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1、3.4 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动3.4.1 工作原理及特点工作原理及特点3.4.2 结构形式结构形式3.4.3 尺寸参数、型号及精度尺寸参数、型号及精度3.4.4 滚珠丝杠副支承与联接滚珠丝杠副支承与联接 3.4.5 滚珠丝杠副的选择与计算滚珠丝杠副的选择与计算本节课内本节课内容容 1874年美国专利记载有滚珠螺旋传动的螺旋压力机；年美国专利记载有滚珠螺旋传动的螺旋压力机；1879年德国和年德国和1906年英国专利，都介绍过滚珠螺旋传动设年英国专利，都介绍过滚珠螺旋传动设计方法；计方法；100年前，我国已有滚珠螺旋传动记载，其结构形式和现在年前，我国已有滚珠螺旋传动记载，其结构形式和现在的基本
2、相似，但限于技术原因，未能造出实用的滚珠螺旋副；的基本相似，但限于技术原因，未能造出实用的滚珠螺旋副；1940年美国首先将滚珠螺旋副用于汽车转向机构上；年美国首先将滚珠螺旋副用于汽车转向机构上；至至1943年，精密滚珠螺旋传动用于航空机械；年，精密滚珠螺旋传动用于航空机械；滚珠螺旋传动是由滚动轴承演化而来的，在汽车航空工业中滚珠螺旋传动是由滚动轴承演化而来的，在汽车航空工业中最先应用。例如日本的最先应用。例如日本的“NSK”、“TSUBAKI”公司，意大利的公司，意大利的“SKF”公司，都是有名的轴承制造厂，年产滚珠螺旋副均在万公司，都是有名的轴承制造厂，年产滚珠螺旋副均在万套以上；套以上；英
3、国英国“Botax”公司，公司，Lucas”航空公司的分厂，航空公司的分厂，美国的美国的“Saglnaw”公司公司(GM)通用汽车分公司，年产滚珠螺旋副竞达数通用汽车分公司，年产滚珠螺旋副竞达数万之多。万之多。发展概况发展概况发展目标发展目标 “高速、高效高速、高效高速、高效高速、高效”成为各厂家追求的目标。成为各厂家追求的目标。直线电动机用于加工中心直线电动机用于加工中心,快进给速度达快进给速度达160m/min 以上以上,加速度达加速度达4g 以上以上,向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但直线电动机价格昂贵、控制系统复杂、磁铁吸引金属切但直线电动机价格昂贵、控制系统复
4、杂、磁铁吸引金属切屑、强磁对人身危害以及发热等缺点屑、强磁对人身危害以及发热等缺点,在近一段时间很难得到在近一段时间很难得到普及。普及。滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优选择滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优选择,国外大部分高国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。速加工中心仍使用滚珠丝杠副。为达到高速驱动目的为达到高速驱动目的,提高电动机转速提高电动机转速(转速达转速达4000r/min)使用大导程（导程使用大导程（导程32mm）滚珠丝杠副）滚珠丝杠副,如日本马扎克公如日本马扎克公司在司在FF660 机床上使用滚珠丝杠副机床上使用滚珠丝杠副,机床快速移动速度达机床快速移动速度达90m/min,加
5、速度达加速度达1.5g。采用韩国生产技术由天津海特生产的采用韩国生产技术由天津海特生产的滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副。大导程滚珠丝杠副在高速驱动时主要问题大导程滚珠丝杠副在高速驱动时主要问题:噪声、温升、精度噪声、温升、精度。与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。间的摩擦产生的。采取的措施：采取的措施：通过合理的工艺流程通过合理的工艺流程,提高产品的内在质量提高产品的内在质量;选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩;减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量,使滚珠使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。丝
6、杠副适应高速驱动的要求。3.4 3.4 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动 在在“数控加工技术数控加工技术”课程介绍了课程介绍了“滚珠丝杠的结构滚珠丝杠的结构”，本节重点介绍滚珠螺旋传动的特点、预紧方式、型号和，本节重点介绍滚珠螺旋传动的特点、预紧方式、型号和精度等级、滚珠丝杠的支承与联接、丝杠副的选择等。精度等级、滚珠丝杠的支承与联接、丝杠副的选择等。3.4.1 3.4.1 特点特点特点特点 滚珠丝杠副可以获得精确、高效、灵敏、可靠、耐用的滚珠丝杠副可以获得精确、高效、灵敏、可靠、耐用的效果，在高温、低温、高压、真空、强磁场、无润滑等工作效果，在高温、低温、高压、真空、强磁场、无润滑等工作条件下可实现
7、可逆运动，在机床工业、航空航天、军工产品条件下可实现可逆运动，在机床工业、航空航天、军工产品等各个领域得到广泛应用。等各个领域得到广泛应用。特点：特点：（1）传动效率高，）传动效率高，达达8598；（2）运动平稳，低速时无爬行；）运动平稳，低速时无爬行；（3）传动可逆和不自锁性；）传动可逆和不自锁性；（4）预紧后可消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接）预紧后可消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度；触刚度；（5）定位精度和重复定位精度高；）定位精度和重复定位精度高；（6）同步性好；）同步性好；（7）寿命长，使用可靠、润滑简单、维修方便）寿命长，使用可靠、润滑简单、维修方便，但，但成本高。成本高。3
8、.4.2 结构形式结构形式 滚珠螺旋传动的结构形式很多，主要区别在于滚珠螺旋传动的结构形式很多，主要区别在于滚道截面滚道截面形状形状，滚珠的循环方式滚珠的循环方式和和消除轴向间隙和调整预紧力方法消除轴向间隙和调整预紧力方法等等三方面分类。三方面分类。1、按滚道法向截面形状分、按滚道法向截面形状分 螺纹滚道法向截面形状：矩形、单圆弧型面和双圆弧型。螺纹滚道法向截面形状：矩形、单圆弧型面和双圆弧型。矩形型面：矩形型面：易于制造，接触应力高，承载能力低，只用在轴易于制造，接触应力高，承载能力低，只用在轴向载荷小、要求不高的传动；向载荷小、要求不高的传动；单圆弧滚道型面：单圆弧滚道型面：单圆弧滚道型面
9、：单圆弧滚道型面：成形比较简单，而且易于得到较高的加工成形比较简单，而且易于得到较高的加工精度。但接触角精度。但接触角不易控制，它随初始间隙和轴向力大小而不易控制，它随初始间隙和轴向力大小而变化，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不稳定；变化，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不稳定；双圆弧滚道型面：双圆弧滚道型面：双圆弧滚道型面：双圆弧滚道型面：接触角接触角能保持一定，传动效率、承载能能保持一定，传动效率、承载能力和轴向刚度较稳定，但成形较复杂，难获得较高的精度。力和轴向刚度较稳定，但成形较复杂，难获得较高的精度。l单圆弧单圆弧型要有一定的径向间隙，实际接触角型要有一定的径向间隙，实际接
10、触角 45。l双圆弧双圆弧型的理论接触角型的理论接触角 3845，实际接触角随，实际接触角随径向间隙和载荷而变。径向间隙和载荷而变。2、按滚珠循环方式分、按滚珠循环方式分 按滚珠循环过程中与丝杆表面的接触情况，按滚珠循环过程中与丝杆表面的接触情况，可分可分内循环内循环与与外循环外循环两种。两种。1 1）内循环）内循环）内循环）内循环 滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触。滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触。按反向器结构不同，内循环可分为固定式和浮动式。按反向器结构不同，内循环可分为固定式和浮动式。固定式固定式：螺母螺母1上开有侧孔，孔内镶上开有侧孔，孔内镶有接通相邻滚道的反向器有接通相邻
11、滚道的反向器3，滚珠，滚珠2从从螺纹滚道进螺纹滚道进 入反向器，反向器引导滚入反向器，反向器引导滚珠，越过丝杠珠，越过丝杠4的螺纹外径进入相邻的螺纹外径进入相邻滚道，形成一个循环回路。滚道，形成一个循环回路。特点：特点：为圆形带凸键，不能浮动，一为圆形带凸键，不能浮动，一个螺母上装有个螺母上装有24个均匀分布的反向个均匀分布的反向器器(2 4列列)，反向器沿螺母圆周方向，反向器沿螺母圆周方向均匀分布。均匀分布。浮动式：浮动式：即反向器为浮动式，槽内拱形片簧，外有弹簧片，即反向器为浮动式，槽内拱形片簧，外有弹簧片，弹簧的弹力始终给反向器一个径向推力，使回珠槽内的滚珠弹簧的弹力始终给反向器一个径向
12、推力，使回珠槽内的滚珠始终与丝杆表面保持一定的压力，使槽内滚珠对反向器起到始终与丝杆表面保持一定的压力，使槽内滚珠对反向器起到自定心的作用，浮动式反向器可以做到无间隙有预紧，刚度自定心的作用，浮动式反向器可以做到无间隙有预紧，刚度较高，通道流畅，摩擦特性好，制造成本较高。较高，通道流畅，摩擦特性好，制造成本较高。（1）回路短，滚珠的数量少，摩擦损失小，传动效率和传）回路短，滚珠的数量少，摩擦损失小，传动效率和传动灵敏度高；动灵敏度高；（2）螺母径向和轴向尺寸较小，反向器刚性高；）螺母径向和轴向尺寸较小，反向器刚性高；（3）工作可靠；）工作可靠；（4）精度要求高；）精度要求高；（5）反向器加工、
13、装配、调试较困难，吸振性能差，）反向器加工、装配、调试较困难，吸振性能差，适用于高精度的精密进给和轻载系统。适用于高精度的精密进给和轻载系统。内循环的特点：内循环的特点：2）外循环）外循环 滚珠在循环的过程中，有一段离开丝杆滚道型面。滚珠在循环的过程中，有一段离开丝杆滚道型面。按其结构的不同，外循环可分为螺旋槽式、插管式和端按其结构的不同，外循环可分为螺旋槽式、插管式和端盖式。盖式。（1）螺旋槽式）螺旋槽式 在螺母外圆柱面上铣出螺旋凹槽，槽的两端在螺母外圆柱面上铣出螺旋凹槽，槽的两端均有通孔分别与螺旋孔道相切，形成滚珠返回的通道。为便均有通孔分别与螺旋孔道相切，形成滚珠返回的通道。为便滚珠在通
14、孔中顺利地进出，在孔口设有挡球器，以引导滚珠滚珠在通孔中顺利地进出，在孔口设有挡球器，以引导滚珠通过槽上两孔。通过槽上两孔。特点：特点：结构简单，承载力较高；结构简单，承载力较高；成本低。成本低。由于螺旋槽与通孔联接处曲由于螺旋槽与通孔联接处曲率半径小，滚珠流畅性差，挡率半径小，滚珠流畅性差，挡球器端部易磨损。球器端部易磨损。只适用于一般工程机械。只适用于一般工程机械。（2）插管式）插管式 用一弯管代替螺旋格式的凹槽，弯管用一弯管代替螺旋格式的凹槽，弯管2两端插两端插入与螺纹滚道相切的孔内，弯管两端部引导滚珠入与螺纹滚道相切的孔内，弯管两端部引导滚珠4进出弯进出弯管，形成一个循环回路，再用压板
15、管，形成一个循环回路，再用压板1将弯管固定。可做成多将弯管固定。可做成多圈多列，以提高承载能力。圈多列，以提高承载能力。特点：特点：结构简单，制造容易，管弯可制结构简单，制造容易，管弯可制成滚珠流畅的通道。成滚珠流畅的通道。由于弯管突出于螺母的外部，径由于弯管突出于螺母的外部，径向尺寸较大；向尺寸较大；若用弯管端部作挡球器，容易磨若用弯管端部作挡球器，容易磨损，可在孔口设置挡球器以引导滚损，可在孔口设置挡球器以引导滚珠出入通道。珠出入通道。在大导程多头螺纹中应用。在大导程多头螺纹中应用。用于高速重载、精密定位系统中。用于高速重载、精密定位系统中。3、按预紧方式分、按预紧方式分 在在“数控加工技
16、术数控加工技术”中以介绍过，中以介绍过，即消除间隙轴向间隙，即消除间隙轴向间隙，避免反向死区对加工的影响。避免反向死区对加工的影响。1）双螺母垫片式）双螺母垫片式(D)方法：方法：通过调整通过调整(或修磨或修磨)垫片厚度，使两螺母产生轴向位移垫片厚度，使两螺母产生轴向位移消除轴向间隙的目的。消除轴向间隙的目的。特点：特点：特点：特点：结构简单，装卸方便，刚性大，工作可靠，应用广泛。结构简单，装卸方便，刚性大，工作可靠，应用广泛。但调整不方便，不能随时调隙预紧。但调整不方便，不能随时调隙预紧。2）双螺母螺纹式）双螺母螺纹式(L)方法：方法：调整端部的圆螺母，使丝杠右螺母沿轴向向右移动，调整端部的
17、圆螺母，使丝杠右螺母沿轴向向右移动，产生拉伸预紧，从而消除间隙。产生拉伸预紧，从而消除间隙。特点：特点：结构紧凑，调整方便，工作可靠，应用广，但预紧量结构紧凑，调整方便，工作可靠，应用广，但预紧量不容易控制。不容易控制。3）双螺母齿差式）双螺母齿差式(C)方法：方法：两个螺母上切有内齿齿轮，齿数分别为两个螺母上切有内齿齿轮，齿数分别为Z1和和Z2，Z2与与Z1相差相差1齿，与双联齿轮相啮合，两个螺母向相同方向转齿，与双联齿轮相啮合，两个螺母向相同方向转动，每转动一齿，所调整的轴向位移为动，每转动一齿，所调整的轴向位移为特点：特点：特点：特点：能精确地调整预紧，但结构能精确地调整预紧，但结构尺寸
18、较大，装配调整比较困尺寸较大，装配调整比较困难。难。用于高精度的传动和定位机用于高精度的传动和定位机构中。构中。4）单螺母变位导程式）单螺母变位导程式(B)方法：方法：对螺母的内螺纹进行变位来消除间隙和预紧。对螺母的内螺纹进行变位来消除间隙和预紧。特点：特点：结构紧凑简单，避免双螺母结构中形位误差的干涉。结构紧凑简单，避免双螺母结构中形位误差的干涉。5）单螺母增大钢球直径式）单螺母增大钢球直径式(Z)方法：方法：一般用于双圆弧形滚道，通过安装直径比正常直径稍一般用于双圆弧形滚道，通过安装直径比正常直径稍大的滚珠，来达到自行消除间隙预紧的目的。大的滚珠，来达到自行消除间隙预紧的目的。用于轴向尺寸
19、受到限制、预紧力不大的场合。用于轴向尺寸受到限制、预紧力不大的场合。3.4.3 尺寸参数、标记方法、型号和精度等级尺寸参数、标记方法、型号和精度等级 有关滚珠丝杠副的尺寸参数、安装，均制定了行业标有关滚珠丝杠副的尺寸参数、安装，均制定了行业标准，见表准，见表3-1719所示。所示。精度等级分为精度等级分为7级，按级别高到低依次为：级，按级别高到低依次为：1、2、3、4、5、7、10。型号如例型号如例3.4.4 滚珠丝杠副的支承与联接滚珠丝杠副的支承与联接 高精度、高刚度是进给系统正常工作的保证。高精度、高刚度是进给系统正常工作的保证。注意：注意：选用高精度、高刚度的滚珠丝杠副；选用高精度、高刚
20、度的滚珠丝杠副；重视滚珠丝杠支承的设计；重视滚珠丝杠支承的设计；滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除丝杠自重外，一般无径向滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除丝杠自重外，一般无径向外载荷；外载荷；滚珠丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高；滚珠丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高；滚珠丝杠转速不高，高速运转时间很短，发热不是问题；滚珠丝杠转速不高，高速运转时间很短，发热不是问题；应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。承。1、滚动轴承的选择、滚动轴承的选择 60角接触推力球轴承具有接触角大、刚度大、承载能力大、角接触推力球轴承具有接触角大、刚度大、承载能力大、
21、启动摩擦力矩小、灵敏度高、能承受轴向和径向载荷、安装简启动摩擦力矩小、灵敏度高、能承受轴向和径向载荷、安装简单等特点，应用最为广泛；滚针和推力滚子组合轴承多用于牵单等特点，应用最为广泛；滚针和推力滚子组合轴承多用于牵引力大、要求刚度高的大型与重型机床。引力大、要求刚度高的大型与重型机床。2、支承形式、支承形式主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。较短的丝杠或垂直安装的丝杠，采用单支承形式较短的丝杠或垂直安装的丝杠，采用单支承形式(一端固一端固定，一端无支承定，一端无支承)；水平安装丝杠较长时，可以一端固定，一端游动；水平安装丝杠较长时，可以一端
22、固定，一端游动；精密和高精度机床的滚珠丝杠副，为了提高丝杠的拉压精密和高精度机床的滚珠丝杠副，为了提高丝杠的拉压刚度，可以两端同定；刚度，可以两端同定；为了补偿热膨胀和减少丝杠因自重下垂，两端固定丝杠为了补偿热膨胀和减少丝杠因自重下垂，两端固定丝杠可进行预拉伸。可进行预拉伸。滚珠丝杠的支承结构形式，分为四种类型。滚珠丝杠的支承结构形式，分为四种类型。滚珠丝杠副的支承作用滚珠丝杠副的支承作用3、联轴器、联轴器3.4.5 滚珠丝杠副的选择与计算滚珠丝杠副的选择与计算 目前仍参照滚动轴承额定寿命计算方法，有目前仍参照滚动轴承额定寿命计算方法，有1、额定寿命与工作寿命、额定寿命与工作寿命 实际使用时，
23、考虑实际使用时，考虑工作温度、负荷性质、工作可工作温度、负荷性质、工作可靠性、制造精度和螺母副的硬度靠性、制造精度和螺母副的硬度等，应将上式修正，修等，应将上式修正，修正后的额定寿命计算公式为，正后的额定寿命计算公式为，2、当量负荷及当量转速计算、当量负荷及当量转速计算 工作过程中，当转速和负工作过程中，当转速和负荷变化的工况下，必须折算荷变化的工况下，必须折算成当量负荷成当量负荷Fe和当量转速和当量转速ne进进行寿命计算。行寿命计算。1）变转速和稳定载荷工况）变转速和稳定载荷工况 当量转速为当量转速为2）变载荷和稳定转速工况）变载荷和稳定转速工况 当量载荷为当量载荷为3）变载荷和变转速工况）
24、变载荷和变转速工况 当量载荷为当量载荷为4）载荷和转速按阶段变化工况）载荷和转速按阶段变化工况 当量载荷为当量载荷为3、滚珠丝杠副的选用、滚珠丝杠副的选用 当滚珠丝杠副转速当滚珠丝杠副转速n1000rmin时，按使用寿命选择时，按使用寿命选择基本尺寸，并校核其承载能力是否超过额定动负荷。基本尺寸，并校核其承载能力是否超过额定动负荷。且额定动负荷且额定动负荷CaCaj 转速转速n10 rmin时，主要失效形式是螺纹滚道或滚珠时，主要失效形式是螺纹滚道或滚珠表面产生过大的塑性变形。滚珠丝杠副抵抗塑性变形能力用表面产生过大的塑性变形。滚珠丝杠副抵抗塑性变形能力用额定静负荷表示。额定静负荷表示。其其额
25、额定静定静负负荷荷应满应满足足4 4、临界压缩负荷和临界转速、临界压缩负荷和临界转速、临界压缩负荷和临界转速、临界压缩负荷和临界转速 对一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠，应进行压杆稳定性对一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠，应进行压杆稳定性校核计算。校核计算。在在高速下工作的长丝杠高速下工作的长丝杠，有可能发生共振。不发生共振，有可能发生共振。不发生共振的最高转速称为临界转速，应进行校核的最高转速称为临界转速，应进行校核。5 5、系统刚度和固有频率、系统刚度和固有频率、系统刚度和固有频率、系统刚度和固有频率 拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有
26、频率；频率；其扭转刚度影响扭转振动固有频率。其扭转刚度影响扭转振动固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度拉压系统刚度Ke取决于取决于丝杠本身的拉压刚度丝杠本身的拉压刚度Ks、丝杠副内滚珠与滚道的接触刚度、丝杠副内滚珠与滚道的接触刚度Kc、轴承的接触刚度、轴承的接触刚度KB和螺母座的刚度和螺母座的刚度KH。1）丝杠在拉压负荷下的弹性变形丝杠在拉压负荷下的弹性变形s和刚度和刚度Ks 支承组合形式为支承组合形式为FS或或FO的丝杠，在轴向负荷的丝杠，在轴向负荷Fa作作用下的弹性变形用下的弹性变形s和拉压刚度和拉压刚度Ks分别为分别为式中式中 F Fa a-丝丝杠的
27、杠的轴轴向向负负荷荷(N)(N)a-螺母至轴向固定处的距离螺母至轴向固定处的距离(m)2）丝杠副内滚珠与滚道的接触刚度丝杠副内滚珠与滚道的接触刚度Kc 可按滚珠丝杠副的型号查样本获得。可按滚珠丝杠副的型号查样本获得。3）轴承的接触刚度轴承的接触刚度KB 按轴承型号查样本获得，或按有关公式进行近似计按轴承型号查样本获得，或按有关公式进行近似计算，可按线性插入法求取。算，可按线性插入法求取。4）螺母座的刚度螺母座的刚度KH 螺母座的刚度螺母座的刚度KH可用有限元法进行计算。采取结构措施可用有限元法进行计算。采取结构措施提高螺母座刚度，则可忽略其弹性变形。近似计算中，可取提高螺母座刚度，则可忽略其弹
28、性变形。近似计算中，可取KH=1000 Nm5）丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度KT 丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度KT6）丝杠系统轴向拉压振动的固有频率丝杠系统轴向拉压振动的固有频率s 系统轴向拉压振动的固有频率系统轴向拉压振动的固有频率s为为7）丝杠系统扭转振动的固有频率丝杠系统扭转振动的固有频率T 丝杠系统扭转振动的固有频率丝杠系统扭转振动的固有频率T为为 滚珠丝杠副进给系统的驱动力矩，主要用于克服摩擦阻力滚珠丝杠副进给系统的驱动力矩，主要用于克服摩擦阻力和产生加速度。和产生加速度。摩擦力矩摩擦力矩用于克服外加负荷、自重等与密封元件产生的摩擦用于克服外加负荷、自重等与密封元件产生的摩擦力。力。惯性力矩惯性力矩用于产生加速度，一般按等加速计算。用于产生加速度，一般按等加速计算。6、数控立铣工作台进给用滚珠丝杠副计算、数控立铣工作台进给用滚珠丝杠副计算 7、滚珠丝杠副防护装置和密封、滚珠丝杠副防护装置和密封丝杠运动防护-圆筒式橡胶防护罩