机电装备设计(6)

3.4滚珠螺旋传动3.4.1工作原理及特点3.4.2结构形式3.4.3尺寸参数、型号及精度3.4.4滚珠丝杠副支承与联接3.4.5滚珠丝杠副的选择与计算本节课内容△1874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1906年英国专利，都介绍过滚珠螺旋传动设计方法；△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；△至1943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，在汽车航空工业中最先应用。例如日本的“NSK”、“TSUBAKI”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套以上；△英国“Botax”公司，Lucas”航空公司的分厂，美国的“Saglnaw”公司(GM)通用汽车分公司，年产滚珠螺旋副竞达数万之多。发展概况发展目标“高速、高效”成为各厂家追求的目标。●直线电动机用于加工中心,快进给速度达160m/min以上,加速度达4g以上,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普及。●滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优选择,国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。●为达到高速驱动目的,提高电动机转速(转速达4000r/min)●使用大导程（导程32mm）滚珠丝杠副,如日本马扎克公司在FF660机床上使用滚珠丝杠副,机床快速移动速度达90m/min,加速度达1.5g。采用韩国生产技术由天津海特生产的滚珠丝杠螺母副。大导程滚珠丝杠副在高速驱动时主要问题:噪声、温升、精度。◇与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。采取的措施：◇通过合理的工艺流程,提高产品的内在质量;◇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,使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。3.4滚珠螺旋传动在“数控加工技术”课程介绍了“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、型号和精度等级、滚珠丝杠的支承与联接、丝杠副的选择等。3.4.1特点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。特点：（1）传动效率高，达85％～98％；（2）运动平稳，低速时无爬行；（3）传动可逆和不自锁性；（4）预紧后可消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度；（5）定位精度和重复定位精度高；（6）同步性好；（7）寿命长，使用可靠、润滑简单、维修方便，但成本高。3.4.2结构形式滚珠螺旋传动的结构形式很多，主要区别在于滚道截面形状，滚珠的循环方式和消除轴向间隙和调整预紧力方法等三方面分类。1、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。矩形型面：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；单圆弧滚道型面：成形比较简单，而且易于得到较高的加工精度。但接触角α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；双圆弧滚道型面：接触角α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。单圆弧型要有一定的径向间隙，实际接触角α≈45。双圆弧型的理论接触角α≈38°～45°，实际接触角随径向间隙和载荷而变。2、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，可分内循环与外循环两种。1）内循环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。固定式：螺母1上开有侧孔，孔内镶有接通相邻滚道的反向器3，滚珠2从螺纹滚道进入反向器，反向器引导滚珠，越过丝杠4的螺纹外径进入相邻滚道，形成一个循环回路。特点：为圆形带凸键，不能浮动，一个螺母上装有2～4个均匀分布的反向器(2～4列)，反向器沿螺母圆周方向均匀分布。浮动式：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，传动效率和传动灵敏度高；（2）螺母径向和轴向尺寸较小，反向器刚性高；（3）工作可靠；（4）精度要求高；（5）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。内循环的特点：2）外循环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、插管式和端盖式。（1）螺旋槽式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。特点：○结构简单，承载力较高；○成本低。○由于螺旋槽与通孔联接处曲率半径小，滚珠流畅性差，挡球器端部易磨损。只适用于一般工程机械。（2）插管式用一弯管代替螺旋格式的凹槽，弯管2两端插入与螺纹滚道相切的孔内，弯管两端部引导滚珠4进出弯管，形成一个循环回路，再用压板1将弯管固定。可做成多圈多列，以提高承载能力。特点：◎结构简单，制造容易，管弯可制成滚珠流畅的通道。◎由于弯管突出于螺母的外部，径向尺寸较大；◎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珠出入通道。◎在大导程多头螺纹中应用。用于高速重载、精密定位系统中。3、按预紧方式分在“数控加工技术”中以介绍过，即消除间隙轴向间隙，避免反向死区对加工的影响。1）双螺母垫片式(D)方法：通过调整(或修磨)垫片厚度，使两螺母产生轴向位移→消除轴向间隙的目的。特点：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。2）双螺母螺纹式(L)方法：调整端部的圆螺母，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。特点：结构紧凑，调整方便，工作可靠，应用广，但预紧量不容易控制。3）双螺母齿差式(C)方法：两个螺母上切有内齿齿轮，齿数分别为Z1和Z2，Z2与Z1相差1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212121)11(ZZkttZZktZktZkspspspsp特点：能精确地调整预紧，但结构尺寸较大，装配调整比较困难。用于高精度的传动和定位机构中。4）单螺母变位导程式(B)方法：对螺母的内螺纹进行变位来消除间隙和预紧。特点：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(Z)方法：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。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、型号和精度等级有关滚珠丝杠副的尺寸参数、安装，均制定了行业标准，见表3-17～19所示。精度等级分为7级，按级别高到低依次为：1、2、3、4、5、7、10。型号如例3.4.4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。注意：●选用高精度、高刚度的滚珠丝杠副；●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承。1、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、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引力大、要求刚度高的大型与重型机床。2、支承形式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(一端固定，一端无支承)；◎水平安装丝杠较长时，可以一端固定，一端游动；◎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；◎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。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3、联轴器3.4.5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1、额定寿命与工作寿命r/min)nN)N)r/min)10h)%90)(6010e636丝杠当量转速（丝杠轴向载荷（，可查产品样本额定轴向动载荷（转速（时的额定寿命（可靠度为式中aahaaehFCLFCnL实际使用时，考虑工作温度、负荷性质、工作可靠性、制造精度和螺母副的硬度等，应将上式修正，修正后的额定寿命计算公式为，。，负载性质系数，载荷。有关，可靠性系数，与可靠度。，精度系数；精度寿命却提高了。硬度在一定范围内，说明从时，硬度系数；硬度从℃。℃温度从～，从温度系数；温度式中wwkkaahhttwkahtaaehffffffHRCHRCffffffffFCnLR85.30.1f4058300125,6.095.0)(6010362、当量负荷及当量转速计算工作过程中，当转速和负荷变化的工况下，必须折算成当量负荷Fe和当量转速ne进行寿命计算。1）变转速和稳定载荷工况当量转速为%qr/min)212112211总工作时间之比相应转速的工作时间与、各种工作速度（、式中kkikiihheqqnnnqnqnqnqnn2）变载荷和稳定转速工况当量载荷为%qN))()(212133323213131总工作时间之比相应负荷的工作时间与、轴向工作变载荷（、式中kkkiiihheqqFFFNqFqFqFqFF3）变载荷和变转速工况当量载荷为)()(3332232113131NnqnFnqnFnqnFnqnFFkieiiiehhheee4）载荷和转速按阶段变化工况当量载荷为作用下的转速、轴向载荷、时间、轴向载荷作用下的（、式中k2121k21212211322321131FFFn)FFF)(31kkkkkkkennttttntntntnFtnFtnFF3、滚珠丝杠副的选用当滚珠丝杠副转速n＞1000r／min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。且额定动负荷Ca≥Caj转速n≦10r／min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额定静负荷表示。ojoaCC其额定静负荷应满足max'FffChwoj4、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，应进行压杆稳定性校核计算。☆在高速下工作的长丝杠，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。5、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拉压系统刚度Ke取决于丝杠本身的拉压刚度Ks、丝杠副内滚珠与滚道的接触刚度Kc、轴承的接触刚度KB和螺母座的刚度KH。1）丝杠在拉压负荷下的弹性变形δs和刚度Ks支承组合形式为F－S或F－O的丝杠，在轴向负荷Fa作用下的弹性变形δs和拉压刚度Ks分别为式中Fa--丝杠的轴向负荷(N)a----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Kc可按滚珠丝杠副的型号查样本获得。3）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算，可按线性插入法求取。4）螺母座的刚度KH螺母座的刚度KH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KH=1000N／μm5）丝杠的扭转刚度KT丝杠的扭转刚度KT)/(/84.73244rmNldlGdKmmT6）丝杠系统轴