滚珠丝杠副优化设计选型工具开发及应用

摘要

滚珠丝杠副作为一种高精度、高效率的滚动功能部件被广泛的运用于装备制造、汽车交通、航空航天等领域。优化设计选型对于滚珠丝杠副性能发挥至关重要，因此滚珠丝杠副优化设计选型的工具开发与应用是一项十分有意义的研究内容。
　　本文首先从滚珠丝杠副优化设计选型理论研究入手，提出丝杠优化设计选型“三步法”:初步选型、性能校核和优化选择。以最小导程、最小底径和预期额定动载荷作为标准完成初步选择，针对被选丝杠使用性能进行校核并巧妙地提出通过丝杠拉压刚度预估滚珠丝杠副系统传动刚度简化算法，优化选择部分所提出刚度、载荷分布、寿命和几何尺寸四个优化选择量化标准是本文核心创新点之一。滚珠丝杠副滚动体载荷分布研究中根据弹性体特性创新地提出滚珠丝杠副受力模型——等效弹簧理论模型。该模型的意义在于能够高效快捷地计算出载荷随滚动体分布情况，为滚珠丝杠副优化设计选型理论中载荷分布量化优选标准奠定了理论基础。本文提出单元丝杠等效弹簧刚度计算方法并对载荷分布的影响因素进行了详细地分析，等效弹簧理论模型的正确性得到了数值计算和有限元仿真方法的双重验证。接触刚度优选理论研究中提出的轴向接触变形系数Ka是一个独立于工作载荷大小只与滚珠丝杠副本身结构尺寸和材料有关的系数，该系数的意义在于为滚珠丝杠副刚度优选量化标准提供了理论支撑。该部分由两自由弹性体接触研究入手，明晰应力分布与接触变形的关系，提出接触刚度的详细计算方法并分析接触角、螺旋升角、滚动体数量等参数对轴向接触刚度量化影响。文章最后分析了丝杠副优化设计选型工具使用户需求和现有产品优劣之处，定义软件框架与功能模块，在“三步法”优化选型理论基础上完成滚珠丝杠副优化设计选型工具的设计与开发。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．3 课题背景和研究内容

1．3．1 课题背景

1．3．2 研究思路与内容

2 滚珠丝杠副优化设计选型理论研究

2．1 初步选择

2．1．1 最小导程确定

2．1．2 预期额定动载荷计算

2．1．3 最小底径估算

2．2 性能校核

2．2．1 预紧力计算

2．2．2 行程补偿值和预拉伸力

2．2．3 传动系统刚度校核

2．2．4 精度确定

2．2．5 额定静载荷校核

2．2．6 临界压缩载荷校核

2．2．7 极限转速校核

2．2．8 Dn值校核

2．3 优化选择

2．3．1 刚度量化优选

2．3．2 载荷分布量化优选

2．3．3 寿命量化优选

2．3．4 尺寸优选

2．4 选型计算案例

2．5 本章小结

3 滚珠丝杠副滚动体载荷分布研究

3．1 等效弹簧理论模型的建立

3．1．1 螺母受压状态下等效弹簧理论模型

3．1．2 螺母受拉状态下等效弹簧理论模型

3．1．3 单元等效弹簧刚度

3．1．4 滚动体载荷分布影响因素

3．2 数值计算分析

3．3 有限元仿真分析

3．3．1 有限元模型建立

3．3．2 网格划分

3．3．3 约束、载荷施加

3．3．4 有限元计算结果分析

3．4 等效弹簧理论模型验证

3．5 本章小结

4 滚珠丝杠副轴向接触变形系数研究

4．1 两自由弹性体接触研究

4．2 轴向接触刚度影响因素

4．3 轴向接触变形系数计算

4．3．1 赫兹理论

4．3．2 接触点主曲率和

4．3．3 轴向接触变形系数

4．4 本章小结

5 滚珠丝杠副优化设计选型工具设计与开发

5．1 优化设计选型工具总体设计

5．1．1 需求分析

5．1．2 现有产品分析

5．1．3 软件结构设计

5．1．4 软件功能模块设计

5．2 优化设计选型核心算法程序实现

5．3 数据库建立

5．4 交互界面设计

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要研究成果及结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况