數控機床滾珠絲杠副摩擦力矩研究進展

梁玉鵬，李夢奇，鄧霜梅，王 斌

（邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽 422000）

1 滾珠絲杠副摩擦力矩來源

滾珠絲杠副中的摩擦力矩按照產生機理的不同主要來源于滾珠與絲杠及螺母滾道之間的摩擦（包括彈性滯后、差動滑動和自旋滑動）、滾珠之間的滑動摩擦、滾珠在反向器中的摩擦以及潤滑劑的粘滯阻力。其中，楔緊效應所產生的摩擦力矩是滾珠螺旋副中摩擦力矩的主要因素，它的大小和變化直接影響滾珠螺旋副總的摩擦力矩大小及穩定性。

1.1 潤滑劑產生的粘性摩擦

在有潤滑劑作用下的滾珠絲杠副中，滾珠運動需要克服潤滑劑產生的黏性摩擦力。阻力大小取決于潤滑劑的量。根據彈流潤滑理論求得潤滑劑引起的阻力為8。

1.2 滾珠與滾道接觸產生的摩擦

（1）彈性滯后引起的摩擦力矩

滾珠絲杠副理想模型下的滾壓接觸不會產生阻力，但事實上不存在絕對的彈性體，即使在彈性極限范圍內，一個加載到卸載的過程中也有能量的消耗，從而產生彈性滯后。

早在1958年，Greenwood和Tabor估算了彈性滯后引起的滾動阻力。在1962年，Drutowski通過實驗證明，滾動摩擦力與受力材料體積呈線性關系。文獻對滾動摩擦機理從摩擦學觀點進行了探討，得出了滾動阻力來自微觀滑動和彈性滯后，但并未對其進行進一步的數學驗證；文獻通過對承受預加載荷的滾動直線導軌副的分析，建立了彈性滯后摩擦力矩損失數學模型；

圖1 滾珠絲杠副摩擦機理分解圖

（2）差動滑動引起的摩擦力矩

滾珠絲杠副滾珠在滾道中滾動時，由于外加預緊力的作用，接觸點處將發生彈性接觸變形，其接觸處為一橢球面。存在滾動差動滑動和自轉差動滑動所帶來的差動滑動摩擦。

文獻依據Hertz理論求解出差動滑動摩擦損失數學模型，該模型承受預加載荷并假定鋼球處于勻速運動狀態，結合Hertz理論，簡化了分析和計算，容易得到穩定解，用于差動滑動摩擦力矩分析。文獻分析了高速球軸承接觸區內的差動滑動狀態，結合彈流潤滑狀態下潤滑油的流變特性，得到了差動滑動速度、滾滑比、摩擦因數等在接觸區內的分布狀態，進而確定了高速球軸承的差動滑動摩擦熱量。

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