（机械制造及其自动化专业论文）螺母旋转驱动型滚珠丝杠副热特性分析.pdf

f 燃熘 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翌鸷扭 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：边警扭导师签名：丝缢。日期： 目录 目录 摘j i l 罨1 a b s t r a c t 1 l l 第l 章绪论。1 1 1 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副简介。1 1 2 课题的研究意义2 l3 课题的国内外研究现状2 1 3 。1 滚珠丝杠副的国内外研究现状2 1 3 2 机械机构热态特性的研究现状4 l 。4 课题研究内容6 第2 章传热学理论基础。7 2 1 热量传递概论7 2 1 。l 热传导7 2 1 2 对流传热8 2 1 3 辐射传热。9 2 2 热翘络法篱介9 2 3 传热分析有限元法基本原理l l 2 4 本章小结13 第3 章螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的热网络模型建立1 5 3 1 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的结构设计1 5 3 2 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的热量传递分析1 6 3 3 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的温度节点毒置1 8 3 4 热网络模型的建立2 l 3 5 热平衡方程的建立2 2 3 6 本章小结。2 5 第4 章螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的稳态热分析2 7 4 1 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的热源计算2 7 4 1 1 滚珠螺母端驱动电机的功率损失2 7 山东大学硕十学位论文 曼曼曼皇曼冀鼍曼皇量曼皇嬲甚量曼曼皇黑篡皇曼皇曼邕燃皇曼鼍皇曼黑鼍曼皇曼皇凳嬲葛曼曼皇邕攀拦曼曼曼曼曼燃鼍曼曼曼璺黧黑曼曼曼曼i i i 一 i i i 嬲鼍璺 4 。1 2 滚动轴承的功率损失2 9 4 1 。3 丝杠与螺母在螺旋传动过程中的功率损失3 2 4 2 热阻的计算模型3 3 4 2 1 热阻的概念3 3 4 。2 2 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的热阻计算模型。3 5 4 3 对流换热系数计算模型。3 7 4 3 1 旋转零件与空气间的对流换热系数3 7 4 3 2 轴承与润滑荆之间的对流换热系数3 s 4 3 自然对流换热系数3 8 4 4 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的温度场计算3 9 4 4 1 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副麴计算数据3 9 4 4 2 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副节点温度值的计算4 0 4 4 3 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副热网络理论计算法结果分析4 5 4 。5 螺母旋转驱动型滚珠丝枉副温度场分布的影响因素分析稻 4 5 1 外界环境的影响，4 6 4 5 2 滚珠螺母转速的影响4 8 4 。6 本章小结。鹌 第5 章螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的有限元仿真5 l 5 1a b a q u s 软件简介51 5 1 1a b a q u s 热分析的基本原理：5 1 5 1 。2a b a q u s 热分孝厅的步骤5 2 5 2 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的有限元仿真5 2 5 2 1 创建部件。5 3 5 2 。2 创建材料和截面属性+ 。5 3 5 2 3 设置分析步和历史变量输出5 3 5 2 4 划分网格5 4 5 2 。5 定义边秀条件和载荷5 5 5 2 6 提交分析作业5 5 珏 目泶 曼懋笪曼曼曼皇蔓麓曼曼曼曼璺黑篁曼曼蔓曼曼嬲曼曼皇曼i 1 1 l l i ii i i i i i i u i i l l 5 3 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的温度场分布。5 5 5 。3 。l 螺母旋转驱动型滚珠丝枉副的稳态温度场云匿5 5 5 3 2 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的瞬态温度分析5 7 5 3 3 热网络理论计算与有限元软件仿真的比较6 0 5 4 改善螺母旋转驱动型滚珠丝杠副温度场分布的措施6 l 5 5 本章小结6 2 结论与展望6 3 附录l 软件a b a q u s 中的荤位6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 1 致谢7 3 i n c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i a b s t r a c t i i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o nt ot h er o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i r 1 1 2r e s e a r c hm e a n i n go f t h et h e s i s 2 1 3r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h et h e s i s 2 1 3 1r e s e a r c hs i t u a t i o no f t h eb a l l s c r e w p a i r 2 1 3 2r e s e a r c hs i t u a t i o no f t h e r m a la n a l y s i so f m e c h a n i c a ls t m c t u r e 4 1 41 1 1 em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h et h e s i s 6 c h a p t e r 2t h e o r e t i c a lb a s i so nh e a tt r a n s f e r 7 2 1i n t r o d u c t i o no f h e a tt r a n s f e r 7 2 1 1h e a tc o n d u c t i o n 7 2 1 2h e a tc o n v e c t i o n ：8 2 1 3h e a tr a d i a t i o n 9 2 2i n t r o d u c t i o no ft h e r m a ln e t w o r km e t h o d 9 2 3t h eb a s i cp r i n c i p l eo f a b a q u st h e r m a la n a l y s i s 11 2 4s u m m a r y 1 3 c h a p t e r3m o d e l l i n ge s t a b l i s h m e n to ft h e r m a ls y s t e mo fr o t a t i n gn u tb a l l s c r e w p a i r 1 5 3 1s t m c n l r a 】d e s i g no f t h er o t a t i n gn u tb a u s c r e wp a i r 。1 5 3 2a n a l y s i so nh e a tt r a n s f e ri nt h es y s t e m 16 3 3a r r a n g e m e n to ft h e r m a ln o d ei nt h es y s t e m 18 3 4e s t a b l i s h m e n to ft h e r m a ln e t w o r km o d e l 21 3 5e s t a b l i s h m e n to fh e a tb a l a n c ee q u a t i o n 2 2 3 6s u m m a r y 2 5 c h a p t e r 4s t e a d y - s t a t et h e r m a la n a l y s i so ft h er o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i r 2 7 4 1c a l c u l a t i o nm o d e lo fh e a ts o u r c e s 2 7 由东大学硕士学德论文 4 1 1c a l c u l a t i o nm o d e lo fp o w e rl o s so fd r i v em o t o r 2 7 4 1 2c a l c u l a t i o nm o d e lo fp o w e rl o s so fb e a r i n g 。2 9 4 1 3c a l c u l a t i o nm o d e lo fp o w e rl o s so fb a l l s c r c wp a i r 3 2 4 2c a l c u l a t i o nm o d e lo f h e a tr e s i s t a n c e 3 3 4 。2 1i n 扛o d u c f i o no fh e a tr e s i s t a n c e 3 3 4 2 2c a l c u l a t i o nm o d e lo fh e a tr e s i s t a n c eo f t h eb a l l s c r e wp a i r 3 5 4 3c a l c u l a t i o nm o d e lo fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 3 7 4 3 。1h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e nr o t a t i n gp a r ta n da i r 3 7 4 3 2h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e nb e a r i n ga n dl u b r i c a n t 3 8 4 3h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fn a t u r a lc o n v e t i o n 3 8 4 。4c o m p u t a t i o no ns t e a d y - s t a t et e m p e r a t u r ef i e l do f b a l l s c r e w p a i r 3 9 4 4 1c a l c u l a t i o nd a t ai nt h es y s t e m 3 9 4 4 2c a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ev a l u eo f e a c hn o d ei nt h es y s t e m 4 0 4 4 3a n a l y s i so nc a l c u l a t i o nr e s u l to f t h e r m a ln e t w o r ko f t h es y s t e m 4 5 4 5f a c t o ra n a l y s i so nt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no fb a l l s c r c wp a i r 4 6 4 ! ；1i n f l u e n c eo fe x t e m a le n v i r o n m e n t 4 6 4 5 2i n f l u e n c eo f r o t a t i o n a ls p e e do fn u t 4 9 4 6s u m m a r y 4 9 c h a p t e r5f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no nt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i n gn u t b a l l s e r e wp a i r 。51 懿 5 1i n t r o d u c t i o no f a b a q u ss o f t w a r e 。5 1 1 ；1 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo f a b a q u st h e r m a la n a l y s i s 51 5 。1 2t h eb a s i cp r o c e d u r e so f a b a q u st h e r m a la n a l y s i s 5 2 5 2f i n i t ee l e m e n ts i m u l m i o no nt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i n gn u tb a l l s c r e w p a i r 5 2 5 2 1p a r tc r e a t i n g 5 3 5 2 。2m a t e r i a la n ds e c t i o nc r e a t i n g 5 3 5 2 3s t e ps e t t i n g 5 3 5 2 4m e s h i n g 5 4 5 2 5b o u n d a r yc o n d i t i o na n dl o a dc r e a t i n g 5 5 5 2 6j o bs u b m a t t i n g 5 5 5 3t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no f r o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i r oooooo oggoooi65 5 5 3 1c o n t o u r so fs t e a d y s t a t et e m p e r a t u r ef i e l do ft h es y s t e m 5 5 5 3 2t e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n a l y s i so ft h es y s t e m 5 7 5 3 3r e s u l tc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e r m a ln e t w o r km e t h o da n df i n i t ee l e m e n t s i r n u l a t i o n ”6 0 5 4m e a s u r e si m p r o v i n gt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no f t h es y s t e m 6 1 5 5s u m m a r y ，! “6 2 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 3 a p p e n d i x1u n i t so f a b a q u s s o f t w a r e 6 5 r e f e r e n c e s 6 7 p u b l i s h e dp a p e r sa n ds c i e n t i f i ca c h i e v e m e n t s “7 l a c k n o w l e d g e m e n t s “7 3 i i i 摘要 摘要 螺母旋转驱动型滚珠丝桎割是一种撅型机构。宅可以使质量较大的丝枉静止 不动，质量较小的螺母转动兼直线运动予身，从而提高螺旋传动精度，降低设 备嗓声，节省能源，增加系统安全性。 综合摩擦学、簧热学和有限元法等理论，本论文对螺母旋转驱动型滚珠丝桎 剐在给定工况下的热特性进行了分析。具体研究内容主要包括； 1 建立了螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的模擞，分析了该系统的热量传递路线， 对该枫檎进行溢度节点熬布置，画出了热网络模型图，应用基尔霍夫定律，列出 了系统中各节点的热平衡方程组。 2 建立了系统的热源、热阻以及对流换热系数的计算模型，根据已知参数和 计算数据，应糟软 拳m a t l a b 计簿凄了系统内各节点的温度傻，绘缝节点温度 曲线，分析了些参数对系统温度场分布的影响。 3 建立了系统的有限元模型，引入热网络法的计霹结果作为边界条件，运用 软斧a b a q u s 仿真壤了系统鲢稳态溢度场分布云图，分析了系统肉重要部彳孛温度 馑随时间的变化蓝线，并将热网络理论计算法和有限元软件仿真得到的温度值进 行了比较。 4 。提出了一些教善系统温度场分布抟措施。 通过以上的研究工作，本论文完成了对螺母旋转驱动型滚珠丝杠副温度场的 理论计算与软件仿真，为系统进一步的热应力和热变形分析补偿奠定了基础，同 时也麦枫梅的优纯提供了重要依据。 关键词螺母旋转驱动型滚珠丝杠副；温度场；热网络法；有限元仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t 丑l er o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i ri san e w t y p em e c h a n i s m 1 b i l et h eh e a v i e rs c r e w i sf i x e d ，t h el i g h t e rn u t sr o t a t i n gm o t i o ni sc o m b i n e d 谢t l lt h el i n e a rm o t i o n ，w h i c hh a s a d v a n t a g e so fh i 醢t r a n s m i s s i o np r e c i s i o n , ，l o we q u i p m e n tn o i s e ，l o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，h i 曲s y s t e ms e c u r i t ya n ds oo n , a c c o r d i n gt ot h et h e o r i e so ft r i b o l o g y , h e a tt r a n s f e ra n df i n i t ed e m e n tm e t h o d , t h e p a p e ra n a l y z e st h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i ri nc e r t a i n e o n d i t i , o r l s t l e 如t a i l e dr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h en e wt y p em e c h a n i s mo fr o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i ri db u i l t ，a n dt h ep a t h o fh e a tt r a n s f e ri nt h es y s t e mi sa n a l y z e d t h e nt h et h e r m a ln o d e si nt h em e c h a n i s ma r e a r r a n g e dr e s p e c t i v e l ya n dt h et h e r m a ln e t w o r kd i a g r a m i s m a p p e d 。b a s e d0 n k i r c h h o f f sl a w , t h eh e a tb a l a n c ee q u a t i o no f e a c hn o d ei se s t a b l i s h e d s e c o n d , t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so fh e a ts o u r c e , ，h e a tr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e r c o e t j f l c i e n ta l ed e t e r m i n e d b a s e do nt h eg i v e np a r a m e t e r sa n dc o m p u t a t i o n a ld a t a , t h e t e m p e r a t u r ev a l u eo fe a c hm o d ei nt h es y s t e mi sc a l c u l a t e du s i n gm a t l a b ，a n dt h e n o d e - t e m p e r a t u r ed i a g r a mi s d r a w n t h e nt h ee f f e c to fs o m ep a r a m e t e r so nt h e t e m p e r a t u r ef i e l do f t h em e c h a n i s m i sa n a l y z e d 。 n l i r d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e io ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e d ：t h ec a l c u l a t e dd a t ao f t h et h e r m a ln e t w o r km e t h o di si n t r o d u c e da st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n , a n dt h ea b a q u s s o f t w a r ei su s e df o r t h es i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e md i s t r i b u t i o no ft h e m e c h a n i s m a l s ot h ec h a n g el a wo ft h et e m p e r a t u r ew i t ht i m e o ft h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t si sa n a l t z e d ，a n dt h er e s u l to ff i n i t ed e m e n tm e t h o d i sc o m p a r e dw i t ht h a to f t h e r m a ln e t w o r km e t h o d f o r t h , s o m em e a s u r e si m p r o v i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h es y s t e m a r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds o f t w a r es i m u l a t i o no n t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h er o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i ri sa c c o m p l i s h e d ，w h i c hn o to n l y i i l 山东大学硕士学位论文 l a y sag o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e ra n a l y s i so nt h et h e r m a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f t h es y s t e m ，b u ta l s op r o v i d e si m p o r t a n tb a s i sf o r t h eo p t i m a ld e s i g no ft h em e c h a n i s m k e y w o r d sr o t a t i n gn u tb a l l s c r e wp a i r ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a ln e t w o r km e t h o d ； f m i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i v 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副简介 国家“关于加快振兴装备制造业的若干意见中明确指出：振兴制造业，发 转数控机床产业是关键；丽发展高精度、高速度、大型数控功能部件以及数控装 备，改变它们主要依赖进口的现状，是我国数控产业发展的重点。 由于滚珠丝杠副具有高效快速、零间隙高刚度传动、较强的环境适应性、节 省能源、清洁无污染以及跟踪灵敏等优点，因此它们在直线运动应用中始终占据 绝大部分的市场，是数控机床的关键功能部件。目前数控机床上广泛采用的几乎 全部是“通过丝杠旋转带动螺母直线移动的进给方式。 这种常规的滚珠丝杠副中，由于丝枉自身重力大、弯曲变形大，使其旋转惯 性力较大，振动严重，同时为了克服丝枉巨大惯性力导致所选驱动电机的功率也 较大。另一方面，因丝杠与支撑轴承间摩擦大，导致丝杠高速旋转时温升严重。 由此产生的热变形等对机床精度都会造成严重影响，从而导致传动副的工作精度 低、设备刚性差、高速性能差、噪音大。现有的丝枉旋转驱动型滚珠丝桎别是影 响数控设备高精度、高速化、高刚性的关键因素【l 】。 本论文提出的靠螺母旋转驱动型滚珠丝杠副不仅保留了现有丝杠旋转驱动 型滚珠丝枉副豹优点，还可以大大改善滚珠丝杠螺旋传动的性能。该新型滚珠丝 杠副的驱动方式为丝杠固定螺母一边转动一边移动，使质量较小的螺母转动 兼直线运动于一身，质量较大的丝杠静止不动。它的优点在于：( 1 ) 保留了现有 常规滚珠丝杠副螺旋传动的优越特点；( 2 ) 现有滚珠丝杠副的热源主要是丝杠两 端支撑轴承的旋转摩擦，而新型滚珠丝杠副消除了丝杠两端滚动轴承的摩擦热源， 从而降低了工作过程中的温升，减少了热变形和热误差对螺旋传动精度的影响； ( 3 ) 工作时滚珠丝杠静止不动，可以克服因滚珠丝枉高速旋转产生的振动鞠因滚 珠丝杠弯曲变形造成的振动，提高了工作平稳性、传动精度，降低了因设备振动 产生的嗓音；( 4 ) 与丝杠旋转时的支撑轴承相比，由于轴承支撑由滚珠丝杠两端 转移到结构紧凑的滚珠螺母体上，选用的滚动轴承较大，嚣此，轴向刚度褥以大 幅度提高；( 5 ) 裸露的丝杠在全长范围内不再转动，不会构成安全生产的威胁， 山东大学硕十学何论文 增加了安全性；( 6 ) 改善了滚珠丝杠副中轴承的支承方式，缩小了轴承间距，避 免了其对临界转速的制约，能够实现高速转动；( 7 ) 转动惯量小，节省能源。 1 2 课题的研究意义 在现有制造发展水平下，如果广泛采用螺母旋转驱动型滚珠丝杠副代替目前 普遍采用的丝杠旋转驱动型滚珠丝杠副，只需要花费较低的成本，数控机床产品 就会在高速、高精、低耗。低噪音、高刚性等方面得到改善，性价比大有提高。 因此，本论文中的螺母旋转驱动型滚珠丝杠副具有广阔的应用前景，尤其是在长 行程、高速、重载等领域。 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副将常规滚珠丝杠副两端的支撑轴承移到滚珠螺母 上，减少了丝杠的发热，却增加了螺母的复杂度；并且由于该研究对象热源集中 在滚珠螺母上，其运动机理和热源分布的不同，决定了该新型滚珠丝杠副的热特 性与常规的丝杠旋转驱动型滚珠丝杠副不同，因此需要对其做深入研究。 滚珠丝杠副中，摩擦发热以及电机的功率损耗使螺母副的温度升高，从而引 起机构热变形以及滚珠润滑状态的改变，影响滚珠丝杠副的正常运转，降低机构 的工作精度，给整个系统带来很多机械和热力方面的问题。通过对螺母旋转驱动 型滚珠丝杠副进行热特性研究，能够分析出该新型机构的发热机理、热量传递路 线以及温度场分布情况，并且推断出系统中温度较高的危险部件，从而针对性地 改善研究对象的设计方案、工艺流程以及结构材料，进而提高该新型机构的使用 寿命和可靠性，以及定位精度、刚度等工作精度。 1 3 课题的国内外研究现状 1 3 1 滚珠丝杠副的国内外研究现状 滚珠丝杠副于1 8 7 4 年问世，迄今已经发展了一百多年，即使在我国，也有四 十多年的制造历程。目前台湾的h i w i n ，日本的n s k 、t h k ，德国的r e x r o t h ， 瑞典的s k f 以及英国的r o t a x 等公司，他们在滚珠丝杠副的理论、设计、工艺技 术、制造设备、性能以及应用技术等各方面均处于领先地位，代表了当今世界滚 珠丝杠副研究和制造的最高水平。 2 第1 章绪论 1 9 世纪8 0 年代，各国学者们提出了螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的概念。该新 型机构中，滚珠螺母和支撑轴承被设计成一体化结构，能够满足系统既高精度又 小型的的目的，并且运动平滑流畅无跳动；但是由于该新型产品对丝杠以及螺母 的精度要求均很高，目前只有t h k 、h i w i n 这些国际知名公司才能生产，因此螺 母旋转型滚珠丝杠副具有很大的发展空间以及较深远的研究意义。 本论文以日本的t h k 公司为例，简要介绍标准导程螺母旋转式滚珠丝杠d i r 型( 如图1 1 所示) 和大导程螺母旋转式滚珠丝杠b l r 型( 如图1 2 所示) 的制 造现状。这两种机构均是螺母与支撑轴承一体化构造的螺母旋转式滚珠丝杠装置， 具有运动平滑流畅无跳动，精度高，体积小，噪音低等优点。它们的装配方式是 相似的的，即皮带轮通过螺钉与螺母端盖连接在一起，工作台通过螺钉与螺母外 圈的法兰连接在一起，如图1 3 所示。 图卜1 标准导程螺母旋转式滚珠丝杠d i r 型的结构 图卜2 大导程螺母旋转式滚珠丝杠b l r 型的结构 图1 - 3 螺母旋转式滚珠丝杠的装配 其中，d i r 型滚珠丝杠的支撑轴承的接触角为4 5 。c ( 如图1 4 所示) ，通过在 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼寰皇曼舅i 一一一一i 一一一 一；i 薯曼曼曼舅曼曼皇单个螺母的中央部，给左右两方的螺纹相位差，使轴向间隙为负值，达到为滚珠 丝杠预压的目的。而b l r 型滚珠丝杠的支撑轴承接触角为6 0 。c ( 如图1 5 所示) ， 由于其外圈中部增添了调整片结构，属于无预压型滚珠丝杠。 图卜4d i r 型支撑轴承的结构图卜5b l r 型支撑轴承的结构 国内外学者对滚珠丝杠副的结构设计、性能分析以及寿命计算等方面做了很 多研究。日本的n s k 公司在反向回珠器的结构、滚道型线等方面都经过了优化设 计，对承载能力、寿命计算、热变形控制等方面进行了深入分析，并且研究对比 了在不同预紧力和转速下滚珠丝杠副的振动、温升以及摩擦转矩等情况【2 j 。韩国学 者w o n s o o y u n 对滚珠丝杠副系统的温度场分布和热变形进行试验研究，推导出温 度分布和热变形的计算模型【3 】。日本长冈大学研究分析了精密滚珠丝杠副的疲劳失 效情况，设计了滚珠丝杠副的寿命测试装型4 1 。国内学者夏军勇等研究了基于滚珠 丝杠副的通过热弹性效应分析与机床进给系统热动态特性建模【5 1 ；姜洪奎、张佐营 对高速滚珠丝杠副动力学性能、加工方法及其品质性能开展了试验研究等【6 ，7 1 。以 上研究代表了目前国内外在该领域最新的研究动向和成果。虽然它们的研究对象 都是丝杠旋转驱动下的滚珠丝杠副，但是在研究本论文提出的“螺母旋转驱动型 滚珠丝杠副”时可以借鉴上述理论。 1 3 2 机械机构热态特性的研究现状 螺母旋转驱动型滚珠丝杠副作为一种新型的数控机床功能部件，国内外对其 热态特性的研究文献很少，但是对减速箱体、轴承、丝杠旋转驱动型滚珠丝杠副 4 第1 章绪论 的研究在不断的推出新的成果【8 。1 羽，通过这些文献，可以总结出目前对机械机构进 行热态特性研究的三种方法。 ( 1 ) 试验研究方法【1 9 , 2 0 】 试验研究方法的步骤为：测量系统效率和润滑油温度，得出研究对象的搅油 功率损失、啮合副功率损失和轴承功率损失，根据这些实验数据，推导出经验公 式，便于相似机械系统功率损失的计算。 y o s h i ot e r a u c h 依据实验数据，计算出来无负载时的齿轮箱的散热系数和润滑 油温升以及一定负载时的齿轮箱的温度、润滑油温升口1 1 。吴昌林在研究汽车变速 箱的温度场时，设计试验测量出系统润滑油与箱体内外壁间的对流换热系数，推 导出准则方程组，建立研究对象的热网络模型，然后应用电路计算软件计算出变 速箱体中各个节点的稳态温度值【2 2 1 。 ( 2 ) 理论计算方法【2 3 艺8 】 机械传动系统温度场分布的计算方法中，目前比较常用的是热网络法。1 9 6 9 年，h b l o k 提出热网络、法【2 9 。1 1 ，并且将其运用于齿轮本体温度分布的研究中p 2 1 ， 然后他又把温度场的计算引入到其他的机械传动系统中，来推导出研究对象中各 个热节点的平均温度值f 3 3 】。 宋亚卿对滚珠型弧面凸轮传动系统的热量传递路线进行了深入分析，对该研 究对象的输入系统、输出系统布置了温度节点，建立了该新型机构的热网络模型， 列出了系统中各节点的热平衡方程组；然后计算研究对象的功率损失、对流换热 系数和热阻值，应用软件m a t l a b 计算出各节点的稳态温度值，得出系统的温度 场分布【3 4 】。 ( 3 ) 有限元法 有限元法进行热分析的基本原理是首先把研究对象划分成有限个单元( 每个 单元包含若干节点) ，然后定义系统的边界条件和载荷，最后根据能量守恒定律求 解出各个节点的热平衡方程，由此计算出各个节点的温度值，得出该系统的温度 场分布【3 5 】。何震首先建立了机床丝杠进给系统的c a d 模型，分析该系统的热源， 计算出发热量，确定了研究对象的热量传递方式和热特性分析边界条件，然后应 用a n s y s 软件得出丝杠进给系统的温度场分布，确定热变形温度采集点，最后将 出东大学颈士学位论文 计算密的温度场与实验测试结果进行对比闼。 1 4 课题研究内容 本论文结合传热学、摩擦学基本理论及其研究对象的传热机理，应用热嘲络 理论计算方法和有限元软件仿真方法对螺母旋转驱动型滚珠丝杠副的热特性进行 深入研究。本论文的具体研究内容如下： l 建立了螺母旋转驱动型滚珠丝枉戮的几何模型，分析了该新型机构的热量 传递路线及方式，对该系统布置了温度节点，建立了系统的热网络模型，对各个 列出了系统的热平衡方程组； 2 建立了系统的功率损失、热阻以及对流换热系数的计算模型，应用软件 m a t l a b 编程计算出该系统中各节点的温度值，