基于液力驱动弹性体自适应预紧机构设计研究

摘要

为了适应现代加工所追求的高速、高精度及高效率的加工要求，高速主轴的调速范围不仅在跟着不断扩大，而且还要求主轴具备低速大转矩和高速大功率的性能特点。这也就要求主轴在低速时应具备高刚度和高速时应具备良好的稳定性能。而对主轴单元中的轴承进行预紧，则是提高主轴刚度和回转精度的关键方法。高速角接触球轴承凭借自身良好的高速性能和支撑性能已经成为主轴单元中轴承类型的最佳选择。而对其力学性能进行分析和研究，则是研究轴承最佳预紧力的基础。本文围绕着主轴单元中广泛使用的高速角接触球轴承的力学特性及如何建立可控预紧模型展开了分析研究。主要内容包括:
　　(1)基于Hertz接触理论及拟动力学分析方法，对主轴单元中常用的高速角接触球轴承的刚度、接触载荷、接触角、旋滚比、摩擦力矩等特性参数进行分析，研究预紧力对其影响的规律。又通过建立轴承的有限元模型，对其进行热仿真分析，研究预紧力、转速与轴承温升之问的关系，为可控预紧建模奠定理论基础。
　　(2)基于轴承载荷分布预紧力分析，确定了轴承所需最小预紧力的计算方法。鉴于定位预紧和定压预紧方式在主轴预紧方式中存在的问题，提出了以轴承允许的合理温升为控制目标的可控预紧力模型。
　　(3)为了实现主轴中轴承所需预紧力在不同转速下可动态调节的目标。本文提出了一种以液压系统作为驱动单元，变形预紧结构作为执行器来对主轴单元中的轴承的外圈施加可调预紧力的方法。同时为了研究预紧结构的变形情况，将其简化厚度不规则的空心杆力学模型，并对其变形情况进行理论分析。又通过建立该预紧结构的有限元模型，对其变形情况进行仿真分析，并将仿真数据同理论数据进行对比分析，最终验证了该可调预紧结构模型的可行性以及理论模型的正确性。鉴于预紧结构的壁厚δ及内部油腔结构尺寸a、b是决定其变形的主要因素，又通过采用多目标模糊优化设计的方法来对该可调预紧模型的结构尺寸进行优化，经过模糊优化设计后，其沿X轴产生的轴向变形量提高了54.36％，沿Y、Z轴的径向变形量分别下降了61.41％、61.41％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高速角接触球轴承力学特性研究现状

1．2．2 高速主轴单元预紧方式现状研究

1．3 课题研究目的、意义及主要研究内容

第二章 高速角接触球轴承拟动力学分析

2．1 引言

2．2 轴承中坐标系的选取

2．3 高速角接触球轴承滚动体的运动分析

2．3．1 滚动体的公转运动和自转运动

2．3．2 滚动体的自旋运动和陀螺运动

2．4 高速角接触球轴承滚动体的受力分析

2．4．1 滚动体上的离心力

2．4．2 滚动体上的陀螺力矩

2．4．3 滚动体的Hertz接触

2．5 高速角接触球轴承接触变形几何分析

2．6 拟动力学方程组的求解与验证

2．7 本章小结

第三章 高速角接触球轴承力学性能分析及动态热特性分析

3．1 引言

3．2 轴承力学性能分析

3．2．1 预紧力对轴承接触角的影响分析

3．2．2 预紧力对滚动体接触载荷和接触应力的影响分析

3．2．3 预紧力对轴承刚度的影响分析

3．2．4 预紧力对轴承旋滚比的影响分析

3．2．5 预紧力对轴承摩擦力矩的影响分析

3．3 轴承摩擦热计算

3．4 轴承发热有限元仿真分析

3．5 本章小结

第四章 主轴轴承预紧力计算方法及预紧方式特性研究

4．1 引言

4．2 基于轴承载荷分布预紧力分析

4．2．1 轴承内部载荷分布分析

4．2．2 轴承最小预紧力的求解

4．3 主轴轴承预紧方式特性分析

4．3．1 定位预紧与定压预紧对轴承接触变形的影响

4．3．2 定位预紧与定压预紧对轴承刚度的影响

4．4 本章小结

第五章 基于液压驱动的可调预紧机构设计研究

5．1 引言

5．2 可调预紧结构设计

5．2．1 可调预紧机构的设计原理

5．2．2 可调预紧机构的控制方法

5．2．3 预紧结构变形理论分析

5．3 可调预紧机构模型变形有限元仿真分析

5．3．1 预紧机构产生的轴向位移、预紧力与压强之间的关系分析

5．3．2 预紧机构产生的轴向位移、预紧力与壁厚之间的关系分析

5．3．3 预紧机构产生的轴向位移、预紧力与油腔尺寸之间的关系分析

5．4 可调预紧机构性能分析

5．5 可调预紧结构模型的多目标模糊优化设计

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本学位论文的研究成果

6．2 工作展望

参考文献

发表论文与参加科研情况

附录

致谢