【正文】 旋傳動(dòng)。但是，由于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的接觸面間存在著較大的滑動(dòng)摩擦阻力，故其傳動(dòng)效率低，磨損快、精度不高，使用壽命短，已不能適應(yīng)機(jī)電一體化設(shè)備與產(chǎn)品在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滾珠絲杠螺母副則是為了適應(yīng)機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求而發(fā)展起來(lái)的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 滾珠絲杠副的工作原理1．工作原理螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)稱為滾珠絲杠副，如圖 239 所示。當(dāng)絲杠或者螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺旋槽滾動(dòng)，滾珠在絲杠上滾過(guò)數(shù)圈后，通過(guò)回程引導(dǎo)裝置，逐個(gè)地滾回到絲杠和螺母29 / 71之間，構(gòu)成了一個(gè)閉合的循環(huán)回路。這種機(jī)構(gòu)把絲杠和螺母之間的滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦。圖 239 滾珠絲杠螺母副1插管式回珠器，2滾珠，3螺母，4 絲杠2．滾珠絲杠副的特點(diǎn)滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副相比，具有其明顯的特點(diǎn)。(1) 傳動(dòng)效率高、摩擦損失小絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 η 為 式中 λ——中徑處的螺旋線升角；——當(dāng)量摩擦角（對(duì)于滾珠絲杠約為 8ˊ~ 12ˊ） 。?滾動(dòng)摩擦阻力很小，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的摩擦系數(shù)—般為 ~，因而傳動(dòng)效率很高，可達(dá)~（滑動(dòng)絲杠為 ~） ，相當(dāng)于普通滑動(dòng)絲杠螺母副的 3 ~ 4 倍。這樣滾珠絲杠副相對(duì)于滑動(dòng)絲杠副來(lái)說(shuō)，僅用較小的扭矩就能獲得較大的軸向推力，功率損耗只有滑動(dòng)絲杠副的 1/4 ~ 1/3，這對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)小型化、快速響應(yīng)能力及節(jié)省能源等方面，都具有重要意義。(2) 傳動(dòng)的可逆性、不可自鎖性一般的螺旋傳動(dòng)是指其正傳動(dòng)，即把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)。而滾珠絲杠副不僅能實(shí)現(xiàn)正傳動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)逆?zhèn)鲃?dòng)——將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)上的可逆性是滾珠絲杠螺母副所獨(dú)有的。而且逆?zhèn)鲃?dòng)效率同樣高達(dá) 90％以上。滾珠絲杠副傳動(dòng)的特點(diǎn)，可使其開(kāi)拓新的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，但另一方面其應(yīng)用范圍也受到限制，在一些不允許產(chǎn)生逆運(yùn)動(dòng)的地方，如橫梁的升降系統(tǒng)等，必須增設(shè)制動(dòng)或自鎖機(jī)構(gòu)才可使用。(3) 傳動(dòng)精度高傳動(dòng)精度主要是指進(jìn)給精度和軸向定位精度。滾珠絲杠螺母副屬于精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，絲杠與螺母經(jīng)過(guò)淬硬和精磨后，本身就具有較高的定位精度和進(jìn)給精度。高精度滾珠絲杠副，任意300mm 的導(dǎo)程累積誤差為 4urn/300mm。滾珠絲杠螺母副采用專門的設(shè)計(jì)，可以調(diào)整到完全消除軸向間隙，而且還可以施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，在不增加驅(qū)動(dòng)力矩和基本不降低傳動(dòng)效率的前提下，提高軸向剛度，進(jìn)一步提高正向、反向傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副的摩擦損失小，因而工作時(shí)本身溫度變化很小，絲杠尺寸穩(wěn)定，有利于提高傳動(dòng)精度。由于滾動(dòng)摩擦的啟動(dòng)摩擦阻力很小，所以滾珠絲杠螺母副的動(dòng)作靈敏，且滾動(dòng)摩擦阻力幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，即使在低速下，仍可獲得均勻的運(yùn)動(dòng)，保證了較高的傳動(dòng)精度。正是由于這些特點(diǎn)使得滾珠絲杠螺母副在機(jī)電一體化設(shè)備與產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。(4) 磨損小、使用壽命長(zhǎng)滾動(dòng)磨損要比滑動(dòng)磨損小得多，而且滾珠、絲杠和螺母都經(jīng)過(guò)淬硬，所以滾珠絲杠副長(zhǎng)期使用)(?????tg30 / 71仍能保持其精度，工作壽命比滑動(dòng)絲杠副高 5 ~ 6 倍。 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整各種設(shè)計(jì)制造的滾珠絲杠螺母副，盡管在結(jié)構(gòu)上式樣很多，但其主要區(qū)別是在螺紋滾道截面的形狀，滾珠循環(huán)的方式，以及軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法等三個(gè)方面。1．滾珠絲杠螺母副螺紋滾道的截面形狀螺紋滾道的截面形狀和尺寸是滾珠絲杠最基本的結(jié)構(gòu)特征。如圖 240 所示為滾珠絲杠副螺紋滾道的法向截面形狀，其中滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)法線與絲杠軸線的垂線間的夾角稱為接觸角β。滾道型面是指通過(guò)滾珠中心作螺旋線的法截平面與絲杠、螺母螺紋滾道面的交線所在平面。常用的滾道型面有單圓弧和雙圓弧兩種。(1) 單圓弧滾道型面單圓弧滾道型面如圖 240a 所示，其形狀簡(jiǎn)單，磨削螺紋滾道的砂輪成型比較簡(jiǎn)便，易于獲較高的加工精度。但其接觸角 β 隨著軸向負(fù)載的大小不同而變化，因而使得傳動(dòng)效率、承載能力及軸向剛度等變得不 穩(wěn)定。 圖 240 滾珠絲杠副螺紋滾道法向截面形狀(2) 雙圓弧滾道型面如圖 240b 所示為雙圓弧滾道型面，它是由兩個(gè)不同圓心的圓弧組成。由于接觸角 β 在工作過(guò)程中能基本保持不變，因而傳動(dòng)效率、承載能力和軸向剛度較穩(wěn)定。一般均取 β =45176。另一方面，由于采用了雙圓弧，螺旋槽底部不與滾珠接觸，形成小小的空隙，可容納潤(rùn)滑油，使磨損減小，對(duì)滾珠的流暢運(yùn)動(dòng)大有好處。因此，雙圓弧滾道型面是目前普遍采用的滾道形狀。螺紋滾道的曲率半徑（即滾道半徑）R 與滾珠半徑 r0 比值的大小，對(duì)滾珠絲杠副承載能力有很大影響，一般取 R/r0＝ ~ 之間。比值過(guò)大摩擦損失增加；比值過(guò)小承載能力降低。2．滾珠循環(huán)的方式滾珠的循環(huán)方式及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)對(duì)滾珠絲杠的加工工藝性、工作可靠性和使用壽命都有很大的影響。目前使用的有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。(1) 內(nèi)循環(huán)滾珠在循環(huán)過(guò)程中和絲杠始終不脫離接觸的循環(huán)方式稱為內(nèi)循環(huán)。如圖 241 所示是內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副螺母的結(jié)構(gòu)。螺母外側(cè)開(kāi)有一定形狀的孔，并裝上一個(gè)接通相鄰滾道的反向器，通過(guò)反向器迫使?jié)L珠翻越過(guò)絲杠的齒頂返回相鄰的滾道，構(gòu)成了一圈一個(gè)循環(huán)的滾珠鏈。通常在一個(gè)螺母上裝有多個(gè)反向器，并沿螺母的圓周等分分布，對(duì)應(yīng)于雙列、三列、四列或六列結(jié)構(gòu)，反向器分別沿圓周方向互錯(cuò) 180176。、120176。、90176?；?60176。反向器的軸向間距視反向器的結(jié)構(gòu)不同而變化，選擇時(shí)應(yīng)盡可能使螺母軸向尺寸緊湊。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的徑向外形尺寸小，便于安裝；反向器剛性好，固定牢靠，不容易磨31 / 71損；內(nèi)循環(huán)是以一圈為循環(huán)，循環(huán)回路中的滾珠數(shù)目少，運(yùn)行阻力小，啟動(dòng)容易，不易發(fā)生滾珠的堵塞，靈敏度較高。但內(nèi)循環(huán)的螺母不能做成大螺距的多頭螺紋傳動(dòng)副，否則滾珠將會(huì)發(fā)生干涉。另一個(gè)不足之處是反向器回珠槽為空間曲面呈 S 形，用普通設(shè)備加工困難，需要用三坐標(biāo)的銑床加工，另裝配調(diào)整也不方便。圖 241 內(nèi)循環(huán)中螺母的結(jié)構(gòu) 圖 242 螺旋槽式外循環(huán)結(jié)構(gòu)1絲杠，2螺母，3滾珠，4反向回殊器（2）外循環(huán)滾珠在循環(huán)過(guò)程中有一部分與絲杠脫離接觸的循環(huán)方式稱為外循環(huán)。外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)返向時(shí)，離開(kāi)絲杠螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上看，外循環(huán)有以下三種形式。螺旋槽式。如圖 242 所示。在螺母 2 的外圍表面上銑出螺紋凹槽，槽的兩端鉆出兩個(gè)與螺紋滾道相切的通孔，螺紋滾道內(nèi)裝入兩個(gè)擋珠器 4 引導(dǎo)滾珠 3 通過(guò)這兩個(gè)孔，應(yīng)用套筒 1 蓋住凹槽，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、徑向尺寸小、易于制造。但是擋珠器剛性差、易磨損。插管式。如圖 243 所示。用一彎管 1 代替螺紋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋滾道 5 相切的兩個(gè)內(nèi)孔，用彎管的端部引導(dǎo)滾珠 4 進(jìn)入彎管，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路，再用壓板 2 用螺釘將彎管固定。插管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。端蓋式。如圖 244 所示。在螺母 1 上鉆出縱向孔作為滾子回程滾道，螺母兩端裝有的塊扇形蓋板或套筒 2，滾珠的回程道口就在蓋板上。滾道半徑為滾珠直徑的 ~ 倍。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易做準(zhǔn)確而影響其性能，故應(yīng)用較少。32 / 71圖 243 插管式外循環(huán)結(jié)構(gòu) 圖 244 端蓋式外循環(huán)結(jié)構(gòu) 3．滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整與預(yù)緊滾珠絲杠副在承受負(fù)載時(shí)，其滾珠與滾道面接觸點(diǎn)處將產(chǎn)生彈性變形。換向時(shí)，其軸向間隙會(huì)引起空回，這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動(dòng)精度，又影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。單螺母絲杠副的間隙消除相當(dāng)困難。實(shí)際應(yīng)甩中，常采用以下幾種調(diào)整預(yù)緊方法。（1）雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式如圖 245a 所示，其中，螺母 3 的外端有凸緣，而螺母 4 的外端雖無(wú)凸緣，僅制有螺紋，并通過(guò)兩個(gè)圓螺母固定。調(diào)整時(shí)旋轉(zhuǎn)圓螺母 2 消除軸向間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，然后用鎖緊螺母 l 鎖緊。預(yù)緊后兩個(gè)螺母中的滾珠相向受力，如圖 245b 所示 ，從而消除軸向間隙。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、預(yù)緊可靠。使用中調(diào)整方便，但不能精確定量地調(diào)整。圖 245 雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式（2）雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式如圖 246 所示，兩個(gè)螺母的兩端分別制有圓柱齒輪，兩者齒數(shù)相差一個(gè)齒，通過(guò)兩端的兩個(gè)內(nèi)齒輪與上述圓柱齒輪相嚙合并用螺釘和定位銷固定在套筒上。調(diào)整時(shí)先取下兩端的內(nèi)齒輪，當(dāng)兩個(gè)滾珠螺母相對(duì)于套筒同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)同一個(gè)齒固定后，則一個(gè)滾珠螺母相對(duì)于另一個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)角位移，使兩個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，從而消除間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)定量調(diào)整即可進(jìn)行精密微調(diào)（如 ） ，使用中調(diào)整較方便。圖 246 雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式例如：設(shè)絲杠導(dǎo)程 L0=10mm，齒輪齒數(shù) Z1=9Z 2=100，如兩齒輪各轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù) n=1 時(shí)，則兩螺母間相對(duì)軸向位移量33 / 71= ≈1um。021nLZS????????1091????????（3）雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式如圖 247 所示，調(diào)整墊片的厚度，可使兩螺母產(chǎn)生相對(duì)位移，以達(dá)到消除間隙、產(chǎn)生預(yù)緊拉力之目的。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單剛度高、預(yù)緊可靠，但使用中調(diào)整不方便。圖 247 雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式（4）彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式如圖 248 所示，雙螺母中一個(gè)活動(dòng)另一個(gè)固定，用彈簧使其之間產(chǎn)生軸向位移并獲得預(yù)緊力。其特點(diǎn)是能消除使用過(guò)程 中由于磨損或彈性變形產(chǎn)生的間隙。但其結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、軸向剛度低。圖 248 彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式（5）單螺母消除間隙 目前常用的單螺母消隙方法主要是單螺母變位螺距預(yù)加負(fù)荷和單螺母螺釘預(yù)緊。① 單螺母變位螺距預(yù)加負(fù)荷。如圖 249a 所示。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺母滾道在軸向產(chǎn)生一個(gè) ΔL 0 的導(dǎo)程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但負(fù)荷量須預(yù)先設(shè)定而且不能改變。② 單螺母螺釘預(yù)緊。如圖 249b 所示。該螺母在專業(yè)廠完成精磨之后，沿徑向開(kāi)一個(gè)薄槽，通過(guò)內(nèi)六角螺釘實(shí)現(xiàn)間隙調(diào)整和預(yù)緊。該項(xiàng)技術(shù)不僅成功解決了開(kāi)槽后滾珠在螺母中具有良好的通過(guò)性，而且還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便和性價(jià)比高的特點(diǎn)。34 / 71 a） b）圖 249 單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式4．滾珠絲杠螺母副預(yù)緊力的確定為了保證滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)精度和剛度，必須對(duì)滾珠絲杠螺母副實(shí)施預(yù)緊措施。預(yù)緊的目的一是消除軸向間隙，二是為了提高軸向剛度。目前常采用兩種方法來(lái)確定預(yù)緊力 Fp 的大小。（1）根據(jù)最大軸向工作載荷 Fmax 來(lái)確定 max31Fp?（2）根據(jù)額定動(dòng)負(fù)荷來(lái)確定 apC?式中：ξ 為額定動(dòng)負(fù)荷系數(shù)，輕負(fù)荷取 、中負(fù)荷取 、重負(fù)荷取 ，C a 是額定動(dòng)負(fù)荷，可在樣本上查取。滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方式及其特點(diǎn)見(jiàn)表 26。表 26 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方式及其特點(diǎn) 預(yù)加負(fù)荷方式雙螺母齒差預(yù)緊雙螺母墊片預(yù)緊雙螺母螺紋預(yù)緊單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊單螺母鋼珠過(guò)盈預(yù)緊JB/—1991 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)C D L B Z螺母受力方式拉伸式 拉伸式壓縮式拉伸式（外）壓縮式（內(nèi)）拉伸式（+ΔL）壓縮式（—ΔL）——結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn) 以下的精密微調(diào)，預(yù)緊可靠不會(huì)松弛，調(diào)整預(yù)緊力較方便。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性高，預(yù)緊可靠及不易松弛。使用中不便隨時(shí)調(diào)整預(yù)緊力。預(yù)緊力調(diào)整方便，使用中可以隨時(shí)調(diào)整。不能定量微調(diào)螺母，軸向尺寸長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，尺寸最緊湊，避免了雙螺母形位誤差的影響。使用中不能隨時(shí)調(diào)整。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，不需要任何附加預(yù)緊結(jié)構(gòu)。預(yù)緊力大時(shí)，裝配困難，使用中不能隨時(shí)調(diào)整。調(diào)整方法當(dāng)需要重新調(diào)整預(yù)緊力時(shí)，脫開(kāi)差齒圈，相對(duì)螺母上的齒在圓周上錯(cuò)位，然后復(fù)位。改變墊片的厚度尺寸，可以使雙螺母重新獲得所需要的預(yù)緊力。旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺母，使雙螺母產(chǎn)生相對(duì)軸向位移，預(yù)緊后需鎖緊螺母。調(diào)整負(fù)荷，產(chǎn)生一個(gè) ΔL 的導(dǎo)程變化量拆下滾珠螺母，精確測(cè)量原裝鋼球直徑，然后根據(jù)預(yù)緊力需要重新更換裝入比原來(lái)大若干微35 / 71米的鋼球。適用場(chǎng)合要求獲得準(zhǔn)確預(yù)緊力的精密定位系統(tǒng)高剛度，重載荷的傳動(dòng)定位系統(tǒng)，目前使用得較普遍。不要求得到準(zhǔn)確的預(yù)緊力，但希望隨時(shí)可以調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小的場(chǎng)合。中等載荷，對(duì)預(yù)緊力要求不大，又不經(jīng)常調(diào)節(jié)預(yù)緊力的場(chǎng)合。備 注我國(guó)目前剛開(kāi)始發(fā)展的結(jié)構(gòu)雙圓弧齒形鋼球四點(diǎn)接觸，摩擦力距較大5．滾珠絲杠的預(yù)拉伸滾珠絲杠在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，其溫度高于床身。絲杠的熱膨脹將使導(dǎo)程加大，影響定位精度。為了補(bǔ)償熱膨脹，可將絲杠預(yù)拉伸。預(yù)拉伸量應(yīng)略大于熱膨脹量。發(fā)熱后，熱膨脹量抵消了部分預(yù)拉伸量，使絲杠內(nèi)的拉應(yīng)力下降，但長(zhǎng)度卻沒(méi)有變化。需進(jìn)行預(yù)拉伸