行星滾柱絲杠副的研究

肖正義

(北京工研精機(jī)股份有限公司，北京101312)

1942年,瑞典人Carl Bruno Strandgren發(fā)明了行星滾柱絲杠副,直到上世紀(jì)70年代才有幾家開(kāi)始研發(fā)、生產(chǎn)行星滾柱絲杠副,由于結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜而沒(méi)有普及,現(xiàn)在國(guó)際上也只有幾家生產(chǎn)行星滾柱絲杠副,代表企業(yè)為德國(guó)SKF公司、瑞士ROLLVIS公司、德國(guó)Rexroth公司等.

1999年,北京機(jī)床研究所研發(fā)腸衣擠出用行星滾柱絲杠副,絲杠副規(guī)格:公稱直徑d0＝65 mm,導(dǎo)程Ph＝16 mm,螺紋頭數(shù)為6頭,滾柱數(shù)量為13個(gè)；2014年,為俄羅斯研發(fā)心臟起搏器用行星滾柱絲杠副,公稱直徑d0＝5 mm,導(dǎo)程Ph＝4 mm,螺紋頭數(shù)為4頭,滾柱數(shù)量為4個(gè).通過(guò)研制,我們積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).近幾年,一些單位及高校過(guò)分強(qiáng)調(diào)行星滾柱絲杠副的優(yōu)點(diǎn),而忽視該絲杠副的缺點(diǎn)及可靠性,還強(qiáng)調(diào)可以用于航天、航空領(lǐng)域,為此,筆者感到擔(dān)憂,特寫(xiě)此文以供參考[1-4].

1 行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)及原理

行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1.行星滾柱絲杠副主要由滾柱絲杠1、滾柱螺母2、滾柱3、內(nèi)齒圈4、壓蓋5及擋圈6組成.

滾柱絲杠與滾柱螺母為齒形角90°的多頭螺紋,法向截形見(jiàn)圖2.滾柱為齒形為雙凸圓弧的單頭螺紋,法向截形見(jiàn)圖3.若干滾柱圍繞絲杠均勻分布.

當(dāng)滾柱絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí),滾柱既圍繞絲杠軸作公轉(zhuǎn),又圍繞自身軸線作自傳,帶動(dòng)滾柱螺母作軸向移動(dòng).因此,滾柱絲杠副滾柱與絲杠、螺母為滾動(dòng)摩擦,傳動(dòng)效率最高可以達(dá)到90%.

行星滾柱絲杠副承載主要靠滾柱螺紋與絲杠、螺母90°齒形角兩邊點(diǎn)接觸承載.滾柱絲杠、滾柱螺母與滾柱嚙合原理圖見(jiàn)圖4,模型圖見(jiàn)圖5.

滾柱兩端內(nèi)齒圈的作用是通過(guò)內(nèi)齒圈與滾柱端部外齒嚙合,防止?jié)L柱與滾柱絲杠、滾柱螺母摩擦運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生傾斜,造成嚙合齒損壞,絲杠副不能運(yùn)轉(zhuǎn).

2 滾珠絲杠副與滾柱絲杠副比較

滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖6,絲杠、螺母、滾珠配合截面圖見(jiàn)圖7.

3 影響滾柱絲杠副承載的因素

滾柱絲杠副在理論上計(jì)算載荷對(duì)于小規(guī)格、小導(dǎo)程要大于滾珠絲杠副,但實(shí)際承載比理論承載要小很多.主要原因如下:

(1)滾柱與絲杠、螺母的牙型接觸點(diǎn).如果絲杠副增大滾柱直徑預(yù)緊,即消除絲杠副間隙,滾柱與絲杠、螺母90°牙型每一牙是四點(diǎn)接觸(絲杠兩點(diǎn)、螺母兩點(diǎn)),這是很難做到的,因?yàn)槎鄠€(gè)滾柱的公稱直徑一致性難以做到很高,沒(méi)有滾珠直徑一致性高.因此,一般行星滾柱絲杠副滾柱與絲杠、螺母接觸由于間隙影響兩點(diǎn)接觸,行星滾柱絲杠副都是通過(guò)雙螺母預(yù)緊消除間隙,單螺母是有間隙的,有間隙滾柱每一牙只能兩點(diǎn)接觸,間隙過(guò)大,使用時(shí)接觸點(diǎn)上移,承載下降很快,主要是絲杠、螺母每一牙深度較小,牙頂強(qiáng)度差.

表1 滾珠絲杠副與滾柱絲杠副比較

(2)滾柱絲杠、滾柱螺母牙型90°及半角誤差.滾柱絲杠及滾柱螺母牙型半角在加工過(guò)程中存在加工誤差,由于半角誤差而影響滾柱的接觸點(diǎn)數(shù),并且影響絲杠副正、反向承載.

(3)滾柱絲杠、滾柱螺母螺紋分頭誤差.由于滾柱絲杠、滾柱螺母都是多頭螺紋,分頭出現(xiàn)誤差則絲杠副難以多頭全部承載,承載大小取決于接觸頭數(shù)多少,很多廠家樣本的實(shí)物照片都能看到絲杠副部分螺紋頭數(shù)承載,見(jiàn)圖1.

(4)滾柱牙型半徑及圓心.滾柱牙型半徑及圓心是滾柱螺母、滾柱絲杠產(chǎn)生最佳滾動(dòng)摩擦而確定的半徑及圓心見(jiàn)圖4,因此,滾柱牙型的加工要求嚴(yán)格,牙型的左右圓弧半徑誤差及圓心直接影響承載.

(5)滾柱兩端外齒與內(nèi)齒圈的嚙合精度.滾柱兩端的直齒與內(nèi)齒圈嚙合,保證滾柱在滾動(dòng)運(yùn)行時(shí),始終與絲杠軸線保持平行,由于滾柱絲杠、滾柱螺母螺紋的加工誤差及齒形粗糙度等影響,直接影響滾柱運(yùn)行的平穩(wěn)性,由內(nèi)齒圈校正滾柱姿態(tài),如果嚙合間隙過(guò)大,很容易造成絲杠副破壞.

(6)滾柱絲杠、滾柱螺母、滾柱的螺紋導(dǎo)程精度.滾柱絲杠、滾柱螺母、滾柱的螺紋導(dǎo)程精度直接影響滾柱每一牙的接觸點(diǎn)數(shù).因而影響絲杠副的實(shí)際承載.

(7)滾柱絲杠、滾柱的直線度.只有滾柱絲杠、滾柱直線度很好的情況下,滾柱的牙型接觸點(diǎn)是均勻的,如果絲杠、滾柱有彎曲,則接觸點(diǎn)不能保證每點(diǎn)接觸,實(shí)際承載將下降.

從以上分析可知,行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性差,承載高只是理想狀態(tài).這就是該絲杠副發(fā)明后沒(méi)有普及應(yīng)用的主要原因.滾珠絲杠副雖是同時(shí)代誕生,由于滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,精度高,傳動(dòng)效率高,因此,上世紀(jì)40年代,隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家把精力投入到滾珠絲杠副的研究中,經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,現(xiàn)滾珠絲杠副已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天、航空、核工業(yè)等各領(lǐng)域,滾珠絲杠副的品種不斷增多,如高精度滾珠絲杠副、高速滾珠絲杠副、大導(dǎo)程滾珠絲杠副、微型滾珠絲杠副、自潤(rùn)滑滾珠絲杠副、重載滾珠絲杠副等.

作為傳動(dòng)部件——滾珠絲杠副是現(xiàn)在最為普遍使用的傳動(dòng)部件,并得到高速發(fā)展,國(guó)家科技重大專項(xiàng)(04專項(xiàng))“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)中將“滾珠絲杠副”的研究作為重點(diǎn)內(nèi)容之一.

4 滾珠絲杠副的承載

現(xiàn)階段大家研究行星滾柱絲杠副的主要原因是行星滾柱絲杠副承載大于滾珠絲杠副.但是,隨著滾珠絲杠副的技術(shù)不斷發(fā)展,日本THK、NSK等世界知名廠家推出重載滾珠絲杠副,通過(guò)改變滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu),增大滾珠直徑,增加滾珠循環(huán)圈數(shù)等辦法提高滾珠絲杠副的承載,滾珠絲杠副的承載已很接近滾柱絲杠副,甚至超過(guò)滾柱絲杠副承載,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高等優(yōu)點(diǎn).現(xiàn)行THK、NSK重載滾珠絲杠副已廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)行業(yè).日本THK重載滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖8,日本NSK重載滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖9.

表2、表3為滾珠絲杠副與滾柱絲杠副承載對(duì)比.行星滾柱絲杠副在小規(guī)格、小導(dǎo)程方面承載有優(yōu)勢(shì).

5 航天、航空領(lǐng)域的應(yīng)用

航天、航空領(lǐng)域是很特殊領(lǐng)域,產(chǎn)品在空中不可維修,因此,可靠性是第一位,其次是產(chǎn)品性能.滾珠絲杠副與滾柱絲杠副在同時(shí)代出現(xiàn),滾珠絲杠副能快速發(fā)展,而滾柱絲杠副不能發(fā)展的主要原因就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工工藝性差,可靠性差等原因,現(xiàn)國(guó)際上生產(chǎn)滾柱絲杠副也就幾家,因此,花費(fèi)很大精力去研究滾柱絲杠副是不經(jīng)濟(jì)的,并且該產(chǎn)品應(yīng)用在航天、航空領(lǐng)域也是很危險(xiǎn)的,國(guó)際上航天、航空領(lǐng)域大量使用的傳動(dòng)部件還是滾珠絲杠副.

表2 滾珠絲杠副承載

表3 行星滾柱絲杠副承載

6 結(jié)語(yǔ)

滾珠絲杠副以其高效率、高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝性好、可靠性高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天、航空、儀器儀表、核工業(yè)等各領(lǐng)域,已被大家廣泛接受.滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝性差、可靠性差等特點(diǎn),不適合應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域.