薄壁四点接触球轴承接触特性研究

作     者：王赞强 

作者单位：佛山科学技术学院 

学位级别：硕士

导师姓名：方新国

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：薄壁四点接触球轴承 静力学 模态分析 瞬态动力学 热力耦合 结构优化 

摘      要：薄壁轴承是工业机器人的核心配件,薄壁轴承的运动精度及承载能力的稳定性将直接影响工业机器人的使用性能。本文以薄壁四点接触球轴承为研究对象,使用ANSYS对薄壁四点接触球轴承进行了逐步深入的仿真研究,首先进行静力学分析,接着进行振动特性分析、然后进行瞬态动力学分析,最后进行热力耦合瞬态动力学分析以及根据接触特性对该轴承进行结构优化。为工业机器人薄壁四点接触球轴承的结构优化及性能提升提供参考依据。本文的具体研究内容如下:首先,根据Hertz接触理论及ANSYS对薄壁四点接触球轴承的静力学进行分析。分析结果表明:在受径向力作用下,轴承呈现四点接触的受力情况,仿真求解结果与理论值的相对误差为1.07%,验证了本文所建立的仿真模型的正确性。其次,采用ANSYS的模态分析模块对薄壁四点接触球轴承进行模态分析,对比了不同约束状态下薄壁四点接触球轴承的模态频率和模态振型的变化以及进行了共振特性分析。分析结果表明:外圈固定约束下轴承的各阶固有频率以及振动幅值均高于内圈固定时。根据共振转速图分析得出薄壁四点接触球轴承在内圈转速800r/min时,可能会发生一阶激振力频率所引起的共振现象。再次,对薄壁四点接触球轴承进行瞬态动力学分析。分析结果表明:最大的接触应力的位置偏离了径向力垂直作用处与静力学分析的情况有所区别。另外,获取了在瞬态动力学分析时载荷对应力和应变的影响关系。然后,采用ANSYS进行热力耦合分析。分析结果表明:薄壁四点接触球轴承中滚动体的温度最高,其次温度由高到低的部件分别为轴承内圈、外圈和保持架。另外,获取了载荷与转速对温升的影响情况。并将热力耦合与不考虑热力耦合时的动力学特征进行对比分析。最后,根据所得的薄壁四点接触球轴承的特性,采用ANSYS优化模块中的遗传算法功能,以轴承的内圈曲率半径、外圈曲率半径以及滚动体的直径作为优化参数,以轴承的应力与应变作为输出目标进行薄壁四点接触球轴承的结构优化。