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高速电主轴角接触球轴承力学特性研究
摘要
高速电主轴是一种重要的工业设备，其中关键的部件之一就是角接触球轴承。本文通过对高速电主轴角接触球轴承的力学特性进行研究，为提高电主轴的性能提供基础数据和理论依据。具体研究内容包括：角接触球轴承的结构、工作原理、受力分析、接触压力计算、接触角度效应、径向负载承载能力等方面，最终得出了有关高速电主轴角接触球轴承力学特性的结论。
关键词：高速电主轴，角接触球轴承，力学特性，接触压力，负载承载能力
Abstract
High-speedelectricspindleisanimportantindustrialequipment,inwhichoneofthekeycomponentsistheangularcontactballbearing.Throughthestudyofthemechanicalcharacteristicsoftheangularcontactballbearingofhigh-speedelectricspindle,thispaperprovidesbasicdataandtheoreticalbasisforimprovingtheperformanceofelectricspindle.Thespecificresearchcontentsincludethestructure,workingprinciple,stressanalysis,contactpressurecalculation,contactangleeffect,radialloadcarryingcapacityandotheraspectsofangularcontactballbearings,andfinallydrawsconclusionsonthemechanicalcharacteristicsofhigh-speedelectricspindleangularcontactballbearings.
Keywords:high-speedelectricspindle,angularcontactballbearing,mechanicalcharacteristics,contactpressure,loadcarryingcapacity
一、引言
在今天的制造业中，高速电主轴作为制造各个领域的核心设备，有着极为重要的作用。其中，角接触球轴承是电主轴中的关键部件之一，它承载着高速转动的轴心和负载，直接影响着电主轴的性能和寿命。因此，研究角接触球轴承的力学特性，对提高电主轴性能起着重要作用。本文将从角接触球轴承的结构、工作原理、受力分析、接触压力计算、接触角度效应、径向负载承载能力等方面开展研究。
二、角接触球轴承的结构和工作原理
角接触球轴承由内外圈、钢球、保持架等部分组成，如图1所示。在正常工作情况下，内圈和外圈之间通过钢球的滚动实现传递力和转矩的作用，从而满足电主轴的转动和负载的承载。
图1角接触球轴承示意图
在工作时，角接触球轴承需要承受径向负载和轴向负载。同时，由于高速转动产生的惯性力和离心力，还会使轴承产生轴向力和力矩。因此，要想满足高速电主轴的使用要求，角接触球轴承需要具备较高的负载承载能力、刚性和抗疲劳性能。
三、角接触球轴承的受力分析
1.角接触球轴承的接触应力
为了研究角接触球轴承的应力分布，需要先推导出钢球与内外圈之间的接触应力。根据滚动体在轮廓线上运动的基本条件，可以得出下列公式：
sinα1/sinα2=(D2/D1-C)/(C-D1/D2)
其中，α1和α2分别是内圈和外圈上球道所对应的接触角度；C为深度系数；D1和D2分别为内圈和外圈上球道所对应的圆弧直径。
在确定了接触角度α1和α2之后，可以通过接触半径和滚动体数目计算出钢球与内外圈之间的接触弧长s，从而求得接触应力σ。根据哈钦斯公式，有：
σ=(F/πbs)·cotα
其中，F为连续加载的力；b为轴承宽度；s为接触弧长。
2.接触角度的影响
接触角度是角接触球轴承的一个重要参数。通过对角接触球轴承在不同接触角度下的试验研究，可以发现，当接触角度增大时，接触应力也相应地增大，轴承寿命则减小。因此，在设计角接触球轴承时，需要综合考虑轴承的负载、速度、寿命以及接触角度等因素，并进行合理的选择和配合。
四、角接触球轴承的负载承载能力
角接触球轴承的负载承载能力是指轴承能够承受的最大负载。在实际应用中，由于难以同时实现轴向和径向负载的均匀分布，通常使用等效载荷计算方法。等效载荷是指沿某一方向作用等效于实际负载的载荷，可以简化计算和比较不同型号的轴承承载能力。
常见的角接触球轴承等效载荷计算公式为：
Fa/Fr≤X
其中，Fa和Fr分别为轴向和径向等效负载；X为轴承等效载荷系数，是角接触球轴承的一