高速精密滚珠丝杠副动态特性的理论和实验研究

摘要

航天高速工况对精密滚珠丝杠副的动态特性提出了更高的要求，特别是在体积重量、接触特性、静动态响应等方面。传统的针对普通民用滚珠丝杠副的设计理论和实验平台已经无法满足高速滚珠丝杠副的需要。在这种背景下，针对高速工况下滚珠丝杠副动态特性的研究就显得尤为重要。
　　本文首先利用赫兹接触理论，研究了滚珠与螺旋滚道面的接触特性，分析求解了轴向载荷作用下的接触变形量、轴向接触刚度以及接触角的变化。在理论分析的基础上，还借助于有限元软件Abaqus对不同负载条件下滚珠丝杠副的接触变形量进行了仿真，并和计算结果进行了对比。
　　然后在考虑离心力和陀螺力矩的条件下，对高速工况下滚珠的运动状况和受力状况进行了理论分析。在上述理论分析的基础上，又借助多体动力学软件Adams进行了不同转速下滚珠丝杠副的动力学仿真分析，探究了高转速对滚珠丝杠副运动状况和受力状况的影响。
　　在上述滚珠受力分析的前提下，通过分析摩擦力的来源，建立出摩擦力矩的理论模型后，对摩擦力引起的发热和温升进行了理论计算，探究了高速工况下摩擦力对丝杠副动态性能的影响。为了减小摩擦力矩带来的不良影响，又建立了以减小摩擦力矩为目标的优化模型，并借助MATLAB进行了寻优计算。
　　而后，本文分析了高速工况下滚珠丝杠副传动过程中振动、噪声的来源，并结合航天伺服机构用滚珠丝杠副的特点，对丝杠副进行了模态分析求解出固有频率。
　　最后，通过实验测试出不同转速下滚珠丝杠副引起的轴承座和套筒的振动特性和温升，探究了高转速对整个丝杠副动态特性的影响。