机电装备设计第三章(6学时之二)

1、13.4 滚珠螺旋传动3.4.1 工作原理及特点3.4.2 结构(jigu)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容(nirng)共四十页2 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(jbn)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

2、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，年产滚珠螺旋别达数万之多。 发展(fzhn)概况共四十页3发展(fzhn)目标 “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(d do)普

3、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。 共四十页4 采用引进韩国(hn u)生产技术由天津海特生产的滚珠丝杠螺母副。共四十页5 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

4、擦及滚珠之间的摩擦产生的。 采取的措施： 通过合理的工艺流程(n y li chn), 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。共四十页63.4 滚珠螺旋(luxun)传动 在“数控技术”课程第七章中介绍了“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 特点 滚珠丝杠副可以获得精确、高效、灵敏、可靠、耐用的效果(xiogu)，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

5、到广泛应用。共四十页7特点(tdin)：（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(gnzh)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。共四十页83.4.2 结构(jigu)形式 滚珠螺旋传动的结构形式(xngsh)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。共四十页9矩形型面：易于制造(zhzo)，接触应力高，

6、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：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：接触角能保持一定，传动效率、承载能力和轴向刚度较稳定，但砂轮成形较复杂，难获得较高的精度。 单圆弧型要有一定的径向间隙，实际接触角 45。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。共四十页102、按滚珠循环(xnhun)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）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(fn xin

7、)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：这种反向器为圆形带凸键，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。共四十页11 浮动式：即反向器为浮动式，槽内安装有拱形片簧，外有弹簧片，弹簧的弹力始终给反向器一个(y )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。（

8、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(n xn)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：共四十页122）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(lin dun)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

9、本低。 由于螺旋槽与通孔联接处曲率半径(bnjng)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。共四十页13（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(y bn)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(wib)，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。共四十页143、按预紧方式(fngsh)分 在“数

10、控技术”中介绍过， 即消除间隙轴向间隙，避免反向(fn xin)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：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。共四十页152）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(fngbin)，工作可靠，应用广，但预紧量不容易控制。共四十页163）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

11、(fngxing)转动，每转动一齿，所调整的轴向位移为特点：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(dngwi)机构中。共四十页174）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(bmin)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(xioch)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。共四十页183.4.3 尺寸参数(cnsh)、标记方法、型号和精度等级 有关(yugun)滚珠丝杠副的尺寸参数、安装，

12、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。型号如例共四十页193.4.4 滚珠(gnzh)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(gnzh)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、滚动轴承的选择共四十页20 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(m

13、c)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。共四十页212、支承(zh chn)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(wi le)提高丝杠的拉压刚度，可以两端固定； 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共四十页22共四十页233、联轴器共四十页243.4

14、.5 滚珠(gnzh)丝杠副的选择与计算 目前仍参照滚动轴承额定( dng)寿命计算方法，有1、额定寿命与工作寿命共四十页25 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(xizhng)，修正(xizhng)后的额定寿命计算公式为，共四十页262、当量负荷(fh)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(bx)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 当量转速为共四十页272）变载荷和稳定(wndng)转速工况 当量载荷为共四十页283）变载荷和变转速(zhun s)工况 当量载荷为4）载荷和转速(zh

15、un s)按阶段变化工况 当量载荷为共四十页293、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(sh fu)超过额定动负荷。且额定( dng)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。 其额定静负荷应满足共四十页304、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、系统刚度和固有频率 拉压系统刚度影响(yngxing

16、)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 。共四十页311）丝杠在拉压负荷下的弹性变形s和刚度(n d)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-丝杠的轴向负荷(N) a-螺母至轴向固定(gdng)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

17、线性插入法在下列范围内求取。共四十页324）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(cush)提高螺母座刚度，则可忽略其弹性变形。近似计算中，可取KH=1000 Nm5）丝杠的扭转刚度KT 6）丝杠系统(xtng)轴向拉压振动的固有频率s 系统轴向拉压振动的固有频率s为共四十页337）丝杠系统(xtng)扭转振动的固有频率T 丝杠系统扭转振动的固有频率T为 滚珠丝杠副进给系统的驱动力矩，主要用于克服摩擦阻力和产生加速度。 摩擦(mc)力矩用于克服外加负荷、自重等与密封元件产生的摩擦力。 惯性力矩用于产生加速度，一般按等加速计算。 共四十页346、数控立铣工作台进给用共振(gngzhn)丝杠副计算 共四十页357、滚珠(gnzh)丝杠副防护装置和密封共四十页36螺旋(luxun)钢带保护套共四十页37螺旋(luxun)钢带保护套大端法兰共四十页38螺旋(luxun)钢带保护套小端法兰共四十页39丝杠运动(yndng)防护-圆筒式橡胶防护罩共四十页内容摘要1。（5）定位精度和重复定位精度高。螺纹滚道法向截面形状：矩形、