絲杠螺母的傳動結構
絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構它主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動有以傳遞能量為主的如螺旋壓力機千斤頂等也有以傳遞運動為主的如機床工作臺的進給絲杠還有調整零件之問相對位置的螺旋傳動機構等 絲杠螺母機構有滑動摩擦機構和滾動摩擦機構之分滑動絲杠螺母機構結構簡單加工方便制造成本低具有自鎖功能但其摩擦阻力矩大傳動效率低30％～40％滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜制造成本高不能自鎖但其最大優點是摩擦阻力矩小傳動效率高92％～98％精度高系統剛度好運動具有可逆性使用壽命長因此在機電一體化系統中得到大量廣泛應用本節主要介紹滾珠絲杠螺母機構 1．工作原理絲杠4和螺母1的螺紋滾道間置有滾珠2當絲杠或螺母轉動時滾珠2沿螺紋滾道滾動則絲杠與螺母之間相對運動時產生滾動摩擦為防止滾珠從滾道中滾出在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置3如圖2一la所示的反向器和圖21b所示的擋珠器它們與螺紋滾道形成循環回路使滾珠在螺母滾道內循環
2．傳動形式根據絲杠和螺母相對運動的組合情況其基本傳動形式有如圖22所示的四種類型 1螺母固定絲杠轉動并移動如圖22a所示該傳動形式因螺母本身起著支承作用消除了絲杠軸承可能產生的附加軸向竄動結構較簡單可獲得較高的傳動精度但其軸向尺寸不宜太長否則剛性較差因此只適用于行程較小的場合 2絲杠轉動螺母移動如圖2-2b所示該傳動形式需要限制螺母的轉動故需導向裝置其特點是結構緊湊絲杠剛性較好適用于工作行程較大的場合
3螺母轉動絲杠移動如圖2_2c所示該傳動形式需要限制螺母移動和絲杠的轉動由于結構較復雜且占用軸向空間較大故應用較少 4絲杠固定螺母轉動并移動如圖22d所示該傳動方式結構簡單緊湊但在多數情況下使用極不方便故很少應用 此外還有差動傳動方式其傳動原理如圖2_3所示該方式的絲杠上有基本導程或螺距不同的如L01L02兩段螺紋其旋向相同當絲杠2轉動時可動螺母1的移動距離s=nL01-L02n為絲杠轉速如果兩基本導程的大小相差較少則可獲得較小的位移s因此這種傳動方式多用于各種微動機構中
3．結構類型 1螺紋滾道截面形狀我國生產的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧型和雙圓弧型如圖24所示滾道型面與滾珠接觸點的法線同絲杠軸向的垂線間的夾角α稱為接觸角 般為45°單圓弧型的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化這主要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而定α大時傳動效率軸向剛度以及承載能力也隨之增大由于單圓弧型滾道加工用砂輪成形較簡單故容易得到較高的加工精度單圓弧型面的滾道圓弧半徑R應稍大于滾珠半徑rb
雙圓弧滾道其接觸角α在工作過程中基本保持不變故效率承載能力和軸向剛度比較穩定滾道底部與滾珠不接觸其空隙可存儲一定的潤滑油和臟物以減小摩擦和磨損 但磨削滾道砂輪修正加工和檢驗都比較困難 滾道的半徑R與滾珠半徑rb的比值對承載能力有很大的影響我國采用R／rb為1．04和1 11兩種 2滾珠的循環方式
1內循環內循環方式的滾珠在循環過程中始終與絲杠表面保持接觸如圖21a所示在螺母1的側面孔內裝有接通相鄰滾道的反向器3利用反向器引導滾珠2越過絲杠4的螺旋頂部進入相鄰滾道形成一個循環回路一般在同一螺母上裝有2～4個滾珠用反向器并沿螺母圓周均勻分布內循環方式的優點是滾珠循環的回路短流暢性好效率高螺母的徑向尺寸也較小其缺點是反向器加工困難裝配調試也不方便 浮動式反向器的內循環滾珠絲杠螺母副如圖25所示其結構特點是反向器1與滾珠螺母上的安裝孔有O．0l～0．015mm的配合間隙反向器弧面上加工有圓弧槽槽內安裝拱形片簧4外有彈簧套2借助拱形片簧的彈力始終給反向器一個徑向推力使位于回珠圓 弧槽內的滾珠與絲杠3表面保持一定的壓力從而使槽內滾珠代替了定位鍵而對反向器起到自定位作用這種反向器的優點是在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口的自動對接通道流暢摩擦特性較好更適用于高速高靈敏度高剛性的精密進給系統 2外循環滾珠在循環返向時有一段脫離絲杠螺旋滾道在螺母體內或體外作循環運動按結構形式可分為螺旋槽式插管式和端蓋式三種
①螺旋槽式如圖26所示在螺母2的外圓柱表面上銑出螺旋凹槽槽的兩端鉆出兩個通孔與螺旋滾遭相切螺旋滾道內裝入兩個擋珠器4引導滾珠3通過這兩個孔同時用套筒l蓋住凹槽構成滾珠的循環回路這種結構的特點是工藝簡單徑向尺寸小易于制造但是擋珠器剛性差易磨損 ②插管式如圖2_7所示用一彎管l代替螺旋凹槽彎管的兩端插入與螺紋滾道5相切的兩個內孔用彎管的端部引導滾珠4進入彎管構成滾珠的循環回路再用壓板2和螺釘將彎管固定插管式結構簡單容易制造但是徑向尺寸較大彎管端部用作擋珠器比較容易磨損
③端蓋式如圖28所示在螺母1上鉆出縱向孔作為滾子回程滾道螺母兩端裝有兩塊扇形蓋板或套筒2滾珠的回程道口就在蓋板上滾道半徑為滾珠直徑的1．4～1．6倍 這種方式結構簡單工藝性好但滾道吻接和彎曲處圓角不易準確制作而影響其性能故應習較少常以單螺母形式用做升降傳動機構 4．主要尺寸參數如圖29所示滾珠絲杠副的主要尺寸參數有 公稱直徑d0指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態時包絡滾珠球心的凰柱直徑它是滾珠絲杠副的特征尺寸
基本導程LO或螺距t指絲杠相對螺母旋轉2π弧度時螺母上基準點的軸向位移 行程l指絲杠相對于螺母旋轉任意弧度時螺母上基準點的軸向位移 此外還有絲杠螺紋大徑d1絲杠螺紋小徑d1滾珠直徑db螺母螺紋大徑D螺母螺紋小徑D1絲杠螺紋全長ls等 基本導程的大小應根據機電一體化系統的精度要求確定精度要求高時應選取較小的基本導程滾珠的工作圈或列數和工作滾珠的數量Ⅳ由試驗可知 第一第二和第三圈或列分別承受軸向載荷的50％30％和20％左右因此工作圈或列數一般取2．5或2～3．5或3滾珠總數Ⅳ一般不超過150個 5．軸向間隙的調整與預緊
滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外對其軸向間隙也有嚴格要求以保證其反向傳動精度滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時在滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和通常采用雙螺母預緊的方法把彈性變形控制在最小限度內以減小或消除軸向間隙并可以提高滾珠絲杠副的剛度 目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達O．05mm而雙螺母式經加預緊力調整后基本上能消除軸向間隙應用該方法消除軸向問隙時應注意以下兩點 1預緊力大小必須合適禁忌過小或過大過小不能保證無隙傳動過大將使驅動力矩增大效率降低壽命縮短預緊力禁忌超過最大軸向負載的l／3 2要特別注意減小絲杠安裝部分和驅動部分的間隙這些間隙用預緊的方法是無法消除的而它對傳動精度有直接影響 常用的雙螺母消除軸向間隙的結構形式有三種 1墊片調隙式如圖2一lO所示用螺釘連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣并在凸緣間加墊片調整墊片的厚度使螺母產生微量的軸向位移以達到消除軸向間隙和產生預緊力的目的該形式結構緊湊工作可靠調整方便應用廣泛但不很準確并且當滾道磨損時不能隨意調整除非更換墊圈 故適用于一般精度的傳動機構 2螺紋調隙式 如圖2一11所示
雙螺母中的一個外端有凸緣一個外端無凸緣但制有螺紋它伸出套筒外用兩個圓螺母固定鎖緊并用鍵來防止兩螺母相對轉動旋轉圓螺母可調整消除間隙并產生預緊力之后再用鎖緊螺母鎖緊該種形式結構緊湊工作可靠調整方便缺點是不很精確 3齒差調隙式 如圖212所示在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪齒數為z1z2且z2一x1=1分別與內齒圈嚙合內齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上調整時先取下兩端的內齒圈使兩螺母產生相對角位移相應地產生軸向的相對位移從而使兩螺母中的滾珠分別緊貼在螺旋滾道的兩個相反的側面上然后將內齒圈復位固定故而達到消除間隙產生預緊力的目的當兩個螺母按同方向轉過一個齒時所產生的相對軸向位移為
式中P為導程若x1=99z2=100P=6mm則△s=0.6μm度很高工作可靠但結構復雜加工和裝配工藝性能較差 6．支承方式與制動1支承方式為了保證滾珠絲杠副傳動的剛度和精度應選擇合適的支承方式選用高剛度小摩擦力矩高運轉精度的軸承并保證支承座有足夠的剛度滾珠絲杠副的支承按其限制絲杠軸的軸向竄動情況分為三種形式如表21所示
2制動裝置由于滾珠絲杠副的傳動效率高又無自鎖能力故需安裝制動裝置以滿足其傳動要求特別是當其處于垂直傳動時圖213所示為數控臥式銑鏜床主軸箱進給絲杠的制動裝置示意圖
當機床工作時電磁鐵線圈4通電吸住壓簧3打開摩擦離合器5此時步進電動機1接受指令脈沖將旋轉運動通過減速齒輪2傳動滾珠絲杠6旋轉轉換為主軸箱7垂直方向的移動當步進電動機l停止轉動時電磁鐵線圈也同時斷電在壓簧3作用下摩擦離合器5被壓緊使滾珠絲杠不能自由轉動則主軸箱就不會因自重而下滑了 7．潤滑和密封
1潤滑 潤滑劑可提高滾珠絲杠副的耐磨性和傳動效率潤滑劑分為潤滑油潤滑脂兩大類潤滑油為一般機油或90～180號透平油或140號主軸油可通過螺母上的油孔將其注入螺紋滾道潤滑脂可采用鋰基油脂它加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內 2密封滾珠絲杠副在使用時常采用一些密封裝置進行防護為防止雜質和水進入絲杠否則會增加摩擦或造成損壞對于預計會帶進雜質之處按圖214所示使用波紋管右側或伸縮罩左側以完全蓋住絲杠軸對于螺母應在其兩端進行密封如圖215所示密封防護材料必須具有防腐蝕和耐油性能
8．精度等級
滾珠絲杠螺母副的精度分成COC1c2C3C5C7C8等7個等級最高精度為c0級最低精度為c8級系統設計時可參考相應的產品說明書進行標注[摘自《直線運動系統產品說明書}THK日本東京] 9．滾珠絲杠副的設計計算
設計滾珠絲杠副時已知條件是工作載荷FN或平均工作載荷FN使用壽命Lhh絲杠的工作長度或螺母的有效行程Lm絲杠的轉速n平均轉速nm或最大轉速nr／min以及滾道硬度HRC和運轉情況設計步驟及方法如下 1計算載荷FN的計算Fc=KFKHKAFM 22
式中KF為載荷系數KH為硬度系數KA為精度系數FM為平均工作載荷各項參數按表22選取
4驗算傳動效率剛度及工作平穩性是否滿足要求不能滿足要求的禁忌使用應另選其他規格并需重新驗算
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