第9章-滚珠丝杠原理

机械制造装备设计1第九章滚珠丝杆螺母副机械制造装备设计21.工作原理和特点•滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间放入了滚珠，使丝杆与螺母间变为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。图示为滚珠丝杆副的结构示意图。丝杆1和螺母3上均制有圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠4在其间既自转又循环滚动。机械制造装备设计3滚珠丝杠螺母副结构图例1-丝杠2-滚道3-螺母4-滚珠机械制造装备设计4滚珠丝杠螺母副的优点：•传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杆螺母副的传动效率η＝0.85～0.98，可实现高速运动。•运动平稳无爬行由于摩擦阻力小，动、静摩擦系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。•传动精度高，反向时无空程滚珠丝杆副经预紧后，可消除轴向间隙。•磨损小精度保持性好，使用寿命长。•具有运动的可逆性可以将旋转运动转换成直线运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆和螺母均可作主动件或从动件。机械制造装备设计5滚珠丝杠螺母副的缺点：•由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，故制造成本高。•由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传动，会因部件的自重而自动下降。当部件向下运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，不能立即停止运动。因此必须增加制动装置。结论由于其优点显著，虽成本较高，仍被广泛应用在数控机床上。机械制造装备设计62．结构类型•外循环滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环。图示为常见的外循环结构形式。在螺母外圆上装有螺旋形的插管口，其两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。这种形式结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。目前应用最为广泛，也可用于重载传动系统中。机械制造装备设计7外循环式滚珠丝杠结构图例机械制造装备设计8•内循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环，如图所示。反向器２的数目与滚珠圈数相等。这种形式结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，但制造较困难。适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动中。机械制造装备设计9内循环式滚珠丝杠结构图例机械制造装备设计103．滚珠丝杆副间隙的调整•为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杆滚道的左右两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时，预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时，预紧力可小于此值。机械制造装备设计11•双螺母垫片式消隙：如图所示，此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力，使用时装卸非常方便。机械制造装备设计12双螺母垫片调整法(中间加垫片)图例机械制造装备设计13双螺母垫片调整法(端部加垫片)图例机械制造装备设计14•双螺母螺纹式消隙如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但预紧力大小不能准确控制。机械制造装备设计15双螺母螺纹消隙图例机械制造装备设计16齿差式消隙如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：式中Z1、Z2为齿轮的齿数，Ph为滚珠丝杠的导程。hPZZS2111机械制造装备设计17齿差式消隙图例机械制造装备设计184.滚珠丝杆副的支承方式•一端装止推轴承(固定－自由式)如图a所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杆。•一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定－支承式)如图b所示。滚珠丝杆较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减少丝杆热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源。机械制造装备设计19•两端装推力轴承(单推—单推式或双推—单推式)如图c所示。这种方式是对丝杠进行预拉伸安装。这样做的好处是：减少丝杠因自重引起的弯曲变形；在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷1/3的条件下，丝杠拉压刚度可提高四倍；丝杠不会因温升而伸长，从而保持丝杠的精度。•两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定－固定式)如图d所示。为提高刚度，丝杆两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杆的热变形转化为止推轴承的预紧力。机械制造装备设计20滚珠丝杠副支承方式图例机械制造装备设计215.滚珠丝杠的计算1)疲劳强度计算滚珠丝杠根据额定动载荷选用，当量动载荷计算公式为：要求选择的丝杠额定动载荷CaCm。载荷为变化的时候，awmmffLFC332minmaxFFFm机械制造装备设计222)刚度计算主要考虑滚珠丝杠螺母副的接触和拉压变形，往往由厂家直接给出刚度值或计算公式。接触刚度根据载荷的不同是一个变化的非线性值。拉压刚度根据螺母至轴端距离的不同而变化。机械制造装备设计233)压杆稳定性和临界转速长径比较大的滚珠丝杠副，使用时应校核其压杆稳定性，高速旋转的丝杠还应校核其临界转速以判断其工作速度与临界转速的差值，观察其是柔性轴还是刚性轴。4)滚珠丝杠的预拉伸预拉伸主要用于补偿机床温升变形时的丝杠长度变化量，保证丝杠的导程即使在变形后也能维持在额定值附近，差值应在允许范围内。预拉伸量应略大于热膨胀量。