四种加载方式下滚珠丝杠副受力对比分析.pdf

第 2 期 2015 年 2 月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 Modular Machine Tool Automatic Manufacturing Technique No 2 Feb 2015 文章编号 1001 2265 2015 02 0030 05DOI 10 13462 j cnki mmtamt 2015 02 009 收稿日期 基金项目 国家科技重大专项 2012ZX04002021 作者简介 徐益飞 1990 男 江苏如皋人 南京理工大学硕士研究生 研究方向为滚动功能部件试验技术 精密机电测控技术 E mail justx uyifei 163 com 通讯作者 冯虎田 1965 男 辽宁锦州人 南京理工大学教授 博导 博士 研究方向为精密滚动功能部件设计与测 控技术 机器人技术 可靠性技术 E mail fenght mail njust edu cn 四种加载方式下滚珠丝杠副受力对比分析 徐益飞 冯虎田 欧屹 南京理工大学 机械工程学院 南京210094 摘要 结合现有以及正在研发的滚珠丝杠副试验装置 综合分析了四种典型的滚珠丝杠副加载方式 对四种加载方式的原理分别进行了详细阐述 分析了滚珠丝杠副螺母及丝杠的受力情况 并对四种 加载方式下丝杠滚道表面的受力情况做了对比分析 阐述了四种加载方式各自的特点以及模拟实际 工况的情况 关键词 滚珠丝杠副 加载方式 受力分析 中图分类号 TH132 TG506文献标识码 A Comprehensive Stress Analysis of the Four Typical Screw Loading Ways XU Yi fei FENG Hu tian OU Yi School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and Technology Nanjing 210094 China Abstract Comprehensive analysis of the four typical screw loading ways is combined with the existing and developing of the ball screw test apparatus Explains the principle of four kinds of loading ways respectively and analyzes the force of the nut and screw And do a comparative analysis of the four loading ways about the stress of the screw surface This paper expounds the four types of load characteristics and the situation of the simulating actual working condition Key words ball screw loading ways stress analysis 0引言 滚珠丝杠副主要由滚珠丝杠 丝杠螺母 滚珠和回 珠器组成 在现代工业 航空业 汽车业等领域都有广 泛的应用 并对机床行业的稳步前进和今后发展造成 了较大的影响 1 2 滚珠丝杠副应用范围之广 这就要求其能满足各 种不同的工作环境 应力水平等 并具有较好的精度保 持性和性能可靠性 但是电子产品的可靠性试验和评 估分析方法并不适用于机械产业 3 4 针对这一难题 国内相关的企业以及高校已研发出了多台针对滚珠丝 杠副的性能试验台 5 8 模拟滚珠丝杠副的实际工况 研究其相关性能 由此 本文结合已有的试验装置 通 过对滚珠丝杠副进行模拟加载 分析加载状态下丝杠 副的受力情况 为后续的试验打下基础 1四种加载方式下丝杠副受力分析 1 1丝杠轴向加载 1 1 1加载原理 该种加载方式的工作载荷施加在丝杠轴向 受力 示意图如图 1 所示 在施加工作载荷 F 之前 通过调 整两个螺母 1 2 之间的轴向位置 在滚珠与滚道圆弧 面间施加一定的接触应力 产生一定预变性 图 1丝杠轴向加载施力示意图 1 1 2螺母受力分析 采用图 1 所示加载方式 螺母 1 承受工作载荷 F 作用 螺母 2 只承受预紧力 FP作用 称螺母 1 为工作 螺母 螺母 2 为预紧螺母 1 加载前 螺母 1 和螺母 2 均只受预紧力 FP作 用 并产生轴向预紧弹性变形量 F P 2 当给丝杠施加轴向工作载荷 F 之后 工作螺 母 1 由于工作载荷 F 的作用 增加弹性变形量 F 同 时螺母 2 由于材料的弹性恢复作用相应地减少轴向变 形量 F 9 3 该加载方式下 工作螺母 1 在轴向工作载荷 F 和预紧力 FP作用下总的变形量及总的轴向力分别为 1 F P 1 F1 Fp F F 2 预紧螺母 2 在轴向工作载荷 F 和预紧力 Fp作用 下的变形量及总的轴向力分别为 2 Fp Fp 3 F2 Fp F 4 F 螺母 2 产生的弹性恢复力 F 轴向工作载荷 FP 预紧力 由式 4 可知 增大轴向载荷 F 当螺母 2 的弹性 恢复力等于预紧力 即 F Fp时 螺母 2 所受轴向力 F2 0 其预紧弹性变形量完全消失 但螺母与滚珠仍 保持接触 此为工作载荷 F 的极限状态 若继续增大 工作载荷 F 则螺母2 将产生轴向间隙 从而降低丝杠 传动精度及轴向刚度 4 当预紧螺母 2 出现轴向间隙后 继续增大工 作载荷 F 直至螺母 2 再次通过滚珠与滚道表面压紧 该状态下螺母的受力方式如图 2 所示 图 2丝杠轴向加载方式下轴向力增大后螺母受力示意图 工作螺母1 在轴向工作载荷 F 作用下总的变形量 及总的轴向力分别为 1 F F FP 5 F1 F F Fp 6 螺母 2 在轴向工作载荷 F 作用下变形量及总轴向 力分别为 2 F F p 7 F2 F Fp 8 F 螺母 2 产生的弹性变形力 F 轴向工作载荷 FP 预紧力 该状态下螺母 1 螺母 2 轴向作用力方向相同 轴 向载荷 F 的增大过程中螺母 1 受力方向恒定 且一直 处于压缩状态 由式 5 7 可知 螺母 1 的弹性变 形量大于螺母 2 的弹性变形量 故螺母 1 先于螺母 2 达到应力极限状态 若继续增大轴向工作载荷 F 螺 母 1 先产生功能性破坏 1 1 3丝杠滚道受力分析 1 该加载方式下当工作载荷较小时 滚珠与滚 道的接触情况如图 1 所示 双螺母往返重复运动时 其螺母 1 2 分别始终与丝杠保持同一接触面 由式 2 4 可知 螺母 1 滚珠与丝杠滚道表面的接触应 力比只承受预紧力作用的螺母 2 大 因此工作一定时 间后螺母 1 与滚道表面将产生强于螺母 2 与滚道表面 的磨损 直至产生功能性破坏 2 当持续增大工作载荷 直至螺母 2 预紧力完 全消失 反向消除间隙并再次与丝杠压紧 螺母 1 2 与 滚道表面接触情况如图 2 所示 此时两个螺母都与丝 杠滚道的同一表面接触 当螺母往返运动时由于接触 应力的作用 丝杠滚道表面同一侧产生磨损 而滚道另 一侧不产生磨损破坏 1 2内力加载 1 2 1加载原理 内力加载方式基于滚珠丝杠副可靠性试验台 采 用滚珠丝杠副螺母轴向加载机构 10 实施内力加载 通 过调整两副双螺母之间的轴向相对位置 两副螺母分 别与丝杠滚道的两个不同的侧面接触 从而在滚珠与 滚道圆弧面之间产生接触应力 该加载方式可模拟额定工作载荷下需要经常启 停 反转 不等速运动滚珠丝杠副的工况 加载机构示 意图及试验台实物如下图 3 图 4 所示 A 5 89 6 894 3 2C 17 图 3轴向加载机构示意图 图 4滚珠丝杠副可靠性试验台 1 2 2螺母受力分析 内力加载时施力示意图如下图所示 图 5内力加载双螺母施力示意图 由图 5 可知 双螺母 A 受与速度方向相反的工作 载荷 F 作用 双螺母 B 受与速度方向相同的工作载荷 F 作用 两副双螺母 A B 的受力示意图如图 6 图 7 所示 图 6双螺母 A 受力示意图 13 2015 年 2 月徐益飞 等 四种加载方式下滚珠丝杠副受力对比分析 图 7双螺母 B 受力示意图 对双螺母 A 而言 加载前 螺母1 和螺母2 均只受 预紧力 FP作用 产生轴向预紧弹性变形量 F P 1 当给螺母 2 法兰施加如图 6 所示工作载荷 F 时 螺母 1 由于工作载荷 F 作用 增加弹性变形量 F 同时螺母 2 由于材料的弹性恢复作用相应地减少轴向 变形量 F 内力加载方式下 螺母 1 在轴向工作载荷 F 和预紧力 FP作用下总变形量及总轴向力分别为 1 F FP 9 F1 F FP F 10 螺母 2 在工作载荷 F 和预紧力 FP作用下总变形 量和总轴向力分别为 2 FP F 11 F2 FP F F 12 F 螺母 2 产生的弹性恢复力 F 轴向工作载荷 FP 预紧力 2 增大工作载荷 F 当螺母 2 的轴向力 F2 0 时 螺母 2 的预紧弹性变形量完全消失 但螺母与滚珠 仍保持接触 若继续增大轴向力 螺母 2 将出现轴向间 隙 从而降低丝杠传动精度及轴向刚度 3 螺母 2 出现轴向间隙后 继续增大工作载荷 F 直至螺母 2 再次与滚珠丝杠的滚道接触 此时 螺 母与滚道的接触情况如图 8 所示 图 8双螺母 A 与丝杠滚道面接触示意图 螺母1 在工作载荷 F 作用下总变形量及总轴向力 分别为 1 F FP F 13 F1 F F FP 14 螺母2 在轴向工作载荷 F 作用下的总变形量和总 轴向力分别为 2 FP F 15 F2 FP F 16 F 螺母 2 产生的弹性变形力 F 轴向工作载荷 FP 预紧力 根据以上分析 双螺母 B 的两个螺母 1 2 的受力 方式与双螺母 A 相反 1 2 3滚道受力分析 1 内力加载方式下工作载荷较小时 滚珠与滚 道的接触面如图 6 图 7 所示 当加载机构往返重复 运动时双螺母 A 的滚珠分别始终与丝杠保持同一接 触面 对于双螺母 A 由式 10 12 可知 螺母 1 滚 珠与丝杠滚道表面的接触应力比螺母 2 大 故工作一 定时间后螺母 1 与丝杠滚道表面间产生强于螺母 2 与 丝杠滚道表面间的磨损 直至产生功能性破坏 双螺 母 B 对滚道的影响情况与双螺母 A 相反 故不再赘 述 2 内力加载方式下对双螺母 A 而言 持续增大 载荷 直至螺母 2 预紧力完全消失 反向消除间隙再次 与丝杠压紧之后 两副双螺母与丝杠滚道的接触情况 如图9 所示 该状态下双螺母 A 两个螺母都与丝杠滚 道的同一表面接触 当螺母往返重复运动时由于接触 应力作用 丝杠滚道表面同一侧产生磨损 而滚道另一 侧几乎不产生磨损破坏 双螺母 B 对滚道的影响情 况正好与双螺母 A 相反 在双螺母 A B 的共同作用 下 丝杠滚道整个表面产生同等程度的磨损 图 9内力加载载荷增大后螺母与丝杠滚道接触示意图 1 3外力加载 1 3 1加载原理 外力加载方案采用伺服电机拖动被测丝杠旋转 被测丝杠的螺母固定在工作台上 螺母旋转运动转化 为工作台直线运动 通过两根同步运转加载丝杠的螺 母给被测丝杠螺母提供加载力 外力加载试验台结构 原理图如图 10 所示 01 2 3 1 伺服电机 2 头架部件 3 加载丝杠 a4 加载工作台 5 被测工作台6 被测丝杠尾架支撑部件 7 加载丝杠尾架支撑部件 8 电涡流制动器阻尼 组件 9 加载丝杠 b 10 被测丝杠 11 床身 图 10外力加载结构原理图 1 3 2螺母受力分析 外力加载通过两根加载丝杠将力施加在被测丝杠 螺母上 当工作载荷 F 推动螺母向前运动时 螺母受力 如图 11 所示 当丝杠返程运动时 工作载荷 F 拖动螺 母反向运动 螺母受力情况如图 12 所示 图 11工作载荷 F 推动螺母运动示意图 23 组合机床与自动化加工技术第 2 期 图 12工作载荷 F 拖动螺母运动示意图 1 未加载之前 螺母 1 和螺母 2 都只受预紧力 Fp作用 产生轴向预紧弹性变形量 F P 2 当给螺母 2 法兰施加轴向工作载荷 F 后 螺 母 1 由于工作载荷 F 的作用 增加弹性变形量 F 同 时螺母 2 由于材料的弹性恢复作用相应地减少轴向变 形量 F 螺母 1 在轴向工作载荷 F 和预紧力 FP作用 下总变形量以及总轴向力分别为 1 F FP 17 F1 F FP F 18 螺母 2 在轴向工作载荷 F 和预紧力 FP作用下的 总变形量和总的轴向力分别为 2 FP F 19 F2 FP F F 20 F 螺母 2 产生的弹性恢复力 F 轴向工作载荷 FP 预紧力 3 增大工作载荷 F 当螺母 2 的轴向力 F2 0 时 其预紧弹性变形量完全消失 但螺母与滚珠仍保持 接触 若继续增大轴向力 螺母 2 将出现轴向间隙 从 而降低丝杠传动精度及轴向刚度 4 当螺母 2 出现轴向间隙后 继续增大工作载 荷 F 直至螺母2 再次与丝杠的滚道接触 此时 滚珠 与滚道的接触情况如图 13 所示 图 13推动螺母运动载荷增大后滚珠与滚道接触示意图 螺母1 在轴向工作载荷 F 作用下总变形量以及总 轴向力分别为 1 F FP F 21 F1 F F FP 22 螺母2 在轴向工作载荷 F 作用下的总变形量和总 轴向力分别为 2 FP F 23 F2 FP F 24 F 螺母 2 产生的弹性变形力 F 轴向工作载荷 FP 预紧力 当根据图 12 所示的外力加载方式拖动螺母向前 运动时 螺母 1 2 的受力方式与图 11 所示推动螺母运 动时螺母 2 1 相同 1 3 3滚道受力分析 1 该加载方式下施加载荷推动双螺母工作 当 载荷较小时 滚珠与滚道的接触情况如图 11 所示 滚 珠始终与丝杠保持同一接触面 滚珠对滚道表面的影 响情况与图 6 相同 2 该加载方式下施加载荷推动双螺母工作 当 载荷持续增大 直至螺母 2 预紧力完全消失 反向消除 间隙再次与丝杠压紧后 螺母 1 2 与滚道的接触情况 及滚珠对滚道表面的影响情况与图 9 相同 3 该加载方式下施加载荷拖动双螺母工作时 螺母 1 2 对滚道的影响情况与推动双螺母工作时螺母 2 1 相同 1 4双向加载 1 4 1加载原理 双向加载基于滚珠丝杠副精度保持性试验台 加 载原理及滚珠丝杠副精度保持性试验台实物如图 14 图 15 所示 两根同种规格的丝杠对称布置 一根为正 传动 一根为逆传动 电机拖动正传动丝杠旋转 正传 动丝杠通过加载工作台带动逆传动丝杠一起运动 逆 传动丝杠通过制动器给系统施加工作载荷 83 4 62 19 572 0 图 14双向加载方案结构原理图 图 15精度保持性试验台实物图 1 4 2螺母及滚道受力分析 双向加载系统施力方式如图 16 所示 1 对正传动双螺母 A 而言 施加载荷后 其受力 方式以及对滚道的磨损情况与内力加载方式的双螺母 B 相同 如图 7 所示 当其反向运动时其受力方式及 对滚道的磨损情况与内力加载方式的双螺母 A 相同 如图 6 所示 2 对逆传动双螺母 B 而言 施加载荷后 其受力 方式以及对滚道的磨损情况与正传动的双螺母 A 相 反 1 0 2 0 图 16双向加载方案螺母受力示意图 33 2015 年 2 月徐益飞 等 四种加载方式下滚珠丝杠副受力对比分析 2四种加载方式对比分析 2 1螺母受力情况对比 根据以上分析可知 1 加载前 螺母 1 2 都只受预紧力 Fp作用 2 当给丝杠施加大小相等的工作载荷 F 且未抵 消预紧力时 轴向加载 内力加载的双螺母 A 外力加载推动 螺母运动以及双向加载方式下正传动双螺母 A 反向 运动时螺母 1 的轴向受力情况相同 轴向加载 外力加载推动螺母运动以及双向加 载方式下正传动双螺母 A 反向运动时螺母 2 的轴向 受力情况相同 与内力加载双螺母 A 的螺母 2 轴向受 力情况不同 内力加载方式下双螺母 B 的两个螺母1 2 轴向 受力情况与该状态下双螺母 A 的两个螺母2 1 受力情 况以及双向加载方式下正传动双螺母 A 的两个螺母 1 2 受力情况相同 外力加载拖动螺母运动时螺母 1 2 的受力情况 与外力加载推动螺母运动时螺母 2 1 的受力情况相 同 3 当螺母 2 出现轴向间隙 继续增大工作载荷 F 直至螺母 2 再次与滚珠丝杠的滚道接触时 轴向加载 内力加载的双螺母 A 外力加载推动 螺母运动的方式以及双向加载方式下正传动双螺母 A 反向运动时螺母 1 的轴向受力情况相同 轴向加载 内力加载的双螺母 A 外力加载推动 螺母运动的方式以及双向加载方式下正传动双螺母 A 反向运动时螺母 2 的轴向受力情况相同 内力加载方式下双螺母 B 的两个螺母1 2 轴向 受力情况与该状态下双螺母 A 的两个螺母2 1 受力情 况以及双向加载方式下正传动双螺母 A 的两个螺母 1 2 受力情况相同 外力加载拖动螺母运动时螺母 1 2 的受力情况 与外力加载推动螺母运动时螺母 2 1 的受力情况相 同 2 2滚道受力情况对比 1 四种加载方式下施加载荷 当载荷较小螺母 往返重复运动时 双螺母的滚珠分别始终与丝杠保持 同一接触面 故在丝杠的同一滚道表面的磨损 直至 产生功能性破坏 2 四种加载方式下施加载荷 当载荷持续增大 直至螺母预紧力完全消失 反向消除间隙再次与丝杠 压紧之后 该种状态下两个螺母都与丝杠滚道的同一 表面接触 当螺母往返重复运动时由于接触应力的作 用 丝杠滚道表面同一侧产生磨损 而滚道另一侧几乎 不产生磨损破坏 3结束语 本文结合现有以及正在研发的滚珠丝杠副试验装 置 综合分析了四种典型的丝杠加载方式 对四种加载 方式的原理分别进行了介绍 分析了螺母及丝杠的受 力情况 并对四种加载方式下丝杠的受力条件做了对 比分析 阐述了四种加载方式各自的特点以及模拟实 际工况的情况 对后续针对滚珠丝杠副的性能试验具 有参考意义 参考文献 1 程光仁 施祖康 张超鹏 滚珠丝杠副设计基础 M 北 京 机械工业出版社 1987 2 黄祖尧 关于振兴滚动功能部件产业的思考 J 制造 技术与机床 2003 6 63 66 3 Lynwood M Mechanical systems reliability testing 1981 Annual eliability and Maintai