摘要：設(shè)計了一種新型螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)，主要由滾珠絲杠副、滾動軸承副、預(yù)緊調(diào)節(jié)（鎖緊）裝置、防塵裝置、潤滑油路等部分組成，可實現(xiàn)將絲杠固定—螺母旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，從而有效替代常規(guī)的絲杠旋轉(zhuǎn)帶動螺母直線運動的進給方式。運動分析和載荷校核證明，該結(jié)構(gòu)具有載荷高、剛度強等特點。這種新型螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副在機械、船舶等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景，目前已在大型龍門加工中心上使用。

關(guān)鍵詞：螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副;工作原理;運動分析;載荷校核

中圖分類號：TH132? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）04-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.011

0? ? 引言

滾珠絲杠副是數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件，其因具備傳動效率高、剛度強、清潔無污染等特點而得到廣泛應(yīng)用。但目前數(shù)控機床上絕大多數(shù)采用絲杠旋轉(zhuǎn)帶動螺母直線運動的進給方式，這就導(dǎo)致傳動副轉(zhuǎn)動慣量大，振動嚴(yán)重，從而造成數(shù)控機床工作精度降低、剛性差?？梢哉f，現(xiàn)有的絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型滾珠絲杠副是影響數(shù)控設(shè)備高精度、高速化、高剛性的關(guān)鍵因素。

為了消除絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型滾珠絲杠副的弊端，本文提出了一種螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副，其不僅保留了絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型的優(yōu)點，還創(chuàng)新思考，將絲杠旋轉(zhuǎn)改為螺母旋轉(zhuǎn)，通過設(shè)計螺母旋轉(zhuǎn)組合單元，可實現(xiàn)絲杠驅(qū)動型同樣的效果，即將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。運用該原理設(shè)計出的滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動慣量小、剛度強，特別適用于長徑比大、載荷高的場合。

1? ? 螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副工作原理及防松、防塵原理

1.1? ? 基本工作原理

圖1所示為螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)示意圖。

螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副為滾珠絲杠副的延伸產(chǎn)品，可分解為滾珠絲杠副（一級）與滾動軸承副（二級），因此可用二者的工作原理對該結(jié)構(gòu)工作原理進行分析，具體如下：

（1）如圖1所示，一級工作原理即滾珠螺旋傳動原理，在絲杠與螺母旋合螺旋槽之間放置適量的滾珠作為中間傳動體，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，滾珠被推動在閉合回路中形成滾珠鏈，反復(fù)循環(huán)運動，實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動[1]。

（2）如圖1所示，二級工作原理是借助滾動軸承副實現(xiàn)軸承內(nèi)圈連接滾珠螺母外圓，外圈連接與工作臺相連的殼體，從而支撐滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)體，降低其運動過程中的摩擦系數(shù)，保持滾珠絲杠副的高效率傳動性特點;同時，借助深溝球軸承實現(xiàn)結(jié)構(gòu)徑向定位，推力圓柱滾子軸承實現(xiàn)軸向承載，這又保證了滾珠絲杠副的承載能力。

1.2? ? 防松原理

如圖2所示，該防松結(jié)構(gòu)由精密徑向鎖緊螺帽、軸用彈性擋圈（A型）和止動墊片組成。由螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副運動特性可知，正常工作狀態(tài)下的驅(qū)動螺母在有效行程往復(fù)高速運動，長期如此，就會造成精密徑向鎖緊螺帽鎖緊效果失效，從而導(dǎo)致螺母旋轉(zhuǎn)自合單元整體結(jié)構(gòu)松動，存在安全隱患。為此，經(jīng)過創(chuàng)新改進，在精密徑向鎖緊螺帽右端添加止動墊片，這就使得精密徑向鎖緊螺帽軸向移動完全被限制，也就不存在整體結(jié)構(gòu)松動的可能性。因此，該防松結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單易實現(xiàn)，大大提升了螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副運轉(zhuǎn)的安全性。

1.3? ? 防塵原理

如圖2所示，該防塵結(jié)構(gòu)由防塵圈和迷宮防塵圈組成。其中防塵圈沿襲了滾珠絲杠副的常規(guī)防塵裝置，起到對滾珠螺母內(nèi)部防塵及油封的作用。另外，在螺母旋轉(zhuǎn)組合體上采用迷宮防塵圈進行密封，迷宮防塵圈就是人為地在泄漏通道內(nèi)加設(shè)許多個齒或槽，來增加泄漏流動中的阻力，使造成泄漏的壓差急劇損失。迷宮設(shè)計良好，泄漏通道兩端的壓差全部損失之后，即可實現(xiàn)封嚴(yán)不漏。因此，在該結(jié)構(gòu)兩端分別增加迷宮防塵圈，保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部潤滑油或脂不泄漏，以延長運行壽命。

2? ? 運動分析和受力分析

2.1? ? 運動分析

螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副，實際運動原理與滾珠絲杠副大致相同，因此其運動學(xué)分析與動力學(xué)分析可參照《滾珠絲杠副動力學(xué)與設(shè)計基礎(chǔ)》第二章所述[2]，此處不再贅述。但螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副為一個組合單元，因此這里著重分析其機械效率。

滾珠絲杠系統(tǒng)的機械效率定義為輸出力矩與輸入力矩的比率[3]：

輸出力矩與施加在螺母軸線方向上的負(fù)載有關(guān)，可以寫成表達式：

輸入力矩與絲杠接觸面的摩擦力和作用在接觸面的法向力有關(guān)，表達式為：

一般來說，滾珠絲杠副的效率隨著絲杠轉(zhuǎn)速的增加而降低，根據(jù)精度等級，滾珠絲杠副效率η一級可達到0.85～0.9。

而滾動軸承效率η二級可達到0.98～0.99[4]，加上螺母旋轉(zhuǎn)組合體采用微間隙緊密安裝，因此可以得出：

最終得出螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副傳動效率基本與滾珠絲杠副相同，這也是繼承自滾珠絲杠副的一大優(yōu)點。

2.2? ? 載荷校核及受力分析

本文以南京工藝XJD8016R-S10-8規(guī)格型號為例，根據(jù)設(shè)計，該型號選擇的滾珠絲杠副為南京工藝JFZD8016-8規(guī)格，校核其動靜載荷如下：

軸向額定靜載荷計算公式[5]：

式中：Coa為額定靜載荷;k0為軸向額定靜載荷的特性系數(shù);z1為每一滾珠圈中有效承載滾珠數(shù);i為承載滾珠圈數(shù);α為接觸角;Dw為滾珠直徑（mm）;φ為導(dǎo)程角。

式中：Dpw為節(jié)圓直徑（mm）;Ph為導(dǎo)程（mm）;zu為每一滾珠圈中不承載的滾珠數(shù)。

式中：ρ11，ρ12，ρ21，ρ22為曲率半徑倒數(shù);frs為滾珠絲杠滾道的適應(yīng)度。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)求得軸向額定靜載荷Coa=964.4 kN。

軸向額定動載荷計算公式[5-6]：

式中：Ca為軸向額定動載荷（N）;Ci為滾珠絲杠副單圈上的軸向額定動載荷（N）;i為承載滾珠圈數(shù)。

其中：

式中：Cs為滾珠絲杠單圈上的軸向額定動載荷（N）;Cn為滾珠里面單圈上的軸向額定動載荷（N）;fc為幾何系數(shù);α為接觸角;z1為每一滾珠圈中有效承載滾珠數(shù);Dw為滾珠直徑（mm）;φ為導(dǎo)程角;f1、f2、f3為幾何形狀系數(shù);frs為滾珠絲杠滾道的適應(yīng)度;γ為結(jié)構(gòu)系數(shù);Dpw為節(jié)圓直徑（mm）;frn為滾珠螺母體滾道的適應(yīng)度。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)求得額定動載荷Ca=241 kN。

該型號選用的滾動軸承副包含深溝球軸承（GB/T 276—61830，起定位作用）和推力滾子軸承（GB/T 4663—

81130，起承載作用），查詢軸承樣本得（以NBI為例），推力滾子軸承的額定動載荷Ca=270 kN，額定靜載荷Coa=1 005 kN（此處軸承載荷校核過程省略）。

除此之外，還有關(guān)鍵零件“殼體”需進行受力分析，如圖3、圖4所示。

A面與B面分別受到軸承的剪切力，假如滾珠螺母往右運動時A面受力，則B面不受力;同樣，滾珠螺母往左運動時B面受力，則A面不受力。因此，對A面與B面的剪切強度校核如下：

A面受力分析，如圖4所示：

式中：τ為剪切應(yīng)力（MPa）;Ws為剪切力載荷（N）;A為截面積（mm2）。

剪切力載荷Ws按滾珠絲杠副額定動載荷241 000 N計算，截面積A=9 962 mm2，代入公式（23）得τ=24 MPa，查詢資料45鋼的許用剪切力[τ]=146 MPa。

得出τ<[τ]，剪切強度校核合格。

同理，B面剪切強度校核合格。

綜上所述，滾動軸承副的額定動、靜載荷均大于滾珠絲杠副的額定動、靜載荷，因此該螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副載荷可以達到預(yù)期要求，且在此載荷下，關(guān)鍵零件的強度校核均合格。

3? ? 結(jié)論與展望

本文所述新型螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠副不僅保留了傳統(tǒng)絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副的優(yōu)點，而且完善了絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副的一些不足，具體如下：

（1）慣量低。相對于以絲杠旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式，以螺母旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式極大地降低了機械運動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，提高了系統(tǒng)的極限轉(zhuǎn)速，易于實現(xiàn)高速傳動，同時可使所選電機功率較小。

（2）剛度高。相對于以絲杠旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式，以螺母旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式布置在螺母外圓上的軸承尺寸規(guī)格大;同時因絲杠不旋轉(zhuǎn)，其軸頸上無須安裝軸承，可以對絲杠施加更大的軸向預(yù)拉伸力，極大地提高整套滾珠絲杠副的剛度。

（3）多螺母驅(qū)動?？稍谝桓鶟L珠絲杠上安裝多個旋轉(zhuǎn)螺母組合單元，多個工作臺被同時或分別各自驅(qū)動，其運動互不干涉。

（4）設(shè)計、安裝簡便。旋轉(zhuǎn)螺母組合單元集多個功能部件于一體，設(shè)計簡化，便于安裝及調(diào)試。

（5）其他。因絲杠不轉(zhuǎn)動，其中部輔助支撐處無周向摩擦，不存在局部發(fā)熱問題;當(dāng)定位精度很高、考慮溫升影響而采用絲杠中空冷卻結(jié)構(gòu)時，因絲杠不轉(zhuǎn)動，冷卻接頭更易布置、安裝。

螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副的應(yīng)用，使數(shù)控機床產(chǎn)品在低耗、高速、高精度、高剛性等方面得到了改進。目前，該產(chǎn)品已正式運用于機械、紡織、船舶等行業(yè)，而且反饋良好，值得推廣使用。這對我國振興制造業(yè)，改變進口模式，發(fā)展數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)具有重大意義。

[參考文獻]

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[2] 馮虎田.滾珠絲杠副動力學(xué)與設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

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[5] 滾珠絲杠副 第5部分：軸向額定靜載荷和動載荷及使用壽命：GB/T 17587.5—2008[S].

[6] 劉波，李凌豐，譚建榮.滾珠螺旋副額定動負(fù)荷的影響因素研究[J].機械傳動，2006，30（1）：18-19.

收稿日期：2021-11-15

作者簡介：馮宇（1984—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機械制造。

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