《机电装备设计》PPT课件.ppt

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； 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。 采用引进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。 噪声产生的主要原因: 滚珠在循环回路中的流畅性 、 滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。 温升产生的主要原因：由滚珠与丝杠、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：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 3.4.1 特点特点 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8598； （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：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：双圆弧滚道型面：接触角能保持一定，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 。 l单圆弧型要有一定的径向间隙，实际接触角 45。 l双圆弧型的理论接触角 3845，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 1）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。 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24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：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 特点：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3-1719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 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， 2、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 2）变载荷和稳定转速工况 当量载荷为 3）变载荷和变转速工况 当量载荷为 4）载荷和转速按阶段变化工况 当量载荷为 3、滚珠丝杠副的选用 当滚珠丝杠副转速n1000rmin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CaCaj 转速n10 rmin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。 其额额定静负负荷应满应满 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 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 5、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 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s和刚度Ks 支承组合形式为FS或FO的丝杠，在轴向负荷Fa作 用下的弹性变形s和拉压刚度Ks分别为 式中 Fa-丝丝杠的轴轴向负负荷(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，可按线性插入法在下列范围内求取。 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