轴承预紧力的确定

1、北京工业大学毕业设计（论文)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1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CADJ!彳TBT30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 ）摘要高速电主轴是加工中心

2、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BT3CS电主轴为本g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IAbstractHighspeedmotorizedspindleis

3、themachiningcentercorefunctioncomponenthascompactstructure,smallinertia,highspeed,gooddynamicpropertyandmanyotheradvantagesiswidelyusedinthehighspeedmachinetool.Themachinetoolspindleunitbearingpreloadisreasonableornotdirectlyrelatedtothespindleofthestaticanddynamiccharacteristics,itisnecessaryfromthebearingpreloadmethodselectionandpretighteningforcesizedeterminationtwoaspectscarriesontheanalysisresearch.Inthispaper,basedontheprecisionspindlebearingsystemstructuraldynam,icstatic,thermalanalysis,t

4、hroughtheinfluenceofbearingstiffnessthebindingsiteofshaftingstiffnesscharacteristicfactorsthroughthebearingradialloadfriction,heatandtemperaturefieldchangebeaboutspeedpreloadtobearingtemperatureriseofdynamicstiffnessandshaftingstiffnesseffectoflaw.BasedontheBT30typeelectricspindleasthemodelusinginventortoestablishthethree-dimensionalanalysismodelselectedbearingtype7212crespectively,throughmathematicalcomputationandSimulationonthebearingstiffnessandheatwerestudiedanalyzedthebearingfrictiontorque,

5、motor,loadandstiffness,tostudythethermalcharacteristicsandpretighteningforceontheinfluenceofbearingstiffnesandcarriesonthesimulationexperiment,finallygotthebestbearingpreload.Inengineeringpractice,thebearingsystemstiffnesstoimproveaxialrotationprecision,thevibrationnoiseandensuretheservicelifeofthebearingisveryadvantageousinthisareatodoresearchtobeabletooptimizethebearingshaftingstiffnessresearchfieldthedevelopmentofstimulativeeffect.Keywords:highspeedspindlebearingrigiditybearingheatingtemperat

6、urefieldbearingpreload北京工业大学毕业设计（论文 ）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9iii北京工业大学毕业设计（论文 ）3.1.1 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

7、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)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

8、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，其接触变形肯定比未预紧轴承的接触变形要小，因此可以提高轴承的支承刚度，同时还可以补偿轴承在使用中一定的磨损量。预紧后的轴承受到工作载荷时，其内外圈的径向及轴向的相对位移量要比未预紧的轴承大大的减少。定位预紧的圆锥滚子轴承，由于挡边与滚子端面的跑合而减少预紧量，因此轴承跑合一段时间温度也相应地下降。预紧量越大，滚子与挡边跑合导致的温度下降尤为显著。表面粗糙度越粗，跑合引起预紧量减少越多。定压预紧时，即使产生跑合，轴承游隙（预紧）及轴向负荷的实际水平也无变化，因此，轴承的温度不变。1.

9、2 研究背景综述1.2.1 背景随着生产和科技的高速发展，机床日益向高速、高效、高精度和自动化方向发展。其中高速精密数控机床因其生产上的高柔性、高精度、高速度、高效率和高可靠性，因而广泛应用于汽车、摩托车、纺织、仪器仪表、航空航天、机械、机床等各行各业，所处的地位就变得越来越重要。主轴系统是整个机床的心脏，它所起到的作用是至关重要的。而轴承在主轴系统中的主要作用是承担径向载荷。也可以理解为它是用来固定轴的。就是固定轴使其只能实现转动，而控制其轴向和径向的移动。电机没有轴承的后果就是根本不能工作。因为轴可能向任何方向运动，而电机工作时要求轴只能作转动。从理论上来讲不可能实现传动的作用，不仅如此，轴承还会影响传动，为了降低这个影响在高速轴的轴承上必须实现良好的润滑，有的轴承本身已经有润滑，叫做预润滑轴承，而大多数的轴承必须有润滑油，负载在高速运转时，由于摩擦不仅会增加能耗，更可怕的是很容易损坏轴承。而预紧力不同对轴承刚度和发热的情况也不同，为了避免因为预紧力过大或者过小而导致轴承刚度变化和温度变化，进而导致轴承失效。需要进行大量的实验进行验证轴承的最佳预紧力。温升过高是导致轴承提前失效的罪魁祸首。所以控制温升将是延长高速轴承（即机械设备）使用寿命的关健。高速轴承温升的主要原因有以下三点：1 .轴承安装在轴承座内结构的合理性；2,轴承与轴承座之间的公差配合的恰当性；3.润滑脂选取的适合性。本课题研究的内容属于国家科技重大专项-精密超精密数控机床创新能力平台一一高档数控机床与基础制造装备”，项目编号为2011ZX04016-011。并根据研究需要，搭建了实验台。之后将对本文的研究对象轴承最佳预紧力进行试验验证。1.2.2国内外发展现状与趋势：（1）国内研究现状国内机床主轴设计中预紧力大小的选择大多依据经

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