關于套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題的研究

賈 媛 蘇福蓮

（中國航發常州蘭翔機械有限責任公司，常州 213022）

關于套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題的研究

賈 媛 蘇福蓮

（中國航發常州蘭翔機械有限責任公司，常州 213022）

針對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題，對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠進行了有限元分析和動力學研究，提出了可能的故障模式，并針對相關故障模式提出了相應的解決方法。試驗結果表明，直孔的加工精度對卡滯有一定的影響。

滾珠絲杠，外螺旋槽，卡滯，拋修

某沖壓渦輪在試驗臺架順槳過程中經常出現卡滯問題，由于卡滯位置及原因存在不確定性，因此，通過執行拋修流球口及修改相關尺寸來驗證措施的可行性。為了更深入地剖析滾珠卡滯原因，本文對該滾珠絲杠副進行了有限元及動力學分析與研究，提出了相應的解決方法和措施，改進了相關加工工藝。

1 套筒－螺旋槽式滾珠絲杠概述

1.1 定 義

套筒－螺旋槽式滾珠絲杠（見圖1）是在外環柱面上采用機械切割的方法形成的螺旋形凹槽，其功能是作為滾珠運動通道，兩頭加工出與動件滾道相切的直體小孔，螺母內表面孔中裝有兩個與螺紋滾道相吻合的弧形擋珠，桿尾部使用橢圓形片特征的設計引導進入回珠滾道，返回初始螺紋滾道，形成滾珠鏈運動。為了防止運動體脫離既定運動軌跡，用環套緊套在螺母外圓柱上，從而構成滾珠鏈的往復運動。

圖1 套筒－螺旋槽式滾珠絲杠

1.2 特 點

本文采用的套筒－螺旋槽式滾珠絲杠的是雙圓弧滾道型面（見圖2），接觸角為45°，這一角度保持不變，因此，傳動效率、承載能力和剛度均較穩定，特別是槽底不與滾珠緊貼，有利于提高運動時的順滑度，而且能夠積存少量的潤滑油或外來顆粒。

圖2 雙圓弧型滾道型面

2 有限元及滑動摩擦分析

滾珠絲杠中滾子受力并不是均勻分布的，前后滾珠的受力有很大差別，最前一環滾珠約承受總載荷的45%、中間一環約35%、最后一環約20%，因此，有必要對滾珠受力變形情況進行有限元分析，研究其變形對卡滯的影響。

滾珠絲杠副雖以金屬加工球體作為動力傳輸，球體的運動方式為滾動加上滑動，且滑動在其中起主要作用。除去細小微觀上的運動，影響最大的是外部其它載荷對其產生作用力所引起的直接運動，因此，同樣需要對滑動摩擦系數的影響進行分析。

2.1 有限元分析

對滾珠絲杠建模，并對其進行了網格劃分，對絲杠一端施加3800N的壓力，螺母采用固定約束。對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠進行有限元分析的結果如圖3～圖6所示。

教師在教學過程中應注意啟發學生學習如何思考問題、如何提出有價值的問題。例如，可根據社會上近期發生的引起重大關注的事件或學生提出的問題設定主題，先進行小組討論，各小組推選代表上講臺講述，鼓勵學生提出各自的疑問和見解，引導他們多角度、多層面地思考問題。

圖3 滾珠的應力和變形分布

圖4 螺母應力分布

圖5 絲杠應力分布

圖6 單個滾珠的應力分布

由套筒－螺旋槽式滾珠絲杠有限元分析結果可知，滾珠的最大應力為37.6MPa，最大變形為0.00022515mm；從應力分布來看，第1圈應力較大，但相對與材料屈服強度較小，其變形影響可忽略不計。

2.2 制造誤差對摩擦因數的影響分析

滾珠絲杠副無論是哪一種滑動，摩擦力矩都與滑動摩擦因數息息相關。摩擦學研究表明，摩擦因數不是一個固定值，而是一個系統變量函數，與系統結構、工況和環境等有關[2]。滑動摩擦因數μ可表示為：

μ= f (P, V, T, t, χ, n, …) （1）

機構工作中所受的載荷經常會改變，它是引起摩擦因數變化的主要原因，本文針對載荷對摩擦因數的影響進行分析。

滾珠絲杠副有滑油潤滑時，軌道中要形成理想狀態的完全油膜來潤滑幾乎不可能，在實際工作情況中通常為邊界潤滑。根據分子—機械摩擦理論，可認為滾珠絲杠副中的摩擦有機械分量和分子分量。

由HOLM基本粘著理論可知，摩擦因數μ可表示為：

μ=[x·τm+（1+χ）τL]/σS（2）

式中：τm為結點的剪切強度；τL為潤滑膜分析鍵合剪切強度；χ為結點實際結合面積與名義結合面積之比；σS為接觸副中較軟材料的屈服極限。

式中：ζ為表面質量系數；σp為接觸應力；E為材料彈性模量。

將上述兩式整理可得：

從上式可得出滾珠與滾道接觸副的滑動摩擦因數隨接觸壓力的變化情況而變化，一般而言，機構工作時的機械載荷增大，摩擦因數也相應增大。當運動軌道內有外來物質，或者金屬剝落引起軌道損傷時，受害物體的接觸應力與摩擦因數也相應變大，滾珠絲杠副的總摩擦力矩就會增大，甚至可能會導致滾珠無法正常滾動而造成卡滯故障。

3 套筒－螺旋槽式滾珠絲杠螺母卡球位置與故障分析

通過對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠進行有限元及滑動摩擦分析，確定了摩擦因數對卡滯故障的影響。下面對卡球概率較大的位置進行分析，為后期工藝改進提供方向。

3.1 螺旋形返回通道進口處卡球

螺旋槽式外循環滾珠螺旋副的返回通道位于滾珠從螺旋工作滾道導出后即將進入返回通道的轉彎處，如圖7所示。因加工限制出現如圖8所示的拐點。

圖7 返回通道進口處卡球位置示意圖及局部剖面圖

即便滾珠與軌道之間的間隙為理想狀態，當滾珠由o1處移向o3處，經過o2時，在o2處沿著速度方向滾珠一定會產生突然蹦跳，蹦跳造成滾珠快速的運行不平穩，最終導致機構的流暢性和靈活性大幅降低。滾珠之間的相互碰撞使得滾珠之間的摩擦力增大，使得摩擦扭矩變得很大，這種情況稱之為“球阻”現象。

圖8 返回通道拐點剖面圖

圖9中滾珠的外環引導槽面在o2處法向合力的作用下，使其轉彎進入反向螺旋槽的時候有一定的阻礙。如果導槽與滾珠間存在間隙，情況將更加惡化。

圖9 拐點處被卡滾珠受力分析示意圖

3.2 外螺旋槽內卡球

外循環滾珠絲杠副是采用后一個滾珠推動前一個滾珠的方式依次循環運動的，中間大部分的滾珠不受滾動力，因此，此處滾珠只做滑動，而無滾動。這樣，就形成了很大的摩擦力矩。

3.3 流球口拋修處卡球

由于螺母直孔加工過程中，加工琉球口臺階處（如圖10所示）易發生“偏刀”，造成相交處不能光滑過渡。因此，此處結構需采用手工拋修，拋修的寬度及拋修質量往往與人的技能和熟練程度有關，這就增加了拋修寬度的不確定性。拋修寬度太大容易使滾球發生側移，而側移量太大會產生明顯的楔緊效應，進而導致滾球的卡滯。

圖10 加工流球口產生臺階

4 改進措施及建議

從運動學和動力學的角度，針對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題，提出以下改進措施和建議：

（1）采用鏜孔工藝加工直孔，控制因直接鉆孔而造成的“偏刀”影響，進而從根本上控制拋修寬度；

（2）保證螺旋槽出入口與滾道光滑過渡，使滾球通過時加速度無突變（沖擊會造成動力損失），并采取精加工工藝（如最后一道工序采用研磨）來提高外螺旋槽滾道的光潔度，從而降低滾珠的卡滯概率；

（3）使用規定的清潔潤滑脂，裝配過程中防止硬質顆粒等異物進入滾道，防止滾珠運動卡滯；

（4）對外螺旋滾道進行優化，減少滾道的拐點，調整滾珠與螺旋滾道的間隙，降低卡滯發生概率；

（5）規定流球口拋修寬度及拋修質量，提高拋修質量一致性。

5 試驗結果及結論

（1）改進直孔的加工工藝后，在試驗機上進行各項實驗，暫未發現卡滯現象。 （2）采用鏜孔方法，保證了直孔的精度，顯著改善了卡滯現象。

（3）提高加工精度、量化拋修寬度和提升裝配質量對卡滯問題有顯著改善。

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

2 劉曉慧, 宋現春. 滾珠絲杠副摩擦力矩影響因素及測試方法研究[J]. 工具技術, 2006, 40(6): 59～61

3 范東風. 大導程程滾珠絲杠副螺母成型磨削加工建模與仿真[D]. 上海交通大學, 2009

4 張佐營. 高速滾珠絲杠副動力學性能分析及其實驗研究[D].濟南: 山東大學, 2008

1009-8119（2017）10（1）-0055-03