行星滚柱丝杠副研究现状与发展趋势

1、第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集行星滚柱丝杠副研究现状与发展趋势第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集行星滚柱丝杠副研究现状与发展趋势孟德安，赵升吨，董渊哲 (西安交通大学模具与先进成形技术研究所，西安710049)摘要：行星滚柱丝杠(PRS)是一种承载力、传动速度、寿命均优于滚珠丝杠的传动部 件，本文介绍了3种主要的行星滚柱丝杠(标准式、反向式和循环式)，并就标准式PRS传 动原理进行了理论推导，最后对国内外研究现状和其关键技术作了简要分析。关键词：行星滚柱丝杠；研究现状；发展趋势Theresearch status anddev

2、elopmentofplanetary roller screwMENGDean，ZHAO Shendun，DONGYuanzhe(SchoolofMechanical Engineering，Xian JiaotongUniversity,Xian 710049，Shanxi China)Abstract：Planemry roller screw(PRS)is mechanical transmission device which is beaer than ball screw in capacity，speedand lifeThis paper introduced three k

3、ind of PRS(standard， and circular)and analyzed the theoretical principle of the standard PRSFinally，the research status andits keytechnologies were analyzed brieflyKeywords：Planetaryroller screw；Research Status；Development1引言发展，使得PRS重新受到了关注。本文分别 高档数控机床是国家十六个重点突破从结构形式、传动原理、国内外研究现状、 领域之一，是高端装备制造业的基础。滚

4、动关键技术和未来发展趋势等方面对行星滚 功能部件是高档数控机床的重要组成部分，柱丝杠进行了分析，旨在为丝杠的设计、研其发展水平一定程度上决定着数控机床的 究和国产化提供一定的研究基础。 先进程度和对市场的适用能力，成为制约我 国中高档数控机床国产化的瓶颈。同时，航2行星滚柱丝杠主要类型及传动特点 空、航天、兵器等国防工业的发展也越来越 21行星滚柱丝杠的分类需要大推力、高速度、高精度、低噪声的高行星滚柱丝杠的种类多样，按不同的分类方式主要可分为以下几种类型 ：性能、高寿命的滚动功能部件。1)按安装方式分行星滚柱丝杠(Planetary RollerScrew，PRS)作为一种新型的可将旋转运动

5、可以分为法兰螺母式、圆柱式、螺纹式等类型，如图1所示。和直线运动相互转化的传动部件，与传统的的滚柱丝杠相比具有承载能力高、寿命长、 加速度和速度高、导程小等优点。其中，中(a)法兰螺母式小直径行星滚柱丝杠特别适用于航空、车辆、武器等，大直径行星滚柱丝杠特别适用 于重型锻压设备、重型车铣镗床、船舶等。近年来，随着航空、兵器等国防工业和机床(b)圆柱式等传统工业向精密化方向发展，行星滚柱丝杠凭借自身的优势成为新的研究热点。由于PRS结构复杂，加工成本大，装配困难等原 因，早期国内一直没有得到推广和应用。近(c)螺纹式些年随着螺纹加工工艺的提高，以及装备制造技术的发展，尤其是交流伺服直驱技术的图1滚

6、柱丝杠的安装方式155第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集2)按丝杠、螺母的长短组合分第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集2)按丝杠、螺母的长短组合分所示，包括丝杠、滚柱、螺母、内齿圈和保 可以分为标准式和反向式，见图2。标持架5个部件。丝杠1与螺母4均为多头螺 准式PRS丝杠长、螺母短，滚柱与螺母之纹，牙型角均为三角形；滚柱3为单头螺纹， 间无轴向相对运动，一般用于丝杠旋转，驱球形轮廓，同时为了消除丝杠螺旋升角对滚 动螺母直线运动的场合；反向式PRS丝杠柱产生的倾斜力矩，在滚柱两端加工有直齿 短、螺母长，滚柱与丝杠之间无轴向相对运轮

7、，与内齿圈2啮合，以确保滚柱轴线平行 动，一般用于螺母旋转，驱动丝杠直线运动于丝杠轴线而正常滚动，保持架4使滚柱沿 的场合。 圆周均匀分布。当丝杠旋转时，滚柱既绕着 丝杠轴线公转，又绕自身轴线自转。为了保证传动比为常数，滚柱、丝杠与螺母三者螺 旋方向相同，且之间具有相同的螺旋升角， 滚柱与螺母啮合时能够确保纯滚动并且没 有相对轴向位移。标准式PRS是应用最广 泛的行星滚柱丝杠产品，基本上可以应用于 所有使用滚珠丝杠的场合。图2滚柱丝杠的丝杠、螺母组合a标准式行星滚柱丝杠b反向式行星滚柱丝杠3)按滚道形式分图4标准PRS结构图可以分为圆环滚道式和螺旋滚道式。圆1丝杠2内齿圈3滚柱4螺母5保持架环

8、滚道式滚柱丝杠，即对于长丝杠短螺母组反向式PRS部件组成与标准式PRS基合，滚柱及螺母采用无螺旋升角的圆环滚本一致，如图5所示，主要区别是螺母5较 道，只有丝杠是螺旋滚道，此类丝杠副又称长，内齿圈2固定在丝杠上与滚柱两端齿牙 为循环式(图3)；螺旋滚道式，丝杠、滚柱、外啮合。在传动上，反向式PRS的长螺母 螺母均为螺旋滚道，又称为非循环式行星滚为主动件，由丝杠直线输出，滚柱与丝杠螺 柱丝杠(图2a)。这种丝杠副的丝杠、滚柱、旋升角相同，传动过程两者没有相对轴向位 螺母有相同的牙形角、螺距。移，螺母旋向与丝杠旋向相同且与滚柱旋向相反，丝杠在螺母内部运动。该种PRS主 要用于行星电动缸转子部分，螺

9、母作为电机 转子使电动缸结构紧凑。图3圆环滚道式滚柱丝杠22结构形式及传动特点221行星滚柱丝杠的结构形式 典型的PRS主要由三部分组成，即丝杠，滚柱和螺母，其中丝杠和螺母一般为牙图5反向式PRS结构图型角为90。的多头螺纹，且螺纹头数相等，I丝杠2内齿圈3滚柱4保持架5螺母滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，为了提循环式PRS滚柱丝杠由长丝杠、短螺 高承载力螺纹牙廓通常加工成球面。母、滚柱、辊道保持架和凸轮压盖等组成，其中，标准式PRS的基本结构如图4如图6所示。丝杠的螺纹为单头和双头，齿156第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届-&学术交流会议论文集形为三角形，为螺旋滚道；滚柱及螺母采

10、用第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届-&学术交流会议论文集形为三角形，为螺旋滚道；滚柱及螺母采用角为： 了无螺旋升角的圆环滚道。滚柱安装在辊道 =侠一oR(3) 和确保滚柱间距的保持架上，当丝杠和螺母在无滑动条件下丝杠和滚柱接触弧长旋转时，滚柱轴向放置于螺母内，每旋转1相等，存在： 周，螺母端部的两个凸轮压盖使每个滚柱都咚=rRAoRf(4)回到初始位置。由于外形小加工精密，多用在机床等高精度定位场合，导程可以设计计当丝杠转过g时，滚柱公转角度嚷，算为整数或者小数，导程最小可以做成丝杠相对于滚柱转角艮，滚柱自转角度03mm。如下：foR=Osrs2(+)鲒=酞(咯+2)21r+)【0

11、Re=B(七+2)b2(+rR)k设螺距为s，丝杠头数为协，螺母头数 为，丝杠旋转一周即9 s=2TT，滚柱相对 于螺母的轴向位移H1，丝杠相对于滚柱轴图6循环式PRS结构图向位移飓，其中：1丝杠2辊道保持架3菇柱4螺母5凸轮压盖222行星滚柱丝杠的传动原理jHI=nNSOR7叫陀兀(6)PRS传动原理(图7b)与行星齿轮传【H2=5站2冗动(图7a)原理相似，可以将丝杠和螺母看为使滚柱在螺母内不产生轴向移动，必 作是太阳轮，滚柱作为行星轮。当丝杠旋转须使目=0，又有飓=邸，则：且螺母固定时，滚柱围绕着丝杠做行星运=s=rs乍+2(7)动，同时通过螺旋传动的原理，将丝杠的转由上式可知PRS运动

12、的一般规律为：动转化为螺母的的直线往复运动。匝螺母与丝杠头数相同；丝杠与滚子公称直径比值为整数；螺母、滚柱和丝杠的螺旋方向相同(紧限标准式PRS)。 223行星滚柱丝杠的传动优势行星滚柱丝杠功能与滚珠丝杠(BSM) 类似。与滚珠丝杠相比，PRS采用带有螺纹 的滚子作为滚动单元，如图8所示，该滚子图7滚柱与丝杠无滑动转动关系图a丝杠b滚柱C螺母以标准式PRS为例，假设丝杠和滚柱之 间无滑动，保持纯滚动运动状态，丝杠作为 主动件，其中丝杠角速度为聪，滚柱公转角 速度滚柱自传角速度为。，丝杠角速 度聪与滚柱公转角速度存在以下关系：图8行星滚柱丝杠与滚珠丝杠啮合点分析监：!：i：塾型比滚珠拥有更多的接

13、触点和接触面积，通过”7wR(p2)(rs+)对比滚柱丝杠副和滚珠丝杠副的运动机理 由图7b可知，滚柱转角的计算公式为： 和受力状态(表1)，可以发现，行星滚柱丝具有高承载、体积小、高速度、高精度和长oR=0s 1。2(2)吩寿命的显著优势【2】，其中，中小直径行星滚丝杠转角为B，则丝杠相对于螺母的转柱丝杠特别适用于航空、车辆、武器等；大157第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集直径行星滚柱丝杠特别适用于重型锻压设第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集直径行星滚柱丝杠特别适用于重型锻压设Mechanical Design)对丝杠的运动模

14、型、接 备、重型车铣镗床、船舶等。 触元件的滑动模式、传动效率以及弹性变形 表1滚柱丝枉副和滚珠丝杠副的等进行了系统的研究，并分析了行星滚柱丝 运动机理和受力状态的对比杠副在理想状态以及存在滑动的条件下的圆周运动以及工作效率的不同，进一步完善 了行星滚柱丝杠的运动学理论。我国从70年代开始研制滚珠丝杠1对行星滚柱丝杠的研究目前还处于原理性 研究的起步阶段。在结构及参数设计上，华 中科技大学的靳谦忠【llJ等对行星式滚柱丝 杠副的结构、工作原理、运动特性及几何关 系进行了介绍性研究，并推导出了运动关系 的表达方程及两端齿轮齿数的计算方法；于 兆勤【5l等对行星滚柱丝杠的结构特点及设 计选用方法进

15、行了介绍，同时对相同尺寸的3国内外研究现状 行星滚柱丝杠与滚珠丝杠进行了静刚度、抗 滚柱丝杠最早起源于20世纪40年代，振性等方面的比较，发现滚柱丝杠具有明显 瑞典发明家Strangren发明了第一个循环式 优势；杨家军121等对行星滚柱丝杠副的几种 滚柱丝杠的专利。由于其结构复杂、加工难变形进行了研究，得出了整体静刚度的精确 度大和成本较高，最初并得到未广泛应用。计算值。在传动特性上，马尚君13J等针对行 从70年代起，随着武器装备技术的发展， 星滚柱丝杠副的动态运动特性进行了分析以及石油、化工、数控机床等对大推力、高 研究；天津大学的赵英等14】建立了滚柱曲面 精度、高效率、长寿命的机械装

16、置的需求， 和丝杠螺纹曲面的方程，研究丝杠、滚柱间 国外主要国家开始对PRS进行深入研制。 的啮合承载关系；靳谦忠、杨家军等【l纠深入 前苏联ABTOBA3生产工艺研究所1987年 分析了行星滚柱丝杠副摩擦力的产生机理 便开始成批生产行星滚柱丝杠副，现已能生 和特性，推导出了摩擦力矩和所加载荷之间 产螺纹部分长度为1500和2000mm的特长 的关系，为其润滑以及寿命等方面的研究提 型行星滚柱丝杠副：瑞士ROLLVISSA公司 供了理论依据。目前，滚珠丝杠的市场基本 自1970成立起就致力于行星滚柱丝杠的制被SKF、GSA、ROLLVIS等西方发达国家 造、研究与推广31，开发出了一种超精密行

17、 公司垄断，国内主要以切削加工的方式生产 星滚柱丝杠：美国的EXLAR公司将行星滚 和制造行星滚柱丝杠，山东博特、江苏仲孚 柱丝杠作为六自由度并联机构的传动装置， 等企业公开的产品样本中行星滚柱丝杠的 研制了一种新型的电动推杆【4J。近年来，随 直径普遍小于63mm，长度一般小于 着内、外螺纹加工工艺的提高，以及制造设 1000mm，重载型丝杠较少，尚处于单件生 备和相关材料技术的发展，PRS逐渐成为研 产阶段。国内现有的切削加工行星滚柱丝杠 制的热点，行星滚柱丝杠作为通用部件国外 方法存在效率低、浪费材料等缺点，同时， 已有了标准健全的产品系列pJ。切断金属纤维降低了零件机械性能、难以生在基

18、础理论的研究方面，日本学者大冢产出满足需求的重载、高性能产品，因此在 二郎等研究了行星滚柱丝杠副的运动以及 国内开发研究行星滚柱丝杠通用部件系列 刚度；PochettinoP等对行星滚柱丝杠副的前景广阔。 寿命及润滑进行了测试研究；伊朗学者YousefHojjat研究了行星滚柱丝杠副在产生4关键技术分析 滑动的情况下的承载能力以及承载极限；从41结构设计须满足制造条件 2009至2013年，加州大学戴维斯分校的在行星滚柱丝杠中，丝杠螺纹中径与滚 Steven AVelinaky等睁在Journal of柱螺纹中径的比值、螺母螺纹中径与滚柱螺158第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次

19、学术交流会议论文集纹中径的比值均为整数，内齿圈齿数与滚柱第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集纹中径的比值均为整数，内齿圈齿数与滚柱钢：此外，表面硬化的镍铬合金则适用于对 齿数比也为整数，因此设计时要同时考虑螺结构强度和刚度有特殊要求的场合。总之， 纹与齿的加工，丝杠直径较小时，滚柱齿的材料选取和热处理方式应结合PRS的实际 齿数、模数均较小，设计要考虑根切变位和工作环境而定。 保证丝杠中心线与齿轮中心线重合等问题。滚柱的加工通常是先加工出螺纹，再在两端 5未来发展趋势 加工轮齿，反之亦然。采用何种轮齿加工方随着交流伺服直驱以及近净成形等技 法至关重要，一般采用插齿

20、方法，滚齿会损术的发展，以及对大推力大负载、小导程和 伤到部分承载段的螺纹，降低系统承载能 精密传动的要求，为行星滚柱丝杠的发展带 力。 来了新的发展前景。42成形、制造方法51新型PRS结构的研究 目前，高精密、重载型的行星滚柱丝杠在一些直线作动行程较大、承载力更高的成形和制造方法属于核心技术保密。国内 的场合需要长度更长的丝杠或者螺母，同 主要以切削加工的方式生产和制造行星滚 时为了提高承载能力，设计较长的滚柱以增 柱丝杠，切断金属纤维降低了零件机械性 加啮合点，这就给制造带来了相当大的困 能，存在效率低、浪费材料等缺点，难以生 难，尤其是长螺母的制造更困难，很难保证 产出大推力、高精密的

21、重载型丝杠，尚处于 精度，因此，设计新型PRS结构形式值得 单件生产阶段。因此，研发新型的高效成形 探索，例如行星齿轮系统中的串联、并联结 工艺己成为生产行星滚柱丝杠亟待解决的 构形式等。目前，国内外对行星滚柱丝杠的问题。研究单级式，随着精密传动机构的行程的增43摩擦、润滑问题 大，研究设计多级行星滚柱丝杠传动具有很 由PRS的工作原理可知，传动部件主高的实用价值。其中，由于行星滚柱丝杠的 要靠滚动摩擦来实现动力传输，因此，摩擦、载荷是通过螺母传递到丝杠上，这种载荷传 润滑和由摩擦产生热等也是未来需要研究递使得进给系统中的刚度较为薄弱，因此为 的问题。例如，分析丝杠与滚柱、滚柱与螺了提高精密传

22、动机构的传动效率和精度，对 母在啮合区域形成的接触角、弹性变形、摩 多级的行星滚柱丝杠的研究需重点考虑刚擦力等参数与丝杠转速及螺母承受轴向载 度、传动精度的问题。 荷的关系；研究螺旋角对接触角和机械效率 52近净成形技术研究 的影响、产生滑动的因素以及高低温环境下采用以径向锻造为代表的无切削的体 的接触、摩擦、润滑问题；分析接触压力分积成形方法生产行星滚柱丝杠，成形效率 布、应力场分布等的变化规律；研究高低温 高、节能、节材，而且表面塑性变形可有效 环境对润滑剂润滑性能影响，选取符合恶劣 增加零件的表面强度，显著提高产品的机械 环境要求的润滑剂或添加剂。 性能，拥有巨大的发展潜力。在研究上，需

23、44材料和热处理要建立耦合作用下成形过程的微观组织演 为了满足PRS传动的工作性能和精度化规律和材料宏微观耦合的本构模型，对行 要求以获得最长工作寿命和最高承载能星滚柱丝杠径向锻造过程材料的变形流变 力，螺纹滚道必须具有一定硬度，一般为行为，以及材料微一介一宏组织演化规律及对 HRC5862，滚柱结构尺寸小，而且螺纹牙零件形状、尺寸及性能的作用机理进行研 主要承载，其硬度一般为HRC6264。对究，从而获得成形过程参数影响规律，建立 于高温工作环境或采用不锈钢材料加工的行星滚柱丝杠成形过程的优化及精确控制PRS，螺纹滚道表面硬度HRC58为宜。热 理论。 处理方面，如要进行渗碳淬火处理，宜采用

24、53行星滚柱丝杠与电机一体化设计 低碳铬钼钢；若采用感应处理，结合硬度要机电结合的伺服直驱式传动机构己成 求HRC5862，应采用含碳量为04为伺服传动的主流趋势。伺服直驱机构能满 05的铬钼钢；对于精密传动可采用氮化 足航空航天设备所要求的小型化、低能耗、159第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集高可靠、高强度、高刚度。目前已有一些应第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集高可靠、高强度、高刚度。目前已有一些应analysis oftheplanetaryrollermechanismJJournal 用实例，如滚珠丝杠与电机一体化、行

25、星齿ofMechanical Design，2009，131(1)：011016 轮传动与电机一体化等。所以可以将行星滚8】Jones MAKinematics migration柱丝杠与电机结合应用到精密伺服传动机 planetary mechanismJJoumal 构中，如基于无刷电机和行星滚柱丝杠设计Mechanical Design，2012，134(6)：061006 一体化机电伺服传动机构等。目前，法国某9】Jones M 伺服研发机构为导弹喷管推力矢量装置研 Mechanism the MethodJMechanics Based 制成功了一款一体化直接驱动电动伺服机 Design andMachines，2014，42(1)：17-34 构，采用了电机、行星滚柱丝杠、位置传感10王志民，张西忠，厉勇滚珠丝杠传动使用与发展J】机 器一体化设计结构，允许的输入转速为电工程技术，2004，33(9)：88902000rp m-5000rpm，丝杠两端采用陶瓷轴11靳谦忠，杨家军行星式滚柱丝杠副的运动特性及参数承支撑。选择J】制造技术与机床，1998(5)：131554非常态工况下的承载设计研究靳谦忠，杨家军行星式滚柱丝杠副的摩擦机理研究J精密丝杠副越来越广泛地应用在航空华中理工大学学报，1998，26(6)：8283 航天和卫星等高空领域。例如