轴承预紧力的确定

北京工业大学毕业设计（论文）1北京工业大学毕业设计论文题目：轴承最佳预紧力的确定论文作者：闻琦学科：机械设计及其自动化研究方向：机械制造申请学位：学士学位指导教师：刘志峰副教授所在单位：机械工程与应用电子技术学院答辩日期：2012年5月授予学位单位：北京工业大学北京工业大学毕业设计（论文）2北京工业大学毕业设计（论文）任务书题目轴承最佳预紧力的确定专业机械电子工程学号08010106姓名闻琦主要内容、基本要求等：主要内容：在低速重载下，计算在不同预紧力转速下，轴的刚度和生热，采取有限元法，通过计算轴承刚度和发热量对主轴刚度和温升的影响，研究轴承预紧力对主轴刚度和温升的影响机制。使用三维软件CAD进行BT30型主轴的三维造型，分析工作情况和边界条件，使用ansys进行轴的刚度分析、温度场分析，根据分析结果，确定最佳预紧力。基本要求：1计算预紧力对轴承刚度的影响规律。2计算预紧力和转速对轴承发热的影响规律。3计算轴承温升。4做出高速电主轴的三维模型，利用ANSYS仿真验证。5做出曲线图，确定最佳预紧力。完成期限：2012年6月指导教师签章：专业负责人签章：年月日北京工业大学毕业设计（论文）I摘要高速电主轴是加工中心的核心功能部件，具有结构紧凑、惯性小、转速高、动态特性好等诸多优点，在高速机床中得到广泛应用。其中机床主轴单元轴承的预紧是否合理直接关系到主轴的静、动态特性，有必要从轴承预紧方式的选择和预紧力大小的确定两个方面进行分析研究。本文基于精密电主轴-轴承系统结构动、热态特性分析，通过对影响轴承结合部位刚度、轴系刚度特性因素的研究，根据对轴承径向载荷、摩擦力矩、生热及温度场的变化，得到关于转速、预紧力温升对轴承结合部动刚度和轴系刚度的影响规律。本文以BT30型电主轴为模型，运用inventor建立其三维分析模型，选定了轴承型号为7212c，分别通过数学计算和仿真对轴承的刚度和生热进行了研究，分析了轴承的摩擦力矩、运动、载荷和刚度，研究了热特性和预紧力对轴承刚度的影响，进行了仿真实验，最终得到轴承的最佳预紧力。在工程实际中，提高轴承系统的刚度对提高轴的旋转精度、减少振动噪声和保证轴承寿命都是十分有利的，做这方面的研究能够对优化轴承、轴系刚度的研究领域发展起到一定的促进作用。关键词：高速电主轴轴承刚度轴承生热温度场最佳预紧力北京工业大学毕业设计（论文）IIAbstractHighspeedmotorizedspindleisthemachiningcentercorefunctioncomponent，hascompactstructure，smallinertia，highspeed，gooddynamicpropertyandmanyotheradvantages，iswidelyusedinthehighspeedmachinetool.Themachinetoolspindleunitbearingpreloadisreasonableornotdirectlyrelatedtothespindleofthestaticanddynamiccharacteristics，itisnecessaryfromthebearingpreloadmethodselectionandpretighteningforcesizedeterminationtwoaspectscarriesontheanalysisresearch.Inthispaper，basedontheprecisionspindlebearingsystemstructuraldynamic，static，thermalanalysis，throughtheinfluenceofbearingstiffness，thebindingsiteofshaftingstiffnesscharacteristicfactors，throughthebearingradialload，friction，heatandtemperaturefieldchange，beaboutspeed，preloadtobearingtemperatureriseofdynamicstiffnessandshaftingstiffnesseffectoflaw.BasedontheBT30typeelectricspindleasthemodel，usinginventortoestablishthethree-dimensionalanalysismodel，selectedbearingtype7212c，respectively，throughmathematicalcomputationandSimulationonthebearingstiffnessandheatwerestudied，analyzedthebearingfrictiontorque，motor，loadandstiffness，tostudythethermalcharacteristicsandpretighteningforceontheinfluenceofbearingstiffness，andcarriesonthesimulationexperiment，finallygotthebestbearingpreload.Inengineeringpractice，thebearingsystemstiffnesstoimproveaxialrotationprecision，thevibrationnoiseandensuretheservicelifeofthebearingisveryadvantageous，inthisareatodoresearchtobeabletooptimizethebearingshaftingstiffnessresearchfield，thedevelopmentofstimulativeeffect.Keywords:highspeedspindlebearingrigiditybearingheatingtemperaturefieldbearingpreload北京工业大学毕业设计（论文）III目录摘要...................................................I目录.................................................III第1章绪论............................................11.1课题研究的意义.....................................11.2研究背景综述.......................................21.2.1背景...............................................21.2.2国内外发展现状与趋势：.............................21.3课题研究的主要内容..................................4第二章预紧力对轴承刚度的影响规律......................52.1影响轴承刚度的因素..................................52.2预紧方式和转速的影响................................52.2.1预紧载荷的影响.....................................52.2.2沟道曲率半径的影响.................................62.2.3球数的影响.........................................62.2.4球径的影晌.........................................62.2.5初始接触角的影晌...................................62.3轴承径向刚度的简化计算..............................7第三章预紧力和转速对轴承发热的影响规律...............93.1主轴轴承接触载荷分析................................9北京工业大学毕业设计（论文）IV3.1.1静态预紧状态轴承接触角变化以及轴向位移..............93.1.2轴承变形几何相容方程和载荷平衡方程................103.1.3轴承载荷与位移....................................133.2摩擦力矩的计算.....................................143.2.1轴承摩擦力矩产生机理..............................143.2.2轴承摩擦力矩的计算................................163.2.3轴承生热量计算....................................193.2.4主轴轴承热传递模型................................20第4章主轴轴承温度场仿真分析.........................224.1．主轴刚度的有限元仿真计算..........................224.2．轴承的温度场.....................................23第五章最佳预紧力的确定..............................275.1接触载荷摩擦力矩生热总量计温度的相关计算.........275.2最佳预紧力的确定...................................30结论..................................................31参考文献..............................................32致谢..................................................34北京工业大学毕业设计（论文）1第1章绪论1.1课题研究的意义主轴组件是机床的重要组成部分之一，主轴组件的工作性能，尤其是主轴刚度、温升及热变形对工件的加工质量和机床的生产效率都有重要的影响。在影响主轴性能的诸多因素中，预紧是很关键的一环，增大预紧力可提高轴承刚度，进而提高轴系刚度，减小主轴振动，有利于提高加工质量，但同时也会加剧轴承的发热，降低轴承的使用寿命，并引起主轴温升和热变形的增大，这在主轴高速运转时体现得更加明显．因此，研究预紧力对主轴性能的影响机制并给主轴选择合理的预紧力，对主轴的设计至关重要。轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件，它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。为了提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴的震动，常采用预紧的滚动轴承。如：机床的主轴轴承。所谓预紧，就是在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力，以消除轴承中的轴向游隙，并在滚动体和内外圈接触处产生变形。由于预紧力的作用，滚动体和内、外圈接触处就产生弹性变形，并使接触的面积增大，参与承受力的滚动体就增多，也就有可能在大于180度的范围内滚动体参与受力，有时甚至也可能在360度范围内全部滚动体受力，这样做，肯定比少数几个滚动体受力的情况要好，而且还能多承受负荷。由上述讨论可知，预紧后的轴承工作时，再承受同样的负荷，其接触变形