滾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦特性探討

王均杰，沈勝利

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河南鄭州 450121）

0 引言

滾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)由于制造工藝較為成熟、方便安裝與維護(hù)、使用可靠性高而在現(xiàn)代機(jī)械中廣泛應(yīng)用。典型的滾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)部件有滾動(dòng)軸承、滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌等，都是借助滾動(dòng)體將運(yùn)動(dòng)部件間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，顯著提升了系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，但摩擦仍是系統(tǒng)的主要能量消耗途徑，對(duì)系統(tǒng)的伺服性能、傳動(dòng)精度以及使用壽命等造成嚴(yán)重影響。本文選擇典型部件為研究對(duì)象，綜合考慮多方面因素，對(duì)滾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦特性進(jìn)行了專門的分析和探討，希望有關(guān)論點(diǎn)能對(duì)其進(jìn)一步深入的研究起到一定的積極作用。

1 分析

1.1 滾動(dòng)軸承

滾動(dòng)軸承的摩擦力矩是在其工作接觸面間存在滾動(dòng)、滑動(dòng)現(xiàn)象而產(chǎn)生的阻礙軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)的阻力矩，既包括因材料的彈性滯后引起的純滾動(dòng)，也包括滾動(dòng)體、保持架等運(yùn)動(dòng)部件在接觸面上的各種滑動(dòng)，以及所添加的潤(rùn)滑劑產(chǎn)生的粘滯效應(yīng)。若以μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為軸承所受負(fù)荷，d為軸承內(nèi)徑，則滾動(dòng)軸承摩擦力矩M1一般計(jì)算式為：

可見(jiàn)，摩擦阻力矩隨著其滾動(dòng)體尺寸的增大而變大，另外也和所承受的載荷成正比例關(guān)系，因而對(duì)于擔(dān)負(fù)重載的大規(guī)格滾動(dòng)軸承就有較大的摩擦損耗。

影響滾動(dòng)軸承摩擦力矩的因素較多，可按其來(lái)源大致分成2部分：一個(gè)是外在條件，主要指軸承的工作環(huán)境狀況，也指軸承的質(zhì)量檢測(cè)和維護(hù)保養(yǎng)情況；另一個(gè)是內(nèi)在條件，主要包括軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征、部件加工精度和安裝調(diào)試水平等，各個(gè)因素之間相互聯(lián)系、相互作用，其中的內(nèi)在影響因素決定了力矩大小和波動(dòng)平均值，外在因素對(duì)力矩的均勻性和波動(dòng)大小影響較大。滾動(dòng)軸承摩擦力矩具有非線性特性，由于受眾多非線性因素的影響，是一個(gè)非平穩(wěn)的周期性的隨機(jī)過(guò)程，具有不確定的強(qiáng)烈波動(dòng)和趨勢(shì)變化。

1.2 滾珠絲杠

滾珠絲杠副主要由絲杠、螺母、滾珠和反向器組成，使傳動(dòng)和定位在同一個(gè)零件上實(shí)現(xiàn)，既可把旋轉(zhuǎn)的角位移轉(zhuǎn)換成線位移，也可把直線運(yùn)動(dòng)推力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)扭矩。由于滾道的特殊性，滾珠在工作中的運(yùn)動(dòng)和受力狀態(tài)較滾動(dòng)軸承復(fù)雜些，本質(zhì)上也是滾動(dòng)中伴隨著滑動(dòng)，可視為滾動(dòng)軸承在滑動(dòng)絲杠上的“嫁接”，其球形滾動(dòng)體與螺旋形滾道的接觸情況與滾動(dòng)軸承比較相似，在結(jié)構(gòu)上最大的不同是滾珠絲杠副多了滾珠返向裝置。滾珠絲杠副的摩擦力矩是指各類阻礙滾珠和絲杠工作運(yùn)動(dòng)的摩擦所形成的阻力矩，其中主要包括：滾珠與絲杠及螺母上的內(nèi)、外螺旋滾道之間的摩擦（包括彈性）以及滾珠之間的摩擦，滾珠在返向器中的摩擦（包括滾珠進(jìn)出返向器的和滾珠在返向滾道中的摩擦）以及潤(rùn)滑劑的粘滯作用等，其中的阻礙運(yùn)動(dòng)形式有滯后滾動(dòng)、差動(dòng)滑動(dòng)、自旋滑動(dòng)及沖擊碰撞等多種性質(zhì)和類別。由于滾珠絲杠副中沒(méi)有保持架，工作中的滾珠之間難免會(huì)產(chǎn)生推擠作用，這會(huì)使其摩擦力矩呈現(xiàn)出隨機(jī)的波動(dòng)性，另外滾珠在返向器的出入口處的運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生較大變化，也會(huì)影響到摩擦力矩的穩(wěn)定性。

滾珠絲杠副摩擦力矩的影響因素多而復(fù)雜，為對(duì)其進(jìn)行有效控制，首先，要合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)關(guān)系，尤其是注意優(yōu)化反向器滾道的空間曲線；再者，要控制其制造工藝，既要提高絲杠、螺母、滾珠、反向器等部件的尺寸和形狀加工精度，也要改善滾道和滾珠的表面粗糙度；另外，應(yīng)科學(xué)調(diào)整有關(guān)間隙，確保安裝質(zhì)量；還有就是恰當(dāng)?shù)倪x用潤(rùn)滑劑并及時(shí)維護(hù)與保養(yǎng)。

1.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是一種可以進(jìn)行相對(duì)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)支承，類似滾動(dòng)軸承是以滑塊和導(dǎo)軌間的滾動(dòng)體（鋼球）滾動(dòng)來(lái)代替直接的滑動(dòng)接觸,類似珠絲杠副其滾道內(nèi)的鋼球能借助反向器實(shí)現(xiàn)無(wú)限循環(huán)。

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)小，產(chǎn)生的摩擦力不大，其產(chǎn)生的機(jī)理也與前述差距不大。一般認(rèn)為，滾動(dòng)體（鋼球）在工作中與滾道面（溝槽）接觸時(shí)因彈性形變而產(chǎn)生的純滾動(dòng)和差動(dòng)滑動(dòng)構(gòu)成了主要摩擦，另外就是鋼球進(jìn)出反向器時(shí)承載量的驟變而帶來(lái)摩擦的不穩(wěn)定。再者，不應(yīng)忽視鋼球沿滾道滾動(dòng)時(shí)發(fā)生的自旋現(xiàn)象，還要注意潤(rùn)滑劑和一些輔助結(jié)構(gòu)形成的阻滯效果。為盡量減小摩擦，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中宜盡量減少相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的接觸面，盡量增大曲率比。安裝與使用過(guò)程中，應(yīng)使各部件保持足夠精確的相對(duì)位置關(guān)系，針對(duì)具體工作負(fù)載情況而調(diào)整相適應(yīng)的預(yù)加載荷。

2 測(cè)量

靜態(tài)力矩（也稱啟動(dòng)力矩）是指從靜止?fàn)顟B(tài)到開(kāi)始相對(duì)運(yùn)動(dòng)的瞬間所需克服的摩擦阻力矩，其大小及變化往往能夠直接反映出系統(tǒng)許多重要的摩擦特性。這里選用某一具體的數(shù)控機(jī)床用半閉環(huán)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，測(cè)量其在空載條件下的啟動(dòng)力矩。

2.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌

在機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)中，滾動(dòng)導(dǎo)軌直接承載著工作臺(tái)和工件，其運(yùn)動(dòng)性能直接影響工件的加工質(zhì)量，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，為研究其個(gè)性摩擦特征，首先將其進(jìn)行分離檢測(cè)。通過(guò)改變滾動(dòng)導(dǎo)軌上的緊定螺釘?shù)男o量而使預(yù)緊力發(fā)生變化，沿滾動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向選定間距相同的多個(gè)測(cè)量位置點(diǎn)，依次測(cè)量其空載時(shí)在不同預(yù)緊力作用下的啟動(dòng)力量值，整理有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。由表中數(shù)據(jù)容易看出，滾動(dòng)導(dǎo)軌的啟動(dòng)力整體上隨著預(yù)緊力的加大而增大，當(dāng)在整個(gè)工作長(zhǎng)度上的預(yù)緊力一致時(shí)其啟動(dòng)力在中部和端部有較明顯的變化。若減小端部或加大中部的預(yù)緊力，仍選定原測(cè)量位置不變，可得數(shù)據(jù)如表2所示。可見(jiàn)，采用“中間大，兩邊小”的預(yù)緊方法，即讓緊定螺釘施加的預(yù)緊力從導(dǎo)軌的端部向中部依次遞增，能夠較明顯地降低導(dǎo)軌起動(dòng)力，也可縮減其量值的變動(dòng)范圍，從而有利于提高導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的靈敏性和平穩(wěn)性。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

為了能探究整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦特性，以整個(gè)滾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，拆去工件、聯(lián)軸器、編碼盤及其他附件，使被測(cè)系統(tǒng)主要由軸承、絲杠、導(dǎo)軌及工作臺(tái)構(gòu)成，其中滾珠絲杠副的軸由專用滾動(dòng)軸承按“固定—自由”式支撐，其螺母借助螺栓固聯(lián)到滾動(dòng)導(dǎo)軌及工作臺(tái)上。據(jù)前述結(jié)論使?jié)L動(dòng)導(dǎo)軌適當(dāng)預(yù)緊的前提下，測(cè)量工作臺(tái)在不同的位置和不同的運(yùn)動(dòng)方向趨勢(shì)時(shí)的啟動(dòng)力矩。在導(dǎo)軌的有效工作行程范圍內(nèi)，均勻地設(shè)置足夠多的測(cè)量位置點(diǎn)，用測(cè)力計(jì)牽拉導(dǎo)軌，使之?dāng)嗬m(xù)地從一端的極限位置移動(dòng)到另一端的極限位置，依次經(jīng)過(guò)各個(gè)設(shè)定的位置點(diǎn)，再反向移動(dòng)，仍然倒序的依次經(jīng)過(guò)各測(cè)量點(diǎn)，從而在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)獲得2個(gè)數(shù)據(jù)，為區(qū)分其運(yùn)動(dòng)的方向趨勢(shì)不同，將其中一個(gè)放入括號(hào)中，如表3所示。若用T代表啟動(dòng)力矩，則一般認(rèn)為其包含有靜摩擦力矩、預(yù)緊阻滯力矩及輔件摩阻力矩Tf等3部分組成，即存在經(jīng)驗(yàn)公式：

式（2）中，μM是滾動(dòng)導(dǎo)軌的最大靜摩擦系數(shù)；m是工作臺(tái)及導(dǎo)軌的質(zhì)量；g是重力加速度；Fp是滾珠絲杠副的預(yù)緊力；η是傳動(dòng)效率；τ是絲杠導(dǎo)程。

通過(guò)對(duì)所獲測(cè)量數(shù)據(jù)的整理及分析可知：

（1）實(shí)際測(cè)量到的數(shù)值普遍較理論計(jì)算結(jié)果大些；（2）在導(dǎo)軌的工作行程中，距離固定軸承位置較遠(yuǎn)的測(cè)量值偏大；（3）對(duì)于同一測(cè)量位置點(diǎn)，其在遠(yuǎn)離軸承的運(yùn)動(dòng)方向趨勢(shì)的測(cè)量值大多小于接近軸承方向趨勢(shì)；（4）不同方向趨勢(shì)的兩組測(cè)量數(shù)據(jù)相比較，接近軸承方向的測(cè)值波動(dòng)變化幅度更大，且位于中部的測(cè)值偏大；（5）若相鄰位置點(diǎn)測(cè)量的間隔時(shí)長(zhǎng)差距較大，往往也同樣會(huì)獲得差距明顯的測(cè)量值；（6）對(duì)同一測(cè)量位置點(diǎn)按同一測(cè)量方式進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量卻很難得到非常接近的值，且首次測(cè)量值一般偏大。

表1 預(yù)緊力一致時(shí)的滾動(dòng)導(dǎo)軌啟動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（單位：千克力）

表2 預(yù)緊力變化時(shí)的滾動(dòng)導(dǎo)軌啟動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（單位：千克力）

表3 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)力矩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（單位：×100kgf·mm）

3 結(jié)語(yǔ)

滾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的各滾動(dòng)部件和相配合件之間本質(zhì)上是面接觸狀態(tài)，其產(chǎn)生的摩擦是滾動(dòng)摩擦與滑動(dòng)摩擦的綜合，其特性不僅直接影響到各部件的工作質(zhì)量和使用壽命，更會(huì)疊加起來(lái)綜合影響系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和可靠性，由于其成因表現(xiàn)出高度的隨機(jī)性、非線性，既與部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程、質(zhì)量控制有關(guān)，還與安裝調(diào)試、工作狀態(tài)、環(huán)境狀況及保養(yǎng)維護(hù)等有著直接或間接的關(guān)聯(lián)。為減少摩擦對(duì)系統(tǒng)功能發(fā)揮的不利影響，充分挖掘應(yīng)用潛力，首先要進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)、制造與裝配，奠定良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；其次就是合理的使用與維護(hù)，尤其是適當(dāng)?shù)念A(yù)緊、潤(rùn)滑和速度控制；再者要適時(shí)地結(jié)合作業(yè)環(huán)境和個(gè)性使用要求進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)和完善。

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