高速精密机床球轴承力学特性分析

摘要

机床主轴是高速精密机床的核心部件之一，其中主轴轴承作为机床主轴的最关键组件，其类型、结构及速度适应性、旋转精度、刚性、噪声、功耗、摩擦与温升、热变形等直接影响到机床主轴的工作性能，因此有必要对其力学性能展开相应研究。本文以高速精密机床角接触球轴承为研究对象，建立了静力学模型、五自由度拟静力学模型和考虑元件偏差的拟静力学模型，为球轴承动态性能及其影响因素的分析提供了可靠的数值平台。
　　首先，通过对角接触球轴承受载之后的套圈和球中心位移分析，建立了球轴承静力学载荷分布模型。基于所建立的静力学模型，系统分析了轴承外载荷和内外圈沟曲率半径等参数的变化对轴承接触角和载荷分布的影响。其次，在静力学模型的基础上，建立了考虑离心力和陀螺力矩的拟静力学模型，对比分析了拟静力学模型和静力学模型下滚动体与内外圈的接触角和接触载荷分布情况。基于拟静力学模型，研究分析了在不同工况（内外圈沟曲率半径系数、内圈转速、外载荷）条件下，滚动体与内外圈接触角和接触载荷的分布情况。最后，在拟静力学模型的基础上建立了引入元件误差（球直径偏差和波纹度）的拟静力学模型。基于所建立的模型，分析了球直径偏差大小、分布方式，球表面波纹度幅值与阶数及元件偏差叠加作用对轴承载荷分布的影响。
　　本文所提出的轴承静力学模型、拟静力学模型以及考虑元件偏差的拟静力学模型为今后深入研究工况、拓扑几何及元件偏差参数对轴承疲劳寿命影响奠定了基础。

目录

声明

摘要

符号列表

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 静力学模型

1．2．2 拟静力学模型

1．2．3 拟动力学模型

1．2．4 动力学模型

1．3 研究目的和研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

第2章 静力学模型分析与结果

2．1 角接触球轴承的宏观几何学

2．1．1 节圆直径

2．1．2 吻合度

2．1．3 接触角

2．1．4 游隙

2．1．5 曲率和相对曲率

2．2 静力学模型

2．2．1 球轴承基本假设

2．2．2 Hertz接触理论

2．2．3 轴承坐标系统的建立

2．2．4 静力学模型的建立

2．2．5 求解流程图

2．3 静力学模型分析结果

2．3．1 载荷分布和接触角分布

2．3．2 轴承载荷大小对接触角和接触载荷的影响

2．3．3 轴承内外圈沟曲率半径系数对接触角和接触载荷的影响

2．4 本章小结

第3章 拟静力学模型与结果

3．1 拟静力学模型的建立

3．1．1 球中心与滚道曲率中心的几何位置关系

3．1．2 球在任意方位角的受力情况

3．1．3 内圈的受力情况

3．1．4 求解流程图

3．2 拟静力学模型与结果

3．2．1 拟静力学与静力学模型载荷分布和接触角分布对比

3．2．2 离心力和陀螺力矩对接触角和接触载荷的影响

3．2．3 轴承内圈转速大小对接触角和接触载荷的影响

3．2．4 轴承载荷大小对接触角和接触载荷的影响

3．2．5 轴承内外圈沟曲率半径系数对接触角和接触载荷的影响

3．3 本章小结

第4章 引入元件偏差的拟静力学模型与结果

4．1 波纹度和误差的数学表达

4．1．1 表面波纹度

4．1．2 球尺寸偏差

4．2 引入元件误差的拟静力学模型

4．2．1 球中心与滚道曲率中心的几何位置关系

4．2．2 球在任意方位角的受力情况

4．2．3 内圈的受力情况

4．3 元件误差对轴承接触角和接触载荷分布的影响

4．3．1 球直径偏差对轴承接触角和接触载荷分布的影响

4．3．2 球表面波纹度对轴承接触角和接触载荷分布的影响

4．3．3 波纹度和直径偏差叠加作用对轴承接触角和接触载荷分布的影响

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目