电主轴角接触球轴承摩擦学和动力学耦合特性分析

摘要

在现代机械制造业中，电主轴被广泛用于精密车削、磨削、铣削等高速高精度旋转机械上，角接触球轴承是电主轴的关键部件，对于电主轴生产效率和加工精度至关重要。然而，由于高速运转中的电主轴角接触球轴承零件间复杂的相互作用及难以预测的润滑性能变化，理论研究难度较大，长期以来，其摩擦学行为和动力学行为的分析大多是在各自的领域里独立研究。出于提高电主轴的工作寿命和可靠性的要求，必须精确地预测角接触球轴承的摩擦学和动力学行为的耦合关系，因此，进行角接触球轴承摩擦学和动力学的耦合研究，提高其理论分析和应用设计的准确性，具有重要的应用价值和现实意义。
　　本文在进行角接触球轴承相互作用模型分析时，考虑了润滑油膜牵引力和油膜力，所求得的合外力和合外力矩以及所建立的每个轴承零件的运动微分方程更加合理和准确，所求出的角接触球轴承摩擦学和动力学耦合特性更加接近真实情况。根据弹流理论，本文建立了角接触球轴承的弹流润滑Reynolds方程和弹性方程，并应用了有限差分法和Newton-Rapphson迭代法进行求解得到油膜力方程。以Matlab为软件平台，应用Runge-Kutta法对角接触球轴承每个零件的广义运动方程进行了数值积分求解。
　　采用本文所提出的角接触球轴承摩擦学和动力学耦合分析的数学模型和仿真方法，研究了高速电主轴最常见的精密角接触球轴承H71900C型在特定工况下的摩擦学行为和动力学特性，得出了其耦合情况下离心力、陀螺力矩等动态指标的变化及油膜压力和油膜厚度在动态性能下的变化情况。研究表明，高速运转中的角接触球轴承的润滑性能对离心力及陀螺力矩等动力学指标影响显著，速度是影响润滑油膜厚度的重要因素。角接触球轴承的内圈油膜厚度随转速增大开始变化不明显，随后明显减小，外圈油膜厚度随转速增大先增大后逐渐减小。
　　本文提出的耦合求解模型考虑了润滑牵引力和油膜反力，考虑因素更全面，更接近真实式况，为角接触球轴承理论设计和实际应用提供更加准确和合理的指导依据。

目录

声明

摘要

附图索引

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 滚动轴承国内外研究的发展现状

1．3 弹性流体动力润滑理论问题的常用解决方法

1．4 本文课题的来源、研究意义及内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 本文的研究意义

1．4．3 本文的研究内容

第2章 角接触球轴承运行分析及各零件相互作用分析

2．1 坐标系统

2．2 角接触球轴承零件相互作用分析

2．2．1 球与套圈的相互作用

2．2．2 球与保持架的相互作用

2．2．3 套圈与保持架的相互作用

2．3 本章小结

第3章 角接触球轴承动力学特性分析

3．1 角接触球轴承静力学模型

3．1．1 角接触球轴承静力学模型的几何特性

3．1．2 角接触球轴承静力学模型的运动学分析

3．1．3 角接触球轴承静力学平衡方程的建立及求解

3．2 角接触球轴承动力学模型

3．2．1 球滚动体动力学基本方程

3．2．2 内圈动力学基本方程

3．2．3 保持架动力学基本方程

3．3 本章小结

第4章 角接触球轴承摩擦学行为分析

4．1 角接触球轴承弹流润滑Reynolds方程及弹性方程

4．1．1 弹流润滑Reynolds方程

4．1．2 弹性方程

4．2 Reynolds方程和弹性方程的联立求解

4．2．1 方程演变

4．2．2 计算区域面积划分

4．2．3 差分方程及迭代方法

4．2．4 角接触球轴承润滑油膜力方程

4．3 本章小结

第五章 角接触球轴承动力学和摩擦学耦合求解

5．1 广义运动微分方程的求解

5．1．1 广义运动微分方程的无量纲化处理

5．1．2 广义运动微分方程的显式算法

5．2 算例讨论

5．2．1 耦合分析下球与外圈滚道之间油膜厚度及油膜压力分布曲线图

5．2．2 耦合分析下离心力与角接触球轴承转速的关系

5．2．3 耦合分析下陀螺力矩与角接触球轴承转速的关系

5．2．4 耦合分析下内圈油膜厚度随转速的变化关系

5．2．5 耦合分析下外圈油膜厚度随转速的变化关系

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位所发表的学术论文