基于滾珠絲杠副設(shè)計參數(shù)對效率的影響分析*

王建修 任選峰 柴彥平

（陜西漢江機床有限公司 陜西漢中723003）

為某單位研制的滾珠絲杠副中，受特殊應(yīng)用場合和安裝空間的限制，在保證承載能力的情況下，要求最大限度的減小產(chǎn)品規(guī)格，提高接觸剛度，且傳動效率不能低于85%。滾珠絲杠副在使用過程中，鋼球及滾道實際受力情況和接觸面比較復(fù)雜，通過理論分析和效率正交試驗，滾珠間的碰撞及滑動、楔緊效益、適應(yīng)比、預(yù)加載荷、外部載荷及制造加工精度等是影響產(chǎn)品效率的主要因素，而減小摩擦，以及合理設(shè)計滾道半徑，優(yōu)化滾珠直徑與滾道半徑匹配關(guān)系，是提高滾珠絲杠副效率的有效方法之一。

1 載荷對效率的影響

滾珠絲杠副是滾珠與絲杠、螺母滾道通過點接觸承受載荷，滾珠作為受力載體，在使用過程中，承受的載荷分為外部載荷和內(nèi)部載荷，外部載荷主要是軸向工作載荷產(chǎn)生的軸向力和徑向力，內(nèi)部載荷主要是為消除間隙的預(yù)加載荷。絲杠及螺母滾道法向截面面分為雙圓弧和單圓弧，在受力后，鋼球與圓弧面形成橢圓形的接觸區(qū)，接觸區(qū)的大小與鋼球直徑、滾道圓弧半徑及絲杠的公稱直徑有關(guān)，雙圓弧絲杠、螺母與滾珠接觸情況如圖1所示，單圓弧接觸情況如圖2所示。

圖1 雙圓弧滾道與鋼球接觸情況

圖2 單圓弧滾道與鋼球接觸情況

滾珠絲杠副在運轉(zhuǎn)過程中，滾珠與滾珠、滾珠與滾道之間接觸后必然會產(chǎn)生摩擦，通過摩擦實現(xiàn)力的轉(zhuǎn)換與傳遞。在受到外部載荷的情況下，滾珠與滾道接觸點的法向力，摩擦因數(shù)會隨著兩接觸面粗糙度、形狀及大小、材料、硬度及適應(yīng)比的不同而變化，兩接觸面會產(chǎn)生彈性變形，在有預(yù)加載荷和外部載荷的情況下，滾珠與絲杠和螺母滾道接觸點處將會產(chǎn)生一定彈性接觸變形，施加載荷的大小直接決定著彈性變形和接觸面的大小，而由于滾道接觸面和回轉(zhuǎn)軸的不同，滾珠會產(chǎn)生滾動和自轉(zhuǎn)差動摩擦，這部分摩擦力的大小與鋼球與滾道接觸面大小有關(guān)，接觸面越大，在接觸面處的差動滑動越大，滑動摩擦也隨之加大，為減小摩擦力和接觸面的大小，提高滾珠絲杠副的運轉(zhuǎn)效率，應(yīng)盡量增大承載能力，減小軸向載荷。同時，絲杠表面質(zhì)量和硬度等，會導致效率有所降低，因此，滾珠絲杠副在加工過程中，應(yīng)降低絲杠、螺母滾道表面的粗糙度，保證接觸面的硬度。

2 滾道幾何形狀對效率的影響

滾珠絲杠副在運轉(zhuǎn)過程中，鋼球在外部載荷的情況下，會產(chǎn)生一定的滑移，滑移會導致摩擦力矩增大，降低傳動效率。在理論情況下，根據(jù)滾珠絲杠副的使用和受力情況如圖3所示。滾珠與滾道接觸角α一般在 38°到 45°，隨著受力方向和外部載荷大小的不同，鋼球在滾道中會產(chǎn)生滑移，接觸角和鋼球與滾道圓弧接觸點會有所變化，通過滾珠絲杠受力分析和理論計算，當正向壓力產(chǎn)生的摩擦力達到一定值后，鋼球產(chǎn)生滑移量δ的兩滑移點連線與滑移點公法線夾角β，即摩擦因數(shù)產(chǎn)生的摩擦角滿足下式要求時,鋼球就會達到平衡，不再移動，滑移關(guān)系如下所示：

滾珠絲杠副法向截面圓弧尺寸及精度對承載能力、傳動效率有較大影響，滾道圓弧半徑R與鋼球直徑的比值稱為適應(yīng)比f，即：

由式（2）可知，當摩擦因數(shù)一定的情況下，滾道圓弧半徑與鋼球半徑約接近，鋼球產(chǎn)生的滑移越小，效率越高，即適應(yīng)比越小，鋼球與滾道圓弧面接觸面大，滾珠絲杠副承載能力越大，傳動效率越高，但隨著接觸面的增大，摩擦力產(chǎn)生的力矩會有所增加，對絲杠及螺母滾道的形狀、精度、粗糙度等要求較高，而加工難度會加大，為保證滾珠絲杠副的承載，提高滾珠絲杠副的效率，需要合理選擇滾珠絲杠滾道的適應(yīng)比，通常情況下，適應(yīng)比一般在0.52至0.55之間。

圖3 滾道法向截面圖

3 理論分析驗證

為驗證上述理論分析對滾珠絲杠副效率的影響，考慮到加工誤差對傳動效率的影響，利用專用效率試驗臺，對滾珠絲杠副進行了輸入、輸出電流進行了監(jiān)測，并對效率測試，測試產(chǎn)品規(guī)格及結(jié)果如下。

規(guī)格：GQ32×6×244，單螺母結(jié)構(gòu)，增大鋼球預(yù)緊，采用正交測試方案進行，試驗結(jié)果如下表所示。

表1 測試參數(shù)表

4 結(jié)語

滾珠絲杠副傳動效率是衡量產(chǎn)品的綜合性指標，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、精度、接觸角、滾道表面粗糙度等影響傳動效率，通過對相同結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副進行正交試驗，產(chǎn)品傳動效率隨著預(yù)緊力矩的增大而增大，隨著適應(yīng)比增大而增大，預(yù)緊力矩太小無法消除間隙，過大會加速絲杠的磨損，降低傳動效率，適應(yīng)比也直接決定了產(chǎn)品的承載能力。因此，在設(shè)計滾珠絲杠副時，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品使用工況的不同而進行設(shè)計。