滚珠丝杠传动副的接触力学模拟与静动态特性分析

发布时间：2017-04-20 15:10

  本文关键词：滚珠丝杠传动副的接触力学模拟与静动态特性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精密滚珠丝杠副是数控机床进给系统的关键部件,由于它具有精度高、刚度高、摩擦小等性能,被广泛应用于数控机床、精密机械传动装置等相关高精密领域。它的精度和各项性能直接影响数控机床的定位精度和重复定位精度,进而影响数控机床的加工精度。研究滚珠丝杠进给系统,特别是滚珠丝杠副工作过程中的滚珠与导珠管碰撞、滚珠与螺旋滚道的接触变形和静动态特性等规律,可以对滚珠丝杠副的设计与使用提供指导,对促进我国机床等高精密领域的发展有重要意义。 本文应用赫兹接触理论、碰撞力学等对滚珠丝杠副中的滚珠在滚珠螺旋滚道中受力和弹性接触进行分析,研究滚珠丝杠传动副的静动态特性及滚珠与导珠管之间的接触碰撞分析。主要研究工作如下: (1)分析了滚珠丝杠副发展历程和国内外研究现状,说明研究滚珠丝杠副性能的重要意义。详细介绍了滚珠丝杠副的工作原理、特点以及结构形式。 (2)系统介绍了滚珠丝杠副中的滚珠在螺旋滚道内的运动和受力特点,研究了滚珠的自转和公转速度、滑移特性。利用赫兹接触理论分析了滚珠与丝杠和螺母螺旋滚道面的弹性接触问题,并通过有限单元法对简化的模型进行了应力、应变和接触压力分析。由分析可知滚珠与丝杠滚道的接触压力大于滚珠与螺母滚道的接触压力。因此在工作中丝杠滚道的磨损大于螺母滚道的磨损,这为滚珠丝杠副的结构设计与材料选择提供依据。 (3)系统评述了滚珠丝杠的应变、应力分析与支撑方式的变化规律,通过有限元ANSYS分析与理论模型进行对比。得出结论两端固定支撑的滚珠丝杠的轴向变形呈二次抛物线变化规律,一端固定支撑的滚珠丝杠的轴向变形呈线性增长,两端固定的支撑方式变形量最小,两端固定支撑方式的轴向刚度最好。 (4)介绍了模态分析方法,阐述了滚珠丝杠副整体建模过程中的问题和解决办法,利用有限元软件HyperMesh和ABAQUS对整体的滚珠丝杠副进行了模态分析,得到了三种不同支撑方式下滚珠丝杠副的固有频率和振型,讨论了不同支撑方式的适用场合。模态分析结果反映了结构的动力学特性,为滚珠丝杠副的设计、评价与使用提供依据。 (5)建立了滚珠与导珠管的碰撞接触理论模型,分析了影响滚珠碰撞力的主要因素,利用CATIA和ADAMS软件对滚珠碰撞模型进行建模和动力学仿真。分别对一个滚珠、两个滚珠和四个滚珠与导珠管碰撞的碰撞力进行分析,讨论了不同材料和不同滚珠入口速度对于碰撞力的影响。通过对滚珠与导珠管的碰撞力仿真研究,可知导珠管的弯管处碰撞力比较大,入口速度越大碰撞力越大,材料密度的增加也使碰撞力增加。因此导珠管设计和弯管半径的优化是今后研究的重点内容。 本文的研究成果对滚珠丝杠副的设计与使用提供了理论依据,为我们自主研发精密的滚珠丝杠副提供了相应的技术支持,对提高我国数控机床和高精密仪器设备的制造水平具有重要意义。 论文工作得到科技部国际合作与交流专项项目“微纳米尺度复杂表面切削加工技术及装备”(2010DFA72000) 2009.5-2012.5的资助。
【关键词】：滚珠丝杠副 接触分析 模态分析 碰撞动力学 有限元
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义12-13
• 1.1.1 选题的背景和意义12-13
• 1.2 滚珠丝杠副的分类和传动原理13-14
• 1.2.1 滚珠丝杠副的分类13
• 1.2.2 滚珠丝杠副的传动原理13-14
• 1.3 滚珠丝杠副的结构形式和特点14-15
• 1.3.1 滚珠丝杠副的结构形式14-15
• 1.3.2 滚珠丝杠副的特点15
• 1.4 国内外相关技术发展趋势和研究现状15-18
• 1.4.1 国内外发展现状15-16
• 1.4.2 滚珠丝杠副国内外研究现状16-18
• 1.5 研究内容和技术路线问题解决18-19
• 1.5.1 研究内容18-19
• 1.5.2 研究技术方案及技术路线问题解决19
• 1.6 本章小结19-20
• 第2章 滚珠在滚珠丝杠副中的运动受力与接触分析20-36
• 2.1 引言20
• 2.2 滚珠的基本运动特性20-23
• 2.2.1 滚珠的自转运动和公转运动20-23
• 2.3 滚珠的受力情况和楔紧效应23-25
• 2.3.1 滚珠受同一直径线上的一对法向力作用23-25
• 2.3.2 滚珠丝杠副的楔紧效应25
• 2.4 滚珠在滚珠丝杠副中的运动和受力分析25-30
• 2.4.1 滚珠丝杠副中滚珠的运动特性25-28
• 2.4.2 滚珠在工作滚道的受力情况和滑移特性28-30
• 2.5 单螺母滚珠丝杠副中的滚珠弹性接触分析30-31
• 2.5.1 滚珠与丝杠和螺母滚道的主曲率值30
• 2.5.2 滚珠与螺旋滚道接触位移30-31
• 2.6 基于有限元的滚珠与丝杠和螺母的弹性接触分析31-35
• 2.6.1 有限元模型简化建模32
• 2.6.2 模型的有限元前处理32-33
• 2.6.3 接触有限元计算结果33-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第3章 滚珠丝杠应变分析与支撑方式的影响规律36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 滚珠对丝杠的作用力和支撑方式36-40
• 3.2.1 丝杠螺母机构常用的支撑方式36-37
• 3.2.2 滚珠丝杠的轴向变形和理论计算37-39
• 3.2.3 不同支撑方式的变形分析39-40
• 3.3 基于有限元的丝杠应力应变分析40-44
• 3.3.1 有限元软件的介绍40-41
• 3.3.2 实体建模41
• 3.3.3 丝杠的网格划分41-42
• 3.3.4 模型约束和载荷施加42-44
• 3.4 滚珠丝杠的轴向变形与丝杠的的支撑方式关系44-47
• 3.4.1 丝杠变形量与不同支撑方式的有限元分析44-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 滚珠丝杠副整体建模和有限元模态分析48-60
• 4.1 引言48
• 4.2 模态分析介绍和有限元模态分析理论基础48-49
• 4.2.1 模态分析介绍48
• 4.2.2 有限元模态分析理论基础48-49
• 4.3 滚珠丝杠副三维模型的建立49-51
• 4.3.1 CATIA 三维实体建模49-50
• 4.3.2 装配体的干涉检验50-51
• 4.4 滚珠丝杠副的模态分析51-58
• 4.4.1 有限元分析流程51
• 4.4.2 利用HyperMesh 划分网格51-53
• 4.4.3 两端固定支撑的滚珠丝杠副的模态结果分析53-57
• 4.4.4 一端固定一端支撑滚珠丝杠副的模态分析57-58
• 4.4.5 一端固定一端自由滚珠丝杠副的模态分析58
• 4.5 本章小结58-60
• 第5章 滚珠丝杠副滚珠与导珠管接触碰撞动力学仿真60-72
• 5.1 前言60
• 5.2 滚珠碰撞接触理论模型分析60-63
• 5.2.1 碰撞力与碰撞时间的理论公式60-63
• 5.3 影响碰撞力的主要因素分析63
• 5.3.1 碰撞力的影响因素分析63
• 5.4 滚珠循环反向过程动力学仿真63-66
• 5.4.1 滚珠与导珠管碰撞的实体和约束模型64-65
• 5.4.2 碰撞接触力的变化65-66
• 5.5 滚珠运动过程中影响碰撞力的因素分析66-71
• 5.5.1 滚珠的不同入口速度对碰撞力的影响66-67
• 5.5.2 滚珠不同材料特性对碰撞力的影响67-68
• 5.5.3 两个相邻滚珠循环过程中的运动仿真68-69
• 5.5.4 相邻四滚珠循环过程的碰撞动力学仿真69-71
• 5.6 本章小结71-72
• 第6章 结论与展望72-74
• 6.1 本文的主要工作总结72-73
• 6.2 论文工作展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 作者和成果简介79

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李斌;涂智萌;毛宽民;余训星;;滚珠丝杠模态试验及其有限元法动力学建模[J];华中科技大学学报(自然科学版);2013年08期

2 张瑞华;;基于HyperMesh的滚珠丝杠有限元分析[J];组合机床与自动化加工技术;2013年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 张明鑫;滚珠丝杠螺母结合面参数识别及其进给系统研究[D];南京理工大学;2013年

2 张陈灵;高承载工况下滚珠丝杠副的接触变形与刚度分析[D];南京理工大学;2013年

  本文关键词：滚珠丝杠传动副的接触力学模拟与静动态特性分析，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：318935