（机械电子工程专业论文）滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪研制及其实验分析.pdf

摘要摘要精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，其制造水平的高低在很大程度上决定了数控机床的精度高低随着数控机床向高速化、高精度化、复合化与环保化方向发展，用户对滚珠丝杠副的性能提出了越来越高的要求。摩擦力矩是滚珠丝杠副的重要性能参数，其变动量对滚珠丝杠副的动态性能有很大影响，因此对摩擦力矩的测量是滚珠丝杠副出厂检测的基本要求目前工厂中大多采取由操作工靠“手感”来简单判断摩擦力矩的大小范围。现有的测量仪器在功能、精度等方面也存在许多不足之处为此，我们研制了滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪。，研制开发的新型摩擦力矩测量仪包括下位机和上位机两部分。下位机由单片微机作为控制核心，具有实时显示摩擦力矩大小以及在行程范围内的变化曲线。打印检测报告、与上位机通讯等功能。上位机主要功能是按照国家标准要求进行数据处理、保存数据、打印检测报告、文件管理等。下位机可以脱离上位机独立使用，测量仪操作简单，运行可靠。本文首先从滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理入手，结合其结构特点，分析了滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素，并对滚珠丝杠副摩擦力矩进行了建模分析，然后对测量仪的硬件、软件及其抗干扰设计进行了详尽的阐述，最后对滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪的实验数据进行了频谱分析，进一步验证了滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素的理论分析结果。关键词：滚珠丝杠副；摩擦力矩；动态测量；单片微机a b s t r a c t主r e c i s i o nb a l l r e w1 】i l i ti st h ek c yp a r to fn cm a c h i i l c 蚰di t sm 觚u f 犯t i l r i n gl e v e ld c t 锄i i l 鼯t l l ep r i s i l c 、，c lo fn cm l i i n et of e a l 麟t 饥t w i t l ll l l ed e v e l o p m e mo fn cm a c l l i n eo r i 即t o dt o1 1 i g h - s p e e d h i g h - p r e c i s i o i i m u l t i - p l l r p o 觚da i r o 珈n a n a j i z a t i o n t l l ep a 响哪n a 邛：co f b a l l 鞠f e wl l i l i ti sd 锄孤d e dl l i 曲a ：t h e 衔c d 伽m o m e n ti sa ni m p o r t 狃tu s a g e 劬c t i p 砒锄c t e ro ft h eb a ns c i 州l l n i t 。w h o s ev a r i a 虹蚰h a se 行- e c t d 明l a l n i cd m 均c 丽s t i co f b a l l 懿栅u l l i t t h 黜f o mi ti sab a s i cm q u e s tf b fm ef a c t o r ye x 锄n i 枷o nt om e 越嚏l r et l l e 衔c d m o m 吼to f b a l lr 钾矿l l i l i t a tp s c n t ，o p 豇硼d r su s u a l l y 伪t i | n a t el h e 咖g 鼯o f 伤c t i m 锄e n t 训u 鼹b y 诋锄df 曲l i i l f i nm o s t 白i c t o r i t 1 1 e 强i s 曲gm e 嬲u 糟i n s m m l t sh a v cm a n yd e f i c i e n c i c si n 矗l 删o n 勰dp r c c i s i a c r d i n gt ot h i s ，w ed e v e l o pt h cm e a s u i n s n l l i n e n tf b f 伍c 咖n 期o m to f b a l l 剐：1 wt l n i t t h i sn e wd e v e l o p e dm s u i n s t 哪m e mi n c l u d c s 咐op a r t s ，酬棚r d j i l a t cc 伽u t e r 孤d 跚b ( 小n m t ec 咖叩u t e r t h es u b l o r m n a t ec o m p u t e ra d o p t sm c ut o a i i z cm 锄yf i i n c 虹o n s ，s u c h 龉r e a l t i l i l ed i s p l a y i i l gt l l e 衔c t i o nm o m td a t a s 枷t h ec u n r e s ，p r i m i i l gl l l em e 鹊u r e p o r 括”，咖m l l i l i c a t i l l g 研t hs u p e r ；d i i l a t ec 伽叩u t a ，in 坞s u p e r o r d i i l a l ec 0 埘【p u t e rc 髓p m c e s st h ed a t ad e f b 璐t om en a t i o i m is t 砒l d a r dr u e s t ，p s e r v ed a t 勰 ，n i n tt l l em e a s u r er e p o r 心锄d m 缸a g e 丘l e s ”硼1 e翱l b o r d i l l a t ec o m p u t e rc 柚b c 璐e ds c p a r a l e l y 肌吼t l l cs u p e 砌旧m a t ec o m p i l t e r t l l i sm e 鹊u r ci m m 加1 e n tc 锄b eo p e 翔t e de 私i l y 卸d 砌s t a _ b l y t 挝sa n i c l ec o m m c n c e s 丘o m 印p e a r a n c em e c h 孤i s mo f b a l l r e w 衔c 吐o nm o m e n t ，c m l b i i l i n gi t ss t n k 眦d 均r a c t e r i g t i c s 。撇l y z i l l gi 玎皿u e n c ef a 咖o f ba ：u 龇删衔c n o nm o m e n ta n dm o d e l i i l g t h e nt i l ek 叭1 w a r e s o f t w a a n da n t i - j m 姗i n gd 豁i g ni s戗t l a _ 嘴d v e l yc x p r c s s e d f i l l a l l y ，t h e 丘田u 锄c ys p e c m i i no fm e 唧e r i m e m 咖i s锄l y z e d w h i c hf i l n h e rv e r i f yt l l e 姗n so f m r c t i c a l 雒a l y s i s k e yw o r d s ：b a l l r e wl l i l i t ；伍嘶o nm o m 锄t ；d y l l a m i cm e 勰u 舢t ；s i i l g l ec h i pn原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用授权的声明啦7本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：上弘。7第一章绪论1 1 课题的背景1 8 7 4 年诞生的滚珠丝杠副，是从滚动轴承中派生出来的，到今天已经发展了1 3 0 多年，在机床工业、汽车工业、国防军工等各个领域发挥着越来越重要的作用。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母旋合螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠可在闭环回路中反复循环运动的螺旋传动。它具有传动和定位在同一个零件上实现，并且可以把旋转的角位移转换成线位移等特点。滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高速度、耐磨损性和运动可逆性等许多优异特性，作为高效节能和精密的先进传动机构，在国内外引起了广泛的兴趣和重视。在航空机械、数控机床、精密仪器和仪表，以及各种精密机械设备中，精密滚珠丝杠传动副是确定线形位移精度的最关键部件之一特别是随着数控机床、加工中心、c 讧s 等高科技技术的迅猛发展，作为基本功能部件之一的精密滚珠丝杠副的加工精度要求越来越高、驱动线速度要求越来越快。随着滚珠丝杠副应用范围的进一步扩大，高精度，高速化已经成为今年来国内外滚珠丝杠副的一大发展趋势嘲目前，对于高速驱动与定位部件，国外已有直线电动机问世，并开始用于加工中心，快速进给速度达到1 6 0 i n m i n 以上，加速度达4 9 以上，向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但由于直线电动机存在价格昂贵、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属切削、强磁对人身危害以及发热等缺点，在近一段时间很难普及。滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优先选择，国外大部分高速加工中心仍是用滚珠丝杠副但是精密滚珠丝杠副的高速化的发展趋势，也同时面临着诸多问题，主要包括：( 1 )滚珠丝杠高速回转时温度上升及热位移的增大；( 2 )滚珠循环系统强度问题；( 3 )噪声与振动；( 4 )定位精度变化问题：( 5 )大导程加工技术；( 6 )螺旋滚道面润滑油膜变形造成润滑不均：i山东大学硕士学位论文( 7 )摩擦力矩变化。对于以上面临的问题，目前主要是从产品的结构创新上来加以解决，例如对于高速回转时温度上升的问题，采用空心丝杠、甚至是空心螺母的结构形式，中间通入冷却液强制冷却来控制温度的上升。国内滚珠丝杠副的加工技术远不能满足“高速化、高精度”的要求，许多企业只能依靠进口高精度滚珠丝杠副来满足其要求然而进口精密滚珠丝杠副的价格昂贵，对于批量较大的情况下，大部分厂家只能降低精度的要求，这就造成整个机械行业普遍的精度下降的问题。要提高滚珠丝杠副的质量，就必需有完整的检测设备，没有测量，产品质量就没有保证。国外企业大都有自己比较完善的试验、检测设备，对产品的主要性能指标，如滚珠丝杠的摩擦力矩、速度、加速度、噪音、温升、刚度、寿命等都能提供比较准确的测试资料，这为研制开发新产品，缩短研制周期提供了技术保证。国内企业在这方面相对来说就要落后许多，各企业忙于生存，很少有能力拿出资金和组织力量从事这方面研究。可喜的是目前许多企业已经意识到这些，开始组织力量开展这方面研究工作。摩擦力矩是滚珠丝杠重要的使用性能之一，它直接影响到能量的损耗、温度的变化( 过分的温升将导致润滑剂恶化、磨损加剧，甚至导致工作表面烧伤) 以及吸声、振动的变化。删。有效解决影响滚珠丝杠副摩擦力矩的不良因素，是实现精密微量进给和精密高速进给的基础和前提。1 2 滚珠丝杠副特点及其现状1 2 1 滚珠丝杠副特点如图1 1 所示，滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠反向器滚道、滚珠组成的螺旋传动装置。它既可将旋转运动转化为直线运动，亦可把直线运动推力转化为旋转扭矩。滚珠丝杠副的滚珠在内外螺旋滚道中作复杂的螺旋运动，以滚动为主，伴随着滑动，还有绕轴心公转的离心力、陀螺力等，其运动和受力状态较滚动轴承复杂。2第一章绪论l 丝杠2 一螺母3 滚珠反向器滚道4 滚珠图卜1 滚珠丝杠副结构滚珠丝杠副传动有如下的特点：( 1 ) 传动效率高：滚珠丝杠副传动效率高达9 0 9 8 ；( 2 ) 运动平稳：滚珠丝杠副传动摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给：( 3 ) 高精度：滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度；( 4 ) 高耐用：钢球滚动接触处均经硬化处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性；4( 5 ) 同步性好：由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果；( 6 ) 高可靠性：与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘在特殊场合可在无润滑状态下工作嘲多数滚珠丝杠副的滚珠链不像滚动轴承那样有滚珠隔离保持器滚动轴承的滚珠受隔离保持器的限制只能沿圆周方向滚动，而滚珠丝杠副必须依靠“循环装置”来完成连续循环滚动，滚珠在运动时，相互之间会产生摩擦、撞击、挤推。滚珠在进出“循环装置”的过程中由于位移等因素将不断改变受力状态和方向。滚珠丝杠副属长轴件，内外螺旋面滚道的制造难度远远大于滚动轴承的内外圈。丝杠副及螺母螺旋滚道面的齿形精度、表面粗糙度、丝杠全行程范围的中径变动山东大学硕士学位论文量、滚珠品质等都直接影响其摩擦特性。虽然滚珠丝杠副的制造难度比滚动轴承复杂，但是由于滚珠丝杠副具有：传递动力、精密定位和分度，精密导向、对数控指令的敏捷反应、既可微量进给又能高速驱动、长寿命绿色环保和可再制造等功能，所以它是数控机床和各类自动化机械中不可替代的重要功能部件。1 2 2 滚珠丝杠副国内外发展现状滚珠丝杠副到现在已经有1 3 0 多年的历史，在我国也有4 0 多年的开发研制、专业生产的历史。1 9 4 0 年，美国首先将滚珠丝杠副用于汽车转向机构上，使滚珠丝杠副成为商品。1 9 4 3 年，滚珠丝杠用于航空机械。第二次世界大战以后，从五十年代起，生产滚珠丝杠的国家日益增多，如美国的w a r n e r b 剧腮公司、g m s a g 玳a w公司；英国的r o t a x 公司；日本的n s k 公司，1 h k 公司、t s i j b a k i 公司等。进入六十年代，特别是1 9 6 5 年数控机床的出现，促进了滚珠丝杠副产品的品种和规格的发展，滚珠丝杠副的质量和产量大大提高，各种设计技术和制造工艺大大进步，并研制了加工滚珠螺母的专用机床。近年来，在技术创新的推动下，滚珠丝杠副正朝着定位精密化、驱动高速化、产品结构复合化、智能化、模块化、绿色化方向发展，产品规格向特大型，高刚度重载荷、超小型、小径大导程，超大导程方向扩展和延伸。1 9 9 7 年首先推出用于高速数控机床的m c 系列精密高速滚珠丝杠副，砌( 公称直径转速) 值1 2万，v 2 7 2 m m h 加速度1 9 。在大约五年时间内，r 傩m t l l 、咖os t e i l 吼e y 盯、h 1 w 矾、p m l 等海外公司先后研制出第一代精密高速滚珠丝杠副产品。第一代高速滚珠丝杠副的总体水平是：砌值1 2 1 5 万，v 0 1 0 0 砒i n ，加速度l 1 5 9 。到2 0 0 2 年以后，世界上出现砌值高达2 0 万，v = 2 0 0 n 妇l i n 的超高速静音滚珠丝杠副，挑战直线电机。第二代高速滚珠丝杠副的总体水平是：砌值1 4 1 8 万( 2 0万) ，v = 8 0 1 2 0 砒i n ( 中大导程) ，加速度l 2 5 9 啪吖。滚珠丝杠副现在已成为机械传动与定位的首选部件，它的应用领域也在不断地扩大。比如在半导体、液晶显示装置、机器人等机电领域的应用，已经与机床行业并驾齐驱，在航天、核能等特殊环境中使用滚珠丝杠已经很普遍。在我国，4第一苹绪论滚珠丝杠副的研究也取得了较大的进步，产品的设计技术、制造工艺得到很大的提高，各种先进检测设备保证了滚珠丝杠副的产品质量，也为滚珠丝杠副的研发提供了强有力的保障。目前，我国已经实现了从产品原料供应、设计制造以及检测等完整的滚珠丝杠副生产体系各国专业公司十分重视对滚珠丝杠副的质量检验近十几年来，先后研制出一批高精度的滚珠丝杠副导程检测仪器，其共同的特点是用激光作为长度测量基准，并使用连续动态自动测量和计算机数据处理，且测量仪器向多功能方向发展，如可测量滚珠丝杠副的行程误差，也可单独测量导程差( 也括梯形丝杠) ，更换附件后还可测量滚珠螺母在丝杠上的径跳及端跳等另外，围绕i s o 标准，各专业公司还研制了动态空载预紧力矩测量机、轴向接触刚度测量机、可靠性测试装置、疲劳寿命测试机等，以使滚珠丝杠副的质量得到全面控制。1 2 3 滚珠丝杠副摩擦力矩研究的现状及意义1 研究现状摩擦是两个接触固体在外载荷作用下所形成的真实接触区内作相对切向位移时所发生的能量损耗过程，它是固体切向移动过程中在真实接触面上很薄的表面层中发生的各种物理过程的总和。摩擦的实质是机械能转化为热能。滚珠丝杠副的摩擦是滚动摩擦与滑动摩擦的综合但是滚珠丝杠副的摩擦力产生机理却比较复杂，其产生是多种因素综合作用的结果它不仅与丝杠本身的结构尺寸、几何精度、材料及热处理性能有关，还与工作载荷、装配精度、调整预紧方法、反向器选择、润滑条件及环境参数有关。随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同，滚珠丝杠副的摩擦力矩也不相同，目前国内使用g b t 1 7 5 8 7 3 1 9 9 8 滚珠丝杠副验收条件及验收检验标准对滚珠丝杠副的摩擦力矩进行验收，该标准规定了在转速为1 0 0 r m i n 时，滚珠丝杠副摩擦力矩的允差在摩擦性能的理论研究方面，日本的一些学者如角田和雄“”在赫兹弹性接触理论的基础上对滚动轴承的差动滑动摩擦力进行了理论推导，而国内孙健利“”、刘建素“”、张朝辉“”等对滚动直线导5山乐大掌硕士字位论文轨副的不同接触状态下的差动滑动摩擦力进行了推导，并得出了一系列的公式。黄寿荣、黄家贤“”从制造误差及反向器冲击方面对滚珠丝杠副的摩擦力矩进行了分析。在摩擦力的实验研究方面，须田捻、石川义雄“”对直线运动球轴承的摩擦性能进行了研究，发现摩擦力成周期性波动，国内孙健利、刘建素等对滚动直线导轨副进行了试验研究发现摩擦力的波动具有周期性而且周期与钢球直径的两倍有关，并且对滚动直线导轨副波动的原因进行了分析研究，而对滚珠丝杠副这方面的研究较少以前国内滚珠丝杠生产厂家只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开始重视滚珠丝杠副摩擦力矩的曲线。因为有了这两条曲线，滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来。2 研究意义嘲。”嘲列我们国家对精密高速滚珠丝杠副的研究起步较晚，加入w t o 以后，面对国际大市场的竞争，我们必须要加快产品创新、提高工艺水平、提高产品质量。滚珠丝杠的制造企业要迅速改变只注意产品产量、产值，不重视新产品的性能试验研究的局面。目前国内滚珠丝杠副高速化的发展水平还远远落后予国际水平，国外如日本n s k 、t h k 公司，从8 0 年代开始研究试验，驱动线速度从2 0 m m i n 到4 0 l m i n ，9 0 年代末达到8 0 m m i n ，而现在最高速度达到1 2 0 m m i n ，并已成功应用于数控机床。根据最新资料显示，n s k 公司在试验条件下已经使滚珠丝杠副的线速度达到2 0 0 m m i n ；欧洲一些发达国家也在9 0 年代开始研制，其运动速度达到9 0 i n m i n ；而目前国内最好水平为4 0 6 0 m i n 。表卜l 国内、外滚珠丝杠副主要性能对比拦能精度( 册)最大最高运动最大加噪音( d b ) ( 在温升( o c )( 3 0 0 眦内砌值速度速度3 0 m m i n 速( 在3 0 m m i n生产厂家螺距误差)( 万)( m m i n )( 砰s )度下测试)速度下测试)国外o 0 2 1 59 0 一1 2 01 5 2 0 6 0 l o4 0 6 01 0 1 5 7 0 r1 0第二章滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素研究 心。因导程相同，所以三点运动轨迹的螺旋升角z 不等，厶 2 厶于是出现了在同一滚珠上三点运动方向、速度、受力状态的差异。以致滚珠在螺旋道滚动的同时还出现了滑动现象，即所谓楔紧效应。滚珠丝杠副滑移现象说明滚珠并非纯滚动，而是带有滑移运动的滚动嘲，其滑移率用下式表达：滑移率= 燃= 鲁嘲柳( 2 - 6 )式中：d 滚珠直径m m ；如滚珠丝杠副的中心圆直径m m ；名螺旋升角。从上式中可以看出，欲减少滑移率，滚珠直径d 。、螺旋升角a 宜小不宜大，在导程不变的情况下，丝杠副的直径宜大不宣小。楔紧效应所产生的摩擦力矩是滚珠丝杠副中摩擦力矩的重要组成部分嘲，它的大小或变化，均直接影响滚珠丝杠副的总摩擦力大小及稳定。除此之外，还存在有许多其它摩擦引起的摩擦损失。2 2 2 螺纹滚道参数误差对摩擦力矩的影响摩擦力矩的大小与选择滚珠丝杠副的规格及其螺纹滚道参数有关，还与这些参数的制造和测量误差有关。因此本节着重探讨螺纹滚道参数：滚道半径，钢球半径，变位导程，径向间隙等误差对摩擦力矩m 的影响及其相互关系。丝杠与螺母滚道之间的相对位移量由丝杠与螺母导程误差、螺纹半径误差、滚道半径误差和滚珠直径误差组成啪。当滚珠丝杠螺母副工作时产生空载预紧摩擦力矩 “， “值的大小可由式2 7 计算。滚珠丝杠螺纹滚道参数误差对接触角和变位导程及摩力矩的影响及相互关系：1肘o 去q 绒( 2 7 )二式中：1 2 l 预紧轴向力( n ) ；厂螺旋滚动摩擦系数o 0 0 6 o 0 0 7 ；矗滚珠中心圆直径( 公称直径) ( 啪) 。i l山东大学硕士学位论文q = 专z 压属( 2 - 8 )式中：z 螺母内一侧承载的钢球数；磊变位导程预载增量( 蚰) ；d ，钢球直径( m m ) ；七由滚珠和滚道的几何、材料参数决定的系数。2 2 3 滚珠循环对摩擦力矩的影响滚珠与循环返回装置间存在摩擦力矩，其大小与循环返回装置的结构形式有很大关系，不同结构的循环返回装置有着不同的结果。滚珠循环方式分内循环方式和外循环方式1 内循环方式滚珠在循环过程中始终不脱离丝杠表面的循环方式，称为内循环。内循环的工作圈数一般是一列只有一圈( 通常把在同一螺母上所具有的循环回路的数目，称为滚珠的列数；而把滚珠在每一个循环中绕经螺纹滚道的圈数，称为滚珠的工作圈数) 。在螺母的侧孔内，装有接通相邻滚道的回珠装置( 称为反向器) 借助反向器上回珠槽的作用，迫使滚珠沿滚道滚动一圈后，翻越过丝杠螺纹滚道牙顶，重新回到初始滚道，构成了一圈一个循环的滚珠链，故又称为单圈内循环。单圈内循环的列数通常为2 4 列，最多可达到6 列，相应的说，一个螺母上则需要装2 4 个或6 个反向器。为使滚珠螺母的结构紧凑些，这些反向器沿螺母圆周是均匀分布的，即对应于双列、三列、四列或六列结构，反向器的轴向间距视反向器的结构形式而不同，选择时应尽可能使螺母尺寸紧凑些。由于单圈内循环是以一圈为列，因而滚珠较少，运行阻力减少，启动容易，滚珠流畅性好，灵敏度较高：摩擦损失少，传动效率较高；滚珠回程较短，刚性较好，使运转精度得到提高；螺母径向尺寸小，且零件数减少，装配简便，适于批量生产。但是其反向器回珠槽为空间曲面呈s 形，用普通设备加工较困难，需要采用数控机床或仿形机床加工，设备费用较高。此外采用这种循环方式对滚珠螺旋副的公称直径、丝杠外径、螺纹滚道牙形与接触角、牙顶圆角等加工要求较高。要得到高精度的滚珠丝杠副，除对丝杠、螺母提出很高的制造要求外，反向1 2第二章滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素研究器轨道设计也直接影响丝杠副的工作性能因此，反向器轨迹的设计是滚珠丝杠副设计的关键因素嗍。反向器按其定位方式不同，可分为固定式和浮动式两种：而每一种反向器又有两种结构形式，即扁圆形反向器和圆形反向器( 1 ) 扁圆形反向器的结构是一个扁圆形镶块，紧固在螺母上的扁圆孔中。反向器上铣有s 形的回珠槽。其优点是轴向尺寸短，结构紧凑而美观缺点是扁圆孔的加工、测量较为困难，不容易保证精度，装卸也较为麻烦。( 2 ) 圆形反向器类似一个带凸键的圆柱镶块，反向器上也铣有s 形的回珠槽，它是用圆柱面和凸键同时定位的。它的优点是加工测量都比较容易。但采用该反向器的缺点是，使螺母的轴向尺寸增大( 尤其是在大螺距的情况下) 。由于采用圆柱面和凸键同时定位，反而使反向器安装调整变得困难了。( 3 ) 浮动式反向器的结构特点是反向器与滚珠螺母上的安装孔保持有o 0 l 0 0 1 5 啪的配合间隙。在反向器的外圆弧面上车出对称圆弧槽( 槽宽约为o 配，三一导程) ，槽内安装拱形片簧。借助于片簧的弹力。始终给反向器一个径向推力，使位于回珠槽内的滚珠始终与丝杠表面保持一定的压力，这样，槽内滚珠就代替了定位键而对反向器起到自定位作用。浮动式反向器的优点是在高频“浮动”中达到回珠槽进出口的自动对接，从而为滚珠返回提供流畅的通道口，因此具有较好的摩擦特性，预紧后的空载摩擦力矩正为固定式反向器的1 3 2 3 ，且当预紧力增大时，正上升平缓。滚珠在返回过程中产生的摩擦力矩7 ；贩与正的比值( 即z ；舨7 t 艇) 最小，且结构工艺性好，装配简单，在高速运转中工作可靠这种反向器适用于各种高灵敏度、高刚度要求的精密进给系统。但其缺点是：不适用于重载，多头丝杠副以及大导程、小导程的滚珠丝杠副。浮动式反向器滚珠丝杠副是目前最有发展前途的结构形式，并且正在逐渐取代固定式反向器的滚珠丝杠副。2 外循环方式滚珠在循环过程中，不能始终保持与丝杠表面接触，即当滚珠从螺纹滚道终端返回到滚珠始端时与丝杠表面脱离接触，通常把这种循环方式称为外循环。外循环又可以分为插管式、螺旋槽式和端盖式三种( 1 ) 螺旋槽式外循环1 ，山东大学硕士学位论文如图2 3 所示，该循环方式是直接在滚珠螺母1 的外圆柱面上铣出一条螺旋槽，螺旋槽的两端与螺母的螺纹滚道相接，形成滚珠返回通道。为引导滚珠顺利出入通孔，在通孔的出口处和入口处分别设置挡珠器4 ，套筒2 防止滚珠脱落。螺旋槽式外循环方式的优点是：螺母的径向尺寸较小，工艺性好，安装方便。缺点是：挡珠器4 形状复杂，刚度差。卜螺母2 一套筒3 一滚珠4 - 挡珠器5 一丝杠图2 3 螺旋槽式外循环( 2 ) 插管式外循环卜压板2 一插管3 一螺母4 一滚珠5 一丝杠图2 4 插管式外循环插管式外循环方式最为常用，如图2 4 所示。插管式外循环是用弯管2 代替螺旋槽式外循环中的螺旋槽，把弯管的两端插入螺母3 的孔中，形成滚珠返回通道。用压板1 和螺钉将弯管固定于螺母上。插管式外循环有单列插管、双列插管和多列插管三种结构。插管式外循环优点是：结构简单、制造方便，适于批量生产，适用于小导程、一般导程和重型滚珠丝杠副。缺点是：弯管突出在螺母的外部，径向尺寸较大。( 3 ) 端盖式外循环端盖式外循环滚珠丝杠副( 如图2 5 所示) 是在滚珠螺母1 上钻有纵向滚珠返回通道，而在螺母两端各装有一个带有圆弧槽的端盖2 ，圆弧槽末端与螺纹滚道相切，引导滚珠出入返回通道，从而构成循环回路。其优点是：结构紧凑，工艺性好，承载能力大，适用于多头大导程和超大导程滚珠丝杠副。缺点是：滚珠在经过返回通道的圆弧槽时，必须作急剧的拐弯，因此循环回路的流畅性能不好，容易出现卡滞现象。但是，如果合理设计反向通道的圆弧槽，改善其流畅性，端盖式循环方式可以被选择作为高速滚珠丝杠副的结构形式。1 4第二章滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素研究卜螺母2 一端盖图2 - 5 端盖式外循环滚珠丝杠副综上所述，内循环滚珠丝杠副是滚珠在反向器回珠槽的限制下沿滚道运动一圈后，沿丝杠牙顶返回起始点。它的运动接近于螺旋运动，只不过旋向与工作滚道相反，升角更大，而且是变化的。同时滚珠在爬过丝杠牙顶的过程中，其中心及滚珠与丝杠牙顶或反向器回珠槽的接触点处的线速度方向和大小也不断变化，运动也更加复杂。在滚珠爬过丝杠牙顶、返回滚道面过程中，还存在楔紧效应，。所以要减少滚珠在返回过程中的摩擦力矩，除了要选择合理的回珠槽曲线外，还应该精确加工、精心装配好反向器。减少滚珠在反向器中的摩擦，目前较好的方法就是采用浮动式反向器。前面已经提到过，所谓浮动式反向器，就是在滚珠返回过程中，允许反向器在螺母的径向相对于螺母可有适当的浮动，通过浮动调整间隙，避免卡球现象，同时改变滚珠与反向器回珠槽的接触点，改变滚珠与丝杠牙顶表面的接触位置，达到减少楔紧效应的目的。有试验表明，浮动式反向器的摩擦力矩实测值仅为固定式的1 3 2 3 ，大大减少了摩擦损失，因而浮动式反向器在内循环滚珠丝杠副中的应用，已经成为国内外发展的新动向在外循环滚珠丝杠副的循环返回装置中，滚珠是依靠后面推动前面而向前运动的，大多数情况下因滚珠不受滚动力偶作用，只作滑动运动，而无滚动运动，因此，与内循环滚珠丝杠副相比，其摩擦就较大。这也是目前外循环滚珠丝杠副摩擦力矩值较大的原因之一。由于回珠槽是反向器上重要的工作部位，而反向器本身又是内循环滚珠丝杠传动的关键零件之一根据上述要求和反向器在内循环滚珠丝杠传动中所起的重山东大学硕士学位论文要作用，反向器设计时要注意的几点如下：( 1 )滚珠通过回珠槽时，应始终保持与丝杠表面相切；( 2 )回珠槽应把相邻两螺纹牙的工作滚道接通，且构成滚珠内循环回路：( 3 )滚珠通过回珠槽时，应畅行无阻、运动平稳性好；( 4 )当滚珠丝杠副加速转动时，滚珠对回珠槽的动力负荷应较小。2 2 4 摩擦力矩与预紧力、外部负载的关系2 2 4 1 预紧力对摩擦力矩的影响预紧力的可控性是滚珠丝杠副以理想的预紧力工作的基础。在减少预紧力时，摩擦能量急剧减少，可使系统发热小、磨损少和疲劳寿命增加；但也可以通过增加预紧力，并超过基本预紧力到一定程度，以获得所需要的系统刚度。由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙的。同时，滚珠丝杠副在轴向工作载荷作用下，使滚珠与螺纹滚道相接触部位产生弹性变形如果滚珠丝杠副中有轴向间隙或在轴向载荷作用下滚珠与滚道接触面处有弹性变形，则当滚珠丝杠反向转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度和降低了滚珠丝杠副的刚度。因此，在对轴向间隙和轴向刚度有严格要求的精密滚珠丝杠副中，必须采取消除轴向间隙和提高轴向刚度的措施。消除轴向间隙和提高刚度的方法尽管很多，但目前广泛采用的主要是以下几种方法嘲：1 双螺母调整预紧装置所谓双螺母调整预紧装置，就是同一根滚珠丝杠上装配两个螺母。通过改变螺母之间的垫片的厚度来调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承受工作载荷之前，分别与丝杠滚道的两个不同侧面接触，使两个接触角的位置相反，且在滚珠与滚道圆弧面间施加一定的接触压力，使其产生一定的预变形，从而消除了轴向间隙，提高了滚珠丝杠副的轴向刚度，但会增加摩擦力矩。其特点是：钢球是两点接触，滚珠丝杠副承载能力大，可施加较大预加载荷，适用于高负荷，有定位精度要求的场合。主要有下面两种形式：( 1 ) 如图2 6 所示，根据预压力的大小选择相对厚度的垫片放入两个螺母之间，施加预压力，由于螺母a 、b 产生伸张负荷，故称为伸张预压力。1 6第二章滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素研究凹凹| 【兀| 一|删图2 - 6 伸张预压( 2 ) 如图2 7 所示，根据预压力的大小选择相对厚度的垫片放入两个螺母之间，施加预压力，由于螺母a 、b 产生压缩负荷，故称为压缩预压力图2 7 压缩预压2 单螺母调整预紧装置所谓单螺母调整预紧装置，就是在一根滚珠丝杠上只装配一个螺母通过采用大直径滚珠或改变螺母的导程，使螺母中的滚珠在承受工作载荷之前，分别与丝杠滚道的两个不同的侧面接触，且在滚珠与滚道圆弧面间施加定的接触压力，使其产生一定的预变形，从而消除了轴向间隙。主要有下面两种形式：( 1 ) 如图2 8 ，在滚珠沟槽内置入较沟槽空间稍大直径的钢珠，使得滚珠与沟槽做四点接触的预压方式。其特点是：滚珠丝杠副承载能力大，由于滚珠与沟山东大学硕士学位论文槽是四点接触，因此摩擦阻力较大。易发热。本方式适用于轻预压，传动运动的场合。导程导程菠珠丝杠图2 - 8 四点接触预压nnnn 多、i uuuu 二图2 啕变位导程预压( 2 ) 如图2 9 ，在螺母中央位置附近的螺纹导程根据所需要的预压量使其偏离一定的距离( 其位移为预压量) 其特点是：滚珠是两点接触，由于只用一个螺母，消除了因垫片或螺母制造误差而产生的螺母倾斜，避免影响预紧力矩。该方法适用于中等预压，有定位精度要求的场合。虽然是单个螺母，但是经此方法施加预压之后，作用如同双螺母，而且刚性更佳。2 2 4 2 外部负载对摩擦力矩的影响滚珠丝杠副的接触理论上来说是线接触，且没有良好完善的油膜设计，故动压油膜形成的概率很小，大部分应是边界润滑和粗糙峰处的金属直接接触。因此，可以认为摩擦力由机械分量和分子分量的两部分组成，由分子一机械摩擦理论：1 s第二章滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素研究f = 巧+ e( 2 9 )式中目机械分量；c 分子分量。由h o 王m 基本粘着理论可得摩擦系数厂：，= 【野f - + ( 1 一，7 ) 吒】磊( 2 1 0 )式中：o 结点的剪切强度：气润滑膜分子键合剪切强度；玎结点总面积与名义接触面积之比；磊铜表面材料的屈服极限。由式2 一t o 可知，玎f _ 以为机械分量部分，( 1 一玎) x 气，蟊为分子量部分t 由于磨损自补偿系统中l 吒，故摩擦系统中摩擦机械分量，7 f _ 磊决定了摩擦的大小，而，7 表明了金属凸峰直接接触时结点总面积的多少，而，7 越大，说明表面复合保护膜破坏愈严重，摩擦状态愈恶劣，将迅速增大，导致摩擦系数过大，磨耗增加：当，7 = l 时，= f _ b ，表面保护膜完全被破坏，摩擦状态变成纯粹的干摩擦在良好的润滑状态下，表面将有一层表面保护膜，粗糙凸峰大大平缓，而表面膜的强度较高，将两接触表面有效地分开，使得金属直接接触的总面积与名义接触面积之比大大下降，即叩很小，使得式2 一l o 中的影响相对大大减小，整个摩擦磨损也将大大减小，当玎= o 时，表面保护膜完全将表面金属隔开，摩擦分子分量气，决定了摩擦的大小，式2 一1 0 成为：厂= 气( 2 一1 1 )所以叩是一个非常重要的参数，当f - 和气一定时，j 7 决定了j r 的大小j 7 的大小将受到很多因素的影响，经分析应有以下四个主要因素：相对速度；载荷；表面膜强度；表面膜再生速度l o，：坚：竺! 丝叫! 二! ：竺! 丝( 2 1 2 )式中：p 表面质量系数；e 材料的弹性模量；材料的屈服极限；f _ 材料表面的机械剪切应力；吒润滑介质分子问剪应力；巳挤压变形应力上述各参数均可根据实际工况条件、配副材料、润滑介质等从机械设计手册中查出，c 可由实验求出。摩擦系数的理论值与试验值的对比关系如图2 1 0 所示。o 3 0淄值o5l o1 5 嬲弱柏钓蓑警m 乳图2 1 0 载荷和摩擦系数关系图比较两曲线可知，两曲线趋势大体一致，说明式2 - 1 2 的数学模型是较为准确的，当载荷在o 6 m p a 之间变化时，摩擦系数计算值基本不变，为o 0 4 左右，可以保证自锁条件。当载荷继续加大时，摩擦系数逐渐增加至3 5 m p a 后摩擦系数过大，系统失效1 。2 2 5 润滑、密封元件对摩擦力矩的影响2 2 5 1 润滑对摩擦力矩的影响润滑设计是提高滚珠丝杠副传动效率、减少磨损、充分发挥滚珠丝杠副传动2 0笱搭伯骼眦饥m&鼙氍鞭鼍特点的重要手段。它一般包括润滑剂与润滑方式的选择，以及润滑装置的确定滚珠丝杠副机构的滚珠与内外滚道的接触表面问加入润滑剂进行润滑的目的有：( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )减少滚动表面间产生的摩擦，以提高机械效率，减少摩擦损失；通过润滑可将摩擦产生的热量均匀地传递给滚珠丝杠副的其它部分，带走部分热量，防止产生局部高温；防止滚珠丝杠副零件表面产生锈蚀；填充密封装置中固定零件和旋转零件之间的间隙，防止灰尘、水分及其它有害物质侵入：( 5 )润滑剂在滚道接触表面间形成油膜，可吸收瞬时力的冲击，起到缓冲吸振、减少传动噪音的作用。润滑剂的选择对滚珠丝杠副的摩擦力矩影响分析如下：( 1 ) 载荷特性滚珠丝杠副的起动摩擦力矩与其预紧载荷大小成正比嘲双螺母预紧条件下，其起动摩接力矩亦可表示为：= 警( 2 _ 1 3 )式中：e 预紧载荷；上导程；膏由结构、润滑而定的系数，一般取| i = o 1 0 2 ；肘起启动摩擦力矩。图2 1 l 表示润滑脂润滑双螺母预紧滚珠丝杠副起动和转动力矩与载荷的关系由图中可知，低速下转动力矩与起动力矩相近；随着转速增大，由于油脂的搅动阻力使动态转动力矩也增大；但是，因摩擦发热，温度亦随之升高，使得油脂的基油粘度下降，动态转矩变小所以在高速下，动态摩擦力矩不完全随裁荷成比例地增加。山东大学硕士学位论文1一盔摄茕孙s嵛缸捐湃滑唐( 墓油粘度1 3 5 1 s t ，3 7 8 )封入置：1 2 1 3 空同l21 0 0z 0 03 0 0预压袭荷( k g )注：1 8 5 0 r n l j i i2 5 8 r ，m i n3 启动图2 1 l 双螺母预紧滚珠丝杠副起动和转动力矩与载荷的关系( 2 ) 速度特性机床传动的高速化，使传动螺旋的速度也由原来的5 m m i n 提高到l o o m m i n 。在高速条件下用脂润滑时，滚珠丝杠副的摩擦力矩亦明显地增大；而改用油润滑，则在转速变化下，摩擦力矩能保持某一稳定的数值。当然改变润滑脂种类，亦能得到较满意的速度特性。在相同负荷下，滚珠丝杠副的动态转矩的速度特性，即随速度变化而保持其摩擦力矩稳定值的能力，主要取决于润滑剂的粘度。对粘度较高的润滑脂或油，均因高速下搅动增大，引起摩接力矩增大，温度升高，导致丝杠的热变形增大，所以高速下更应注意润滑剂的选择。( 3 ) 历时特性润滑剂的历时特性，主要指的是工作时间长短对动态摩擦力矩值的影响。一般情况下，经过一定时间的连续运转后，随着时间的增长，动态摩擦力矩逐渐地达到某一稳定值。这个随时间变化的特性，主要是温升引起的润滑剂粘度的变化。润滑剂种类不同，其粘度随温度变化特性亦不同，故它们有不同的历时特性。稀油润滑历时特性较好，随时间的增长，动态摩擦力矩变化较小；脂润滑当中，粘度愈大、油2 2第二苹滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素研究脂封入量愈大，则历时特性愈差，摩擦力矩随时间增长变化就大。滚珠丝杠副使用中，为使设备运转平稳，要求历时特性好，摩擦力矩变化小从上可知，通过润滑剂种类、封入量选择，可得到所需的历时特性( 4 ) 油膜生成特性滚珠丝杠副传动工作过程中，润滑剂在滚道表面与滚珠接触面间油膜生成情况可转换成微小电位差，通过示波器观察。有关实验结果表明，高速情况下易生成油膜，低速情况下脂润滑中基油粘度低的油脂比基油粘度高的油脂较难形成油膜；同时，在油润滑条件下比脂润滑时更难生成油膜这样一来，按滚珠丝杠副使用条件，虽可通过润滑剂选择得到较满意的力矩特性，但是在较大的速度变化范围内，其它特性如油膜生成特性将变坏( 5 ) 抗磨损特性精密滚珠丝杠副传动的磨损，在正常润滑条件下极为微小但若在润滑剂中混入切削液、切屑等异物后，可使磨损成倍的增长2 2 5 2 密封元件对摩擦力矩的影响滚珠丝杠副传动的密封装置，是用来防止润滑剂从螺母内部泄漏出来，避免润滑剂的流失，及由此造成的污染设备、污染环境，同时也用来防止外界的脏物、灰尘、水分、有害气体等进入螺母内部空间，保持润滑油的纯净，遏制外部异物引起的异常磨损及卡死现象发生滚珠丝杠副的密封装置，按其工作原理，可分为接触式和非接触式两种接触式密封装置是固定在螺母上的密封元件与丝杠滚道面始终保持紧密接触，保证螺母内润滑剂不外泄，防止外界异物进入螺母与丝杠滚道空间按密封元件不同，可分为弹性密封和毛毡密封等接触式密封其密封效果较好但摩擦与磨损是此种密封装置失效的重要因素。摩擦力矩增大，发热增加，密封圈老化现象加剧，寿命降低。非接触式密封装置，即密封元件与丝杠滚道不直接接触，通过它们问很小的曲折的间隙来实现密封。将间隙沿滚道型面加长，或在间隙中充填润滑剂，均能加强密封效果。这种密封装置的密封效果不如接触式，但无摩擦力矩和磨损2 3 滚珠丝杠副摩擦力矩的计算在滚珠丝杠副摩擦力矩的研究方面，黄寿荣、黄家贤从丝杠及螺母的螺纹半径误差、导程误差及滚道的形状误差等制造误差以及滚珠进出反向器时的冲击等因素分析对摩擦力矩的影响“”另外，从前面的分析中我们知道滚珠丝杠副的摩擦力矩与多种因素有关，但当对丝杠副施加预紧力后，其它因素的影响小于预紧力引起的摩擦力矩，因此，本节中重点研究预紧力对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响，建立预紧力与刚度及摩擦力矩的关系。2 3 1 滚珠在滚道中的接触特性根据赫兹理论，任意弹性体之间的接触区域为一椭圆，且接触区域的应力分布为以该椭圆为底的椭球体。赫兹接触理论做了一下假设：( 1 ) 材料是均质的；( 2 ) 接触区的尺寸远远小于物体的尺寸；( 3 ) 作用力与接触面垂直；( 4 ) 变形在弹性极限内进行。对于滚珠丝杠副内部的接触问题来说，这些假设基本上是成立的。因此，滚珠丝杠和滚珠的接触区域也是一个椭圆形区域，根据赫兹接触理论可以计算滚珠的弹性变形量以及接触区域的尺寸甜，设接触椭圆的长半轴为口，短半轴为6 ，弹性变形量为占，则有：愿历晤艉鬲鹰( 2 一1 4 )蹦s 差水丽蕊式中：p = p i + p - n + p ：i + p 2 n ，p i ，p n ，p 2 i ，p 2 n 分别是弹性接触体i 、兀的主曲率；，u ，七由两物体的接触尺寸，即c o s f 所决定的系数，可查表求出；是两主曲率半径之间的夹角；去；三二墨2 尘，e 。，e 。分别为滚珠和丝杠的弹性模量，l ，m 。z ，1 ，朋：z止o占分别为滚珠和丝杠的泊松比：q 是滚珠与丝杠之间的作用力。我们以3 2 0 6 1 2 9 7 一乃型滚珠丝杠为例，其丝杠底径为2 r = 3 2 m 辫，滚珠直径三 r 为4 柳，丝杠导程，= 6 删，丝杠的滚道升角五= a m 蛆r ) ，且螺纹滚道半径，与滚珠直径的比值岛= = o 5 2 一o 5 6 ，从滚珠丝杠副的承载能力、寿命和1 7 r刚度等因素考虑，推荐取比值o 5 4 ，则螺纹滚道半径，= 2 1 6 ，根据上面参数有：p 1 2 印n = o 5p 2 i - 号笋= o 0 6 2 4 ，p 2 ；- r = - o 4 6 3 0取虽= 历= 2 1 1 矿，删2 ，伪= 们= o 3 ，国= 0 ，有炉2 0 1 “，l ，：o 5 8 8 1 。设n 是滚珠在丝杠副中受到的正压力，则丝杠与滚珠之间的接触区域参数与正压。力之间的关系为：口= o 0 5 6 2 | 1 7 3 舢帆6 = o 0 1 6 4 1 ”埘m( 2 1 5 )j = 0 2 2 2 9