一種新型螺母旋轉型滾珠絲杠副結構設計與應用

摘要：設計了一種新型螺母旋轉型滾珠絲杠副結構，主要由滾珠絲杠副、滾動軸承副、預緊調節（鎖緊）裝置、防塵裝置、潤滑油路等部分組成，可實現將絲杠固定—螺母旋轉運動轉變為直線運動，從而有效替代常規的絲杠旋轉帶動螺母直線運動的進給方式。運動分析和載荷校核證明，該結構具有載荷高、剛度強等特點。這種新型螺母旋轉型滾珠絲杠副在機械、船舶等行業有著廣泛的應用前景，目前已在大型龍門加工中心上使用。

關鍵詞：螺母旋轉型滾珠絲杠副;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

滾珠絲杠副是數控機床的關鍵功能部件，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用。但目前數控機床上絕大多數采用絲杠旋轉帶動螺母直線運動的進給方式，這就導致傳動副轉動慣量大，振動嚴重，從而造成數控機床工作精度降低、剛性差。可以說，現有的絲杠旋轉驅動型滾珠絲杠副是影響數控設備高精度、高速化、高剛性的關鍵因素。

為了消除絲杠旋轉驅動型滾珠絲杠副的弊端，本文提出了一種螺母旋轉型滾珠絲杠副，其不僅保留了絲杠旋轉驅動型的優點，還創新思考，將絲杠旋轉改為螺母旋轉，通過設計螺母旋轉組合單元，可實現絲杠驅動型同樣的效果，即將旋轉運動轉變為直線運動。運用該原理設計出的滾珠絲杠副轉動慣量小、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所示為螺母旋轉型滾珠絲杠副結構示意圖。

螺母旋轉型滾珠絲杠副為滾珠絲杠副的延伸產品，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構工作原理進行分析，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，當絲杠或螺母轉動時，滾珠被推動在閉合回路中形成滾珠鏈，反復循環運動，實現將旋轉運動轉變為直線運動，或將直線運動轉變為旋轉運動[1]。

（2）如圖1所示，二級工作原理是借助滾動軸承副實現軸承內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體，降低其運動過程中的摩擦系數，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結構徑向定位，推力圓柱滾子軸承實現軸向承載，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，該防松結構由精密徑向鎖緊螺帽、軸用彈性擋圈（A型）和止動墊片組成。由螺母旋轉型滾珠絲杠副運動特性可知，正常工作狀態下的驅動螺母在有效行程往復高速運動，長期如此，就會造成精密徑向鎖緊螺帽鎖緊效果失效，從而導致螺母旋轉自合單元整體結構松動，存在安全隱患。為此，經過創新改進，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，也就不存在整體結構松動的可能性。因此，該防松結構設計簡單易實現，大大提升了螺母旋轉型滾珠絲杠副運轉的安全性。

1.3? ? 防塵原理

如圖2所示，該防塵結構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防塵裝置，起到對滾珠螺母內部防塵及油封的作用。另外，在螺母旋轉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加設許多個齒或槽，來增加泄漏流動中的阻力，使造成泄漏的壓差急劇損失。迷宮設計良好，泄漏通道兩端的壓差全部損失之后，即可實現封嚴不漏。因此，在該結構兩端分別增加迷宮防塵圈，保證結構內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，因此其運動學分析與動力學分析可參照《滾珠絲杠副動力學與設計基礎》第二章所述[2]，此處不再贅述。但螺母旋轉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載有關，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，表達式為：

一般來說，滾珠絲杠副的效率隨著絲杠轉速的增加而降低，根據精度等級，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點。

2.2? ? 載荷校核及受力分析

本文以南京工藝XJD8016R-S10-8規格型號為例，根據設計，該型號選擇的滾珠絲杠副為南京工藝JFZD8016-8規格，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;z1為每一滾珠圈中有效承載滾珠數;i為承載滾珠圈數;α為接觸角;Dw為滾珠直徑（mm）;φ為導程角。

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

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

代入相關數據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。

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;α為接觸角;z1為每一滾珠圈中有效承載滾珠數;Dw為滾珠直徑（mm）;φ為導程角;f1、f2、f3為幾何形狀系數;frs為滾珠絲杠滾道的適應度;γ為結構系數;Dpw為節圓直徑（mm）;frn為滾珠螺母體滾道的適應度。

代入相關數據求得額定動載荷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，因此該螺母旋轉型滾珠絲杠副載荷可以達到預期要求，且在此載荷下，關鍵零件的強度校核均合格。

3? ? 結論與展望

本文所述新型螺母旋轉滾珠絲杠副不僅保留了傳統絲杠驅動型滾珠絲杠副的優點，而且完善了絲杠驅動型滾珠絲杠副的一些不足，具體如下：

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

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

（3）多螺母驅動。可在一根滾珠絲杠上安裝多個旋轉螺母組合單元，多個工作臺被同時或分別各自驅動，其運動互不干涉。

（4）設計、安裝簡便。旋轉螺母組合單元集多個功能部件于一體，設計簡化，便于安裝及調試。

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

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

[參考文獻]

[1] 程光仁，施祖康，張超鵬.滾珠螺旋傳動設計基礎[M].北京：機械工業出版社，1987.

[2] 馮虎田.滾珠絲杠副動力學與設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3] 周建方.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[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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