將軸制成空心軸，另外設計空心軸的目的也是為了通過棒料、拉桿或通過氣動、電氣或液壓等安裝輔助工具；一般要求內(nèi)孔的直徑大些，但是當內(nèi)孔直徑超過某一數(shù)值時，就會降低主軸的剛度，所以為了不使主軸的剛度受到太大的影響，內(nèi)孔直徑禁忌超過軸直徑的70％。
13)注意在軸的兩個支承中，如果有其中一個支承力為零或接近零，則在此支點上的軸承載荷為零，在載荷為零的軸承上的軸，在軸承的哪一個方向上都不接觸，軸心的位置很不穩(wěn)定，容易發(fā)生油膜振蕩，使軸產(chǎn)生強烈振動。避免的方法是首先合理安排好軸上的傳動零件和軸承的位置，禁忌軸承上的載荷為零，如果不能避免這種情況，則務必采用穩(wěn)定性好的軸承。
14)注意通常軸支承在滑動軸承或滾動軸承上，為了保證軸頸的磨損壽命，軸頸表面必須具有足夠的硬度；當軸上的零件用螺母緊固時，軸上切制的螺紋要有利于螺母的防松，另外，還可以使用止動墊圈和彈性卡圈，但是要注意其正確安裝(詳細內(nèi)容可參考有關資料)。如果用螺母壓緊安裝在軸上的零件時，要使軸的配合部分的長度稍短于安裝零件的寬度，以防出現(xiàn)零件壓不緊的現(xiàn)象；相反，如果要求安裝件在軸上轉動或在軸向有一定游動時，禁忌依靠調(diào)整螺母的松緊來給出間隙，而要擰緊螺母，使其與軸階梯接觸，所以應該使軸的配合部分的長度稍大于安裝件的寬度，以保證預定的間隙，如圖2-70所示。
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