精密机械滚珠丝杠结构

1.螺纹传动基础知识●螺纹类型●参数●传动特性2.滑动丝杠螺母结构设计●丝杠精度：减少误差措施、除隙机构●丝杠传动副主要参数设计：牙形（角）、螺距、直径、螺母长度、螺纹长度、公差等级●丝杠工艺：材料、工艺、热处理上次课程主要内容26/0126/02§5.2滚珠丝杠螺母机构滑动螺旋传动中，各类螺纹牙型加工困难,存在的误差难以通过调整机构修正；且动力传动中存在较大的摩擦，应用中传动精度受限。物场分析原理：两个相互作用的物体之间加入中间介质（作用场），改变胡提高原功能。设想：丝杠机构中滚动副取代滑动副●改变丝杠牙形，使之与球面吻合●螺母、丝杠接触面充满滚珠作中间传动●滚珠在螺母内闭合的回路中循环26/031.滚珠丝杠的组成如图所示，滚珠丝杠传动副由螺杠、螺母、滚珠、循环装置组成。滚动丝杠螺母内含滚珠返回通道，保持滚珠循环工作。螺母丝杠滚珠循环装置26/042.滚珠丝杠机构的特点除滑动丝杠传动的一般特点外，滚珠丝杠副还具有如下特点：（1）传动效率高（0.96），启动力矩小（2）传动精度高（微米级）（3）具有传动的可逆性，不能自锁（4）寿命长，维护简单（5）制造工艺复杂，成本高内循环外循环3.滚珠丝杠副结构滚珠丝杠副结构特点：●螺纹滚道型面的形状●滚珠的循环方式●轴向间隙和调整预紧机构根据丝杠传动不同的使用条件，其结构特点存在一定差异，设计与选用时应予以注意。关键问题：滚道形状、滚珠循环方式、调整机构26/05（1）螺纹滚道法向截型综合考虑精度、结构、工艺等问题，目前滚珠丝杠副常用两种滚道型面：26/06单圆弧滚道双圆弧滚道1）单圆弧型滚道工艺简单，单螺母结构运行特性不够稳定；采用的双螺母结构复杂，调试相对困难。2）双圆弧型滚道制造工艺复杂。接触刚性好，摩擦小，承载能力较大，预紧或承载后接触角基本保持不变。采用双圆弧截面滚道传动效率高，系统轴向刚度稳定，可实现较小（无）的间隙传动，能获得更高的传动精度。26/073）滚道形状参数①接触角β与径向间隙在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点连线与螺纹轴线的铅垂线之间的夹角。标准接触角：β=45°丝杠副的径向间隙Δd直接影响功能，无负荷时，滚珠直径db、滚道半径R、接触角β的关系：承载后上述关系将发生变化。26/08接触角β)cos1)(2(4bdRd法向剖面过轴线铅垂线②滚道与滚珠尺寸差滚道半径理论上应略大于滚子半径，控制滚道半径有利于提高丝杠承载能力。推荐设计参数：该参数取值过大，导致滚道、滚子截面形状接触（面小）刚性差，承载能力小，传动精度低；反之滚珠与滚道几乎完全接触，存在较大摩擦，且对制造精度要求很高。单圆弧型两种取值标准：26/0955.052.00dR11.104.10dR③偏心距e承载传动状态下，滚道圆弧中心与滚珠中心的偏移距离，如图所示。偏心距与直径比、接触角相关。理论计算公式：26/10sin)2(bdRe单圆弧滚道e双圆弧滚道e（2）滚珠循环方式1）内循环式内循环采用单圈循环，为保证承载刚性一套滚动丝杠副应采用多圈结构。内循环方式滚珠流畅性好，丝杠副总体径向尺寸相对较小。26/11内循环式借助反向器使滚珠越过滚道槽顶进入下一圈循环。反向器设计、加工困难。2）外循环式螺母上设计滚珠回流通道，有插管式和端盖式两种。外循环式滚珠丝杆传动工艺性好，但循环路径长，整体径向尺寸大。26/12外循环式外循环传动示意图：26/13螺母运动方向外循环通道螺杆旋转方向（3）消除轴向间隙与预紧机构目的：提高滚珠丝杠承载、精度和工作可靠性。双螺母预紧机构：目前各类滚珠丝杠副普遍应用的调节方式，调节原理与滑动丝杠双螺母相同。26/14垫片式螺纹式弹簧式齿差式常用结构：双螺母安装示意图：26/15两侧螺母垫片双螺母调隙示意图：26/16两螺母侧向紧逼（4）滚珠数量、圈数和列数螺母内第1圈滚珠承担轴向载荷约30-45％，第5圈以后分担的荷载已很小，因此设计时多于5圈的结构弊大于利。为提高滚珠的流畅性，经验表明，在同一列循环回路内，滚珠数少于150，圈数小于3.5。滚珠数近似计算如下：26/1730bddZ单50bbddndLZ多每圈数量：总数量：工作台运动（5）滚珠丝杠精度、代号和标记1）精度评价指标滚珠螺旋副的传动精度评价是对螺母的运动准确性，主要包括两项：●行程误差丝杠转角与螺母位移之间比值相对理论比值的偏差。●空回误差螺纹副间隙造成的反向误差。26/182）代号和标记方法国家标准规定，滚珠螺旋副的代号和标记方法如下：26/19循环方式例：CDM5010□－3－P3精度等级负荷钢珠圈数公称直径预紧方式类型（P或T）公称导程结构特征旋向，右旋省略5.滚珠丝杠副主要参数设计（1）方案（结构）选择影响结构设计因素包括上述三个方面。1）螺纹滚道型面的形状；2）滚珠的循环方式；3）轴向间隙和调整预紧机构。主要考虑问题（依据）：●承载和精度需求●润滑及防尘保护●预紧和调隙●加工工艺条件原理性问题：●防逆转●防脱落限位26/20（2）主要结构尺寸滚珠丝杠副主要尺寸的计算公式见P183表5-5。主要设计参数导轨（槽结构）、丝杠、螺母26/21公称直径d0基本导程L0接触角β滚珠直径db圆弧偏心距e螺纹大径d螺纹小径d1压顶圆角r2螺纹大径D螺纹小径D16.滚珠丝杠副的选用（1）按疲劳寿命1）滚动丝杠副损坏过程●滚珠与滚道型面间产生接触应力●应力状态为循环●循环应力将造成滚珠或滚道疲劳点蚀●缺陷扩大导致振动和噪音，直到失效2）最大动载荷Ca轴向载荷Ca的作用下，回转100万(106)次，滚道、滚珠不出现点蚀现象。26/223）丝杠荷载的相关计算根据工作荷载F及寿命单位L（106转），可计算最大动载荷Ca与寿命L的关系：26/233)(FCLaFLCa361060TnL平均转速nm计算：31221122321131tntntnFtnFFm212211tttntnnm平均荷载Fm计算：32minmaxFFFm单位寿命L最大动荷载Ca最大动荷载的修正：滚珠丝杠副运转条件：●荷载冲击、振动●丝杠材料、硬度●环境条件影响丝杠副使用寿命，应用上述计算公式时必须予以修正。式中：fW——运转系数fH——硬度系数26/24FffLCHWa3修正系数装配图平稳、一般、冲击（2）按最大静荷载C0a在极低转速(小于10r／min)条件下工作的滚珠丝杠副，破坏主要形式是滚道面接触点处的塑性变形量超出允许值。许用塑性变形标准[δ]：[δ]=d0／10000→C0a最大静载荷：产生极限变形量的载荷低速运转滚珠丝杠副是以最大静载荷作为设计时的计算标准。（C0a≥Fmax）26/257.滚珠丝杠副的材料(P186:表5-9)滚珠丝杠材料涉及丝杠、滚珠、螺母，由于理论上是滚动点接触，因此三者材料综合性能、热处理等要求类似。特点：●材料多用合金工具钢、特殊性能钢GCr15、9Mn2V、38CrMoAlA等●热处理突出表面硬度（表面硬化层）高频淬火、氮化（磷化）26/26考虑调节因素，螺母多用分体设计，结构复杂，但螺母体可用结构钢，工艺相对简单。思考题：P187:7思考题