滾珠絲杠副預加載荷分析*

陜西漢江機床有限公司 陜西漢中 723003

1 問題的提出

滾珠絲杠副是在滾珠絲杠和滾珠螺母旋合的圓弧螺旋槽內放置鋼球作為中間傳動體，借助反向裝置元件，構成滾珠在閉合回路中反復循環運動的螺旋傳動功能部件［1］。隨著我國制造業技術水平的不斷發展提高，滾珠絲杠副已廣泛應用于數控機床、測量、醫療等行業。滾珠絲杠副作為先進的傳動功能部件，具有傳動效率高、定位精度及重復定位精度高的優點。為保證精密滾珠絲杠副的重復定位精度，要求精密滾珠絲杠副無反向間隙，因此，需要對滾珠絲杠副施加合理的軸向預加載荷來消除間隙，軸向預加載荷的大小可以通過滾珠絲杠副動態預緊轉矩測試的數值來表現［2-5］。對滾珠絲杠副施加合理的軸向預加載荷，不僅與滾珠絲杠副的重復定位精度、剛度有關，而且影響滾珠絲杠副的使用壽命［6］。

2 預加載荷分析

除軸向間隙，提高絲杠剛度的目的。鋼球在滾道中的受力狀態如圖1所示。

圖1中，在螺母的有效滾道導程之間增加一定的導程變位量，使螺母的滾道向兩邊偏移，來改變絲杠和螺母的滾道相對位置關系，從而使螺母分別對兩邊的鋼球沿著接觸角產生過鋼球中心的作用力，將鋼球壓緊在絲杠和螺母的接觸滾道之間，消除軸向間隙。以單個鋼球進行受力分析，鋼球分別受到絲杠和螺母接觸齒形部分穿過球心的力P，法向的接觸角為α，分別產生兩個分力P1和P2。為了計算軸向預加載荷，需要求出水平分力P1。

由于螺旋滾道螺旋角λ的存在，P1沿軸向的分力P3即為滾珠絲杠副施加的軸向預加載荷［7］。

式中：Fp為總軸向預加載荷；Z為鋼球數量。

對滾珠絲杠副施加預加載荷，無論是單螺母結構變螺距后在內部產生的預加載荷，還是雙螺母結構配磨墊片厚度后在螺母間產生的預加載荷，都是在滾珠螺母有效滾道之間增加一定的導程變位量，通過改變絲杠和螺母滾道之間相對位置關系，以達到消

▲圖1 鋼球受力狀態

滾珠絲杠副的軸向預加載荷消除了絲杠的微量彈性變形，可以提高絲杠的剛度，同時提高絲杠的重復定位精度。如果軸向預加載荷值取得小，就不能達到消除反向間隙的作用；取得大，則增大了絲杠副的摩擦力，加劇絲杠的磨損，也加大驅動絲杠的電機功率，造成資源浪費。通常情況下，滾珠絲杠副的軸向預加載荷取滾珠絲杠最大承受軸向載荷的1/3，或根據選型樣本按所選滾珠絲杠副額定動載荷的1/10取值。

在實際生產檢測中，滾珠絲杠副的軸向預加載荷數值允許在一定范圍內變化。通過實際測試力臂L和彈簧秤顯示的拉力F，可以轉化為滾珠絲杠副動態預緊轉矩Tp（Tp=FL）來檢測。在滾珠絲杠副的國家驗收標準GB/T 17587.3—1998中，對不同長徑比、不同精度等級絲杠的動態預緊轉矩變化范圍有不同要求，并要求絲杠正轉和反轉時的測量值都在相應的范圍內［8-10］。滾珠絲杠副動態預緊轉矩的測試和表示方法如圖2所示，圖2中實線為檢測值，虛線為計算值，Tpo為標準要求的基準轉矩；ΔTpp為基準轉矩的允許變動量，Tpa為實際轉矩的平均值，ΔTpa為實際轉矩的變動量。

3 預加載荷試驗

為了研究滾珠絲杠副在不同預加載荷下對絲杠使用性能的影響，分別對三組規格長度和螺母結構相同，有兩種不同預加載荷的滾珠絲杠副進行加載跑合試驗。為了方便記錄，統一按滾珠螺母同一位置的彈簧秤平均拉力表示。試驗編號為02C、03M的絲杠預加載荷相同，彈簧秤在螺母法蘭外圓上的平均拉力為28 N。試驗編號為01C的絲杠預加載荷偏小，彈簧秤在螺母法蘭外圓上的平均拉力為24 N。在相同加載條件下跑合一段時間后，滾珠絲杠副預加載荷及行程誤差變化曲線分別如圖3、圖4所示。

從圖3中可以看出，三組滾珠絲杠副預加載荷的變化曲線在初期一直減小，減小較快，3 h后則基本處于平穩狀態。加載跑合試驗到10 h后截止，在這段時間內，螺母法蘭外圓上的彈簧秤平均拉力各有不同，編號01C的絲杠為12 N，減小了50%。編號02C的絲杠為16 N，減小了43%。編號03M的絲杠為19 N，減小了33%。說明滾珠絲杠副預加載荷的變化趨勢符合產品初期可靠性的變化。預加載荷初始值相同的02C、03M滾珠絲杠副跑合后產生不同的數值，但是滿足GB/T 17587.3—1998標準要求的預加載荷變動量20%的范圍，且幅值變化基本相似。預加載荷值偏小的01C滾珠絲杠副，加載跑合后的預加載荷值也較小。總體而言，初始預加載荷和跑合后的數值是成正比的。

從圖4中可以看出，三組滾珠絲杠副行程誤差變化曲線一直在上升，數值增大，說明絲杠精度在變差。雖然初始的行程誤差值不同，但是預加載荷相同的滾珠絲杠副加載跑合后行程誤差變動值基本相同，從總的變化趨勢來看，預加載荷大的滾珠絲杠副行程誤差變動值較大。

▲圖2 絲杠動態預緊轉矩測試

▲圖3 滾珠絲杠副預加載荷變化曲線

▲圖4 滾珠絲杠副行程誤差變化曲線

4 預加載荷應用

在實際應用滾珠絲杠副時，根據用戶的不同使用要求，將軸向預加載荷分為三種情況：輕預緊、標準預緊和重預緊。用戶在按照對應絲杠規格的額定動載荷選型時，預加載荷按額定動載荷1/10的標準預緊選用。如果可以確定最大軸向載荷的數值，則預加載荷按最大軸向載荷的1/3選用。對于滾珠絲杠副承受的最大軸向載荷小于額定動載荷或稍大于額定動載荷時的選型，預加載荷必須按最大軸向載荷的1/3來選用，否則就不能達到預緊后消除反向間隙的目的。某公司的小型數控車床X軸滾珠絲杠副，選用GQ32×10雙螺母墊片結構，由于訂貨時沒有提到預加載荷大小，因此按標準預加載荷生產加工。但是在試車加工零件的過程中，每到主軸正向和反向加工的轉換處，零件上就會留有一條細棱，多次調整整個傳動鏈都無法解決。經過和完好設備對比，發現滾珠絲杠副的預加載荷偏大，最終將滾珠絲杠副的預加載荷按最大軸向載荷1/3調小后，就不存在這種現象了。由此可見，滾珠絲杠副預加載荷的調整數值，雖然不影響絲杠的安裝，但是會影響使用性能。