主轴轴承预紧力自调节系统研究

关于主轴轴承预紧力自调节系统研究的

摘要

机床等主轴部件的转速高，易发热，引起轴承温升的主要因素有：1，转速升高，使作用在轴承滚珠上的离心力和陀螺力矩增加，使摩擦力矩增加；2，温度升高使轴承膨胀，从而增加预紧力，使摩擦力矩增加。若在成对使用的轴承中间采用双层套筒，两个套筒的材料和长度均不同，利用其热膨胀率的不同而产生的变形差，减小轴承所受预紧力，使摩擦力矩减小，温度便逐渐降下来。

本文以角接触球轴承为例，通过分析计算轴承在各种预紧载荷作用下不同转速的摩擦力矩、功率损耗，用有限元软件进行模拟热分析，得到各种预紧情况下温度与转速的关系曲线，及各转速下温度与预紧力的关系曲线。根据轴承工作环境温度要求、套筒伸长量和预紧力的关系，分析温度降低所套筒变形量。根据套筒的伸长量-温度曲线，设计套筒的最佳长度，使其伸长量满足上述变形量的要求。由于主轴正常工作需限制最低预紧力，且预紧力的减小带来的温度降低量有限，所以本文所述结构只能在一定转速范围内有较好的效果。尽管如此，它已能满足中高速机床的要求，且费用低使用方便，因此仍有实用价值。

关键词 ： 虚拟设计； 预紧力；有限元热分析

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ABSTRCT

With the increasing of the rotational speed of the

machining tool spindle, it’s temperature rises very fast. Two main factors cause it. First, the increase of the centrifugal torque and gyro torque make the friction increase. Second is the expansion of the bearings make the preload grow, then the friction increases. In order to reduce the temperature, a structure may be used. Two quills machined by two kinds of material which rate of expansion are different, are installed between the inner(or external)raceways of twin bearings. Their lengths are distinct. The preload reduced by the expanded quill. So the friction decreases, and the temperature drops.

On basis of the high speed angular contact ball bearing

of the 5-axis machining center, analysis the relation of the expanded length of quills, the reduced preload and the dropped temperature. The heat and temperature change has been calculated by finite element analysis method and thermodynamics simulation. The expect result is that perfect two quills are designed, i.e. their material kinds and initial length are proper to the needs of temperature dropping.

KEY WORDS : virtual designing; preload; thermal analysis

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目录

前言 （1） 第一章 概述 （2） 1.1 技术背景 (2) 1.2 课题概述 (2) 第二章 系统方案选择 （4） 2.1 现有方案分析 （4） 2.2 具体方案确定 （6） 第三章 主轴发热和温升计算 （11） 3.1 三维有限元的基本理论 （11） 3.2 有限元分析过程 （13） 3.3主轴发热和温升计算 （14） 3.4计算结果分析 （31） 第四章 预紧力自调节结构具体设计 （40） 4.1滚动轴承预紧原理 （40） 4.2 预紧载荷的确定 （42） 4.3 套筒尺寸设计 （49） 4.4 结果分析 （72） 4.5 压电陶瓷结构预紧力自调节系统 （73）第五章 结论 （75）致谢 （77）参考文献 （78）

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前言

高速化是近年来发展的重要趋势，成对有预紧力的角接触球轴承由于可以提高支撑的刚性，减小振动，因而在高速切削机床中有广泛应用。但速度高，发热也就严重。主轴部件作为机床的心脏，集中地反映了机床的高速能力。主轴转速越高，它的发热也就越严重，可能烧伤轴承，咬死主轴。适当的预紧可以提高轴承的支撑精度、旋转精度、寿命、阻尼和降低噪声。研究表明，随着预紧力加大，温升将越来越大，会大大降低轴承的使用寿命，因此，对轴承的预紧力应有一个最佳值，尤其机床主轴等对旋转精度、噪声、温升等有严格要求的轴系，不仅在初次安装时要控制预紧载荷，而且在使用中也需要调整。因此，某些轴承公司为使预紧载荷处于最佳值，采用专用仪器和某些结构对预紧载荷进行检测和调整，实现预紧载荷控制。为了保证机床能在高低速下均有较高的可靠性，必须在设计阶段对轴部件进行虚拟仿真热性能分析。本文借助于有限元技术可对机床的主要部件进行比较精确的分析计算，得到机床高速时发热的温度。采用轴承预紧力自调节系统，并根据有限元的分析情况，具体设计变预紧力结构。

本次设计主要对轴承及主轴进行载荷分析，采用有限元软件ANSYS进行分析计算等，设计主轴预紧力自调节系统的具体结构及尺寸，并进行调节后的有限元热分析。由于时间及能力有限，如果出现错误，请指导老师及各位评身老师给以指正，在此表示感谢。

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主轴轴承预紧力自调节系统研究

第一章

1.1 技术背景：

现代工业的进步，完全得力于计算机科技的突飞猛进，因此由20世纪进入21世纪，引导人类科技的再次进步是与计算机结合的科技。计算机软件用于产品的开发、设计、分析、制造，已成为近代提升竞争力的主要方法。国内引进的软件包括CAD、CAE、CAM等。CAE中包括有限元法、有限差分法、边界元法等。其中有限元法已广泛应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学以及不同领域的耦合等。开发一件新产品的传统方法是：产品设计——样机制造——性能实验，这种方法开发研制周期长，做实体样机投资大，而且计算量大，所能达到的精度有限。因此，现代设计开发一般采用虚拟制造技术，在计算机上使用CAD、CAE、CAM等软件，设计出满足效果的三维动态模型，可在完成设计后，进行各种仿真如：装配仿真、运动仿真等，进行结构分析、动力学分析、热效应分析等，再进行产品虚拟制造，对模型进行虚拟实验和样机评价等，结果可接反馈修改设计虚拟模型。这样可以缩短产品的开发周期且大大降低成本。

概述

1.2 课题概述：

高速化是近年来发展的重要趋势，成对有预紧力的角接触球轴承由

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于可以提高支撑的刚性，减小振动，因而在高速切削机床中有广泛应用。但速度高，发热也就严重。主轴部件作为机床的心脏，集中地反映了机床的高速能力。主轴转速越高，它的发热也就越严重，可能烧伤轴承，咬死主轴。随着转速的提高，发热的两个主要原因：(1) 作用在轴承滚珠上的离心力和陀螺力矩增加； (2) 温度升高使轴承膨胀，从而增加了预紧力，使摩擦力矩增加。

主轴轴承预紧是指在安装时使滚珠与滚道保持一定的初始压力和弹性变形，以减少工作载荷下轴承的实际变形量。适当的预紧可以提高轴承的支撑精度、旋转精度、寿命、阻尼和降 …… 此处隐藏：6367字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……