冷壓榨汁機中滾珠絲桿替代螺紋絲桿的設計方案

江濤

<摘要>所謂滾珠絲桿和螺紋絲桿其實都是將回轉運動轉化成為了直線運動，或者將直線運動慢慢的轉化為回轉運動的理想的產品。本文主要介紹對比了滾珠絲桿和螺紋絲桿的特性，優缺點，從而設計選擇滾珠絲桿在榨汁機上的實際使用。

一、關鍵詞：螺紋絲桿在榨汁機上的使用情況;滾珠絲桿特點;設計改進方案，選擇滾珠絲桿; 滾珠絲桿在實際應用的表現。

二、螺紋絲桿在冷壓榨汁機中的使用情況及存在的問題

冷壓榨汁機設計采用的是電機驅動螺紋絲桿，帶動齒輪連桿，推動擠壓面板實現對水果的冷壓榨汁。因此在傳動部件中，螺紋絲桿在整個傳動過程中是最為關鍵的零件，是關鍵的核心傳動零件。此前我們選用的螺紋絲桿，材材為： 38CrMoAl? 技術要求：熱處理硬度58-62HRC， 表面滲氮處理，螺牙為M2，但在實際使用中，該零件使用效果并不理想。原因如下：

1，磨損較大

螺紋絲桿材料38CrMoAl，因為在傳動過程中該材料一直是反復傳動，使用頻率很高，在使用測試中發現磨損較大，導致機器行程精度降低，往復運動轉變過程震動變大，配合間隙增加，水果壓榨不充分出汁率降低等一些列問題。后期的維護也不方便，只能更換螺紋絲杠，以至于產生很高的維修維護費用。

2，傳動產生噪音高

螺紋絲桿在傳動過程中與螺紋套摩擦配合，會產生噪音較大，可達到75-77分貝，產品為家用小電器，我們目標將噪音控制在70分貝以內。

3，使用壽命短

因產品為小家電，要求使用壽命高，因此樣品完成后，需經過壽命測試，由于螺紋絲桿要求熱處理硬度58-62HRC， 表面滲氮處理，目的是確保耐磨，但由于螺紋絲桿和螺紋套是配合摩擦件，實際使用中發現螺紋絲桿在傳動達到20000次時，螺牙明顯變細，另外因為經過表面處理的螺牙硬度較高，最終導致多起螺牙崩裂情況。

4，高負載啟動電流大

螺紋絲桿在使用過程中，采取的螺紋傳動模式，在使用過程中，初始負載小啟動電流低，壓榨后期負載逐漸增大，最終壓榨結束時負載最大，機器復位啟動時螺紋絲杠與螺母間的靜摩檫力較大，啟動電流相應增加。啟動時電流可達到1.0-1.2A。有時出現卡死的情況，導致電流突增，檢測裝置報錯，甚至直接導致零件斷裂破損。

三、設計改進方案，選擇滾珠絲桿

由于螺紋絲桿在產品的測試使用中，并不理想，經過多方對比，總結經驗，我們考慮使用滾珠絲桿作為螺紋絲桿替代品。滾珠絲桿它是傳統滑動絲桿 的進一步延伸發展，滾珠絲桿副因優良的摩擦特性 使其廣泛的運用于各種工業設備、精密儀器。尤其是近年來，滾珠絲桿副作為數控機床直線驅動執行單元，在機床行業中運用廣泛，并且滾珠絲桿的市場上的規格較多，可以在不用更換其他零件的同時，完全替代螺紋絲桿。

1、滾珠絲桿的特性及優點

滾珠絲桿副是由絲桿、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉運動變為直線運動， 滾珠絲杠副具有傳動效率高，磨損小，運動平衡、無爬行現象、轉動精度高等優點。

1.高精度

滾珠絲桿副選用的是世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面，對溫度·濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。

2. 與滑動絲杠副相比它的驅動力矩是1/3

由于滾珠絲杠副的絲桿軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率.與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲桿副的1/3.在節省動能方面很有幫助。

3、微進給可能

滾珠絲桿副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現滑動運動那樣的爬行現象，能保證實現精確的微進給。

4、無側隙、剛性高

滾珠絲桿副可以加預壓，由于預壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性（滾珠絲桿內通過給滾珠加予壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強）。

5、高速進給可能

滾珠絲桿由于運動效率高、發熱小、所以同樣可實現高速進給（運動）。（1）

四、滾珠絲桿的設計

1，選取滾珠絲杠

已知行程實際行程114mm，時間50s。

螺紋底徑直接選用與螺紋絲杠相同公稱直徑以配合原零件D=25mm

查表選用SCI02504-4型滾珠絲杠，導程4mm，珠經2.381mm，動額定負荷1180kgf（機器在運行中負載很小，直接以靜額定負荷作為唯一選型標準），靜額定負荷3795kgf大于機器實際需要推力3000kg。

圖示為滾珠絲杠

考慮到絲桿后期需要長期往復使用，還需要進行溫度分析。

（2）溫度因素分析

滾珠絲杠在一般的運行中會有2～5度的溫度上升，預估上升量為2度，則螺紋絲杠的伸長量為

為修正螺桿溫度升高導致的偏差，需給滾珠絲杠加上預拉力

e：彈性模量

A：螺紋底徑截面積

已知螺紋底徑代入得：

故加上1735N得預拉力即可修正螺桿溫度提升導致的偏差。（2）

由于過大預拉力會燒壞支撐軸承，在取值上采用溫度變化值小于5℃的預拉值。根據絲桿生產商提供的絲軒溫升一一工作時間曲線中，發現在滾珠絲桿升高5℃后，溫度趨于平穩。

（3）精度保證

為了確保滾珠絲桿使用時的精度，熱膨脹引起的定位精度降低不僅是由滾珠運動的摩擦熱造成的，而且也是由諸如液壓流體、電動機、齒輪箱之類因素的機械運轉熱所造成的。如果在導軌或床身上產生了變形，即使能夠防止滾珠絲桿的溫升，也不可能獲得高的精度。 在分析精度的時候，來自所有這樣的熱源的熱都必須加以考慮。在計算由滾珠絲桿本身產生的熱量時，高的工作負載是一個最大的潛在原因。通常工作負載大約是滾珠絲桿頂緊力的 3倍。更大的負載必須通過增大所用的滾珠絲桿裝置的尺寸或通過更大的潤滑劑冷卻能力來補償。補償熱膨脹的一種方法是對滾珠絲桿施加一種預緊力。這是通過把絲桿軸加工成負公差尺寸來實現的。用這種方法使螺矩稍微縮短，在裝配時使滾珠螺母受到壓縮。在工作溫度下絲桿膨脹裝置就正常工作。

五、滾珠絲桿在實際應用的表現

滾珠絲桿在冷壓榨汁機上實際應用中，往往除了絲桿本身，還需要考慮絲桿在設備上的匹配程度，大小，安裝注意事項，與電機的配合等，使用過程中，長時間使用的溫度影響，以及預熱變形等情況，需要確保這些因素在可控制范圍內，才能確保產品本身不受影響。經過新設計的滾珠絲桿，在冷壓榨汁機上實際使用，完全解決螺紋絲桿使用中的問題。

1，摩擦損失小、傳動效率高

滾珠絲桿傳動，內置滾珠，滾動摩擦，摩擦阻力小、運動平穩，8000次負載運行沒有明顯磨損，運行精度也基本沒有改變。

2，傳動產生噪音小

滾珠絲桿傳動，摩擦阻力小、運動平穩，效率高，產生噪音也小，經測試滾珠絲杠較螺紋絲杠平均運行聲音減小6-8分貝，噪音在67-69分貝左右。

3，使用壽命長

滾珠絲桿，采用優質合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度達60～62HRC，表面粗糙度小，而且是滾動摩擦。在多臺產品上進行壽命測試，進行疲勞測試20000次，無異常變化，運行平穩，遠高于設計要求，能夠保證后續持正常使用，使用壽命長。

4，負載啟動電流平穩

相比螺紋絲杠在運行中電流浮動較大，啟動電流跟負載啟動電流過大，且有可能導致零件損壞，螺紋絲杠就完美解決了這些問題。螺紋絲杠運行中電流平穩，負載啟動無滑移現象，負載啟動電流在0.6A左右，機器其他零件負荷小，能有效消除意外卡死現象。即減小了功耗又大大減少維修維護的費用。

結束語：根據對比螺紋絲桿的特點，經過分析使用中存在的問題，最終設計選用滾珠絲桿完美的解決了使用中存在的問題，提升產品的整體性能，減少了后期產品的維修和售后問題，并能給企業帶來顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

（1） 西凱昂， .滾珠絲桿的應用和特點

（2）王可，劉士閣，王淑芳.機床滾珠絲杠傳動的改進設計口].饑械工程師，2 006 （3）：63-64.