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            精機產(chǎn)品?技術(shù)報告:滾珠絲杠的摩擦

            滾珠絲杠有類似于角接觸軸承的滾動副,由于滾道是螺紋,鋼球和螺紋之間不會像球軸承那樣存在滑動,循環(huán)內(nèi)鋼球多,且由于沒有保持架,鋼球之間會相互滑動。存在循環(huán)管等的循環(huán)零部件,加工精度、加工面的光潔度存在誤差,與角接觸球軸承相比,有較大的摩擦是難免的。

            1. 摩擦系數(shù)和效率

            以三角螺紋面的滑動摩擦系數(shù)的考慮方法為準,所有螺紋的摩擦用運轉(zhuǎn)面的摩擦代替之后,摩擦系數(shù)和摩擦力矩的關(guān)系如下式子表示。

            • μ1 = MF1 sinα / {RP P (1+tan2β) + MF1 tanβ} ??????(1)
            • μ2 = MF2 sinα / {RP P(1+tan2β) - MF2 tanβ} ??????(2)

            這里,

            • μ: 名義摩擦系數(shù)
            • MF: 摩擦力矩
            • α: 接觸角
            • RP: 螺距半徑
            • P: 推力載荷
            • β: 導(dǎo)程角

            式(1)、(2)以及式(3)、(4)的下標1、2是用來表示各自的正運轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動)以及逆運轉(zhuǎn)(直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn))。
            另外,滾珠絲杠的正效率η1,逆效率η2,用μ1、μ2代入下式可計算得到。

            • η1 = (sinα - μ1tanβ) / (sinα + μ1 / tanβ) ??????(3)
            • η2 = (sinα - μ2 / tanβ) / (sinα + μ2tanβ) ??????(4)

            滾珠絲杠的效率在正運轉(zhuǎn)時通常為95%左右,逆運轉(zhuǎn)在實驗中也得到了差不多的值。這已經(jīng)比滑動絲杠20~30%的效率高了很多。
            舉個一個實驗結(jié)果的例子,根據(jù)啟動時的摩擦力矩實測值,得到 μ1 = 0.0024~0.0026、μ2 = 0.0036~0.0038、η1 = 96.7~96.9%、η2 = 95.1~95.3%。這里RP = 14.872mm、β = 6.2°、α = 45°、P = 50~300kg。

            2. 摩擦的主要因素

            以下是造成滾珠絲杠摩擦的幾個主要原因。

            • 1) 鋼球和溝槽間的摩擦
            • 2) 鋼球間相互摩擦
            • 3) 與循環(huán)管之類的循環(huán)機構(gòu)的摩擦
            • 4) 潤滑劑的阻力

            此外,除了這些各種各樣的摩擦影響因子,還有內(nèi)部的式樣,如槽的形狀、導(dǎo)程角·鋼球徑等各部分的形狀?尺寸和預(yù)緊量,預(yù)緊方法,加工精度,加工表面的光潔度等,甚至材料、熱處理條件和潤滑劑的種類和量。另外,根據(jù)使用條件,速度條件,負荷條件,搖動和反動作等特殊的使用條件,滾珠絲杠的安裝條件、安裝周圍的溫度和異物條件(水中?真空中、惰性氣體等環(huán)境條件)等,這些也會影響滾珠絲杠的摩擦力。
            這些影響摩擦的主要因素以及剛才說的原因進行組合,把過去的實驗結(jié)果進行說明。

            2.1. 鋼球和溝槽之間的摩擦

            占球軸承的摩擦中比例最大的自旋、差動滑動等的因素,在滾珠絲杠中,通常占全體摩擦的比例較小。相比之下,滾珠絲杠的鋼球和螺絲槽之間的滑動摩擦是主要因素。滾珠絲杠的話,鋼球和軸槽、鋼桿、螺母槽的各接觸及鋼球中心,都是以軸心的螺旋運動為主,由于各點的半徑不一樣,所以各螺旋則互不在平行。于是,鋼球滾動的時候,各接點那個螺旋方向拉扯,微觀程度上,鋼球在槽里會有直角方向的滾動,就會以楔狀楔入溝槽。一邊滾動一邊楔入,從而達到某個穩(wěn)定狀態(tài),鋼球就伴隨著滑動而轉(zhuǎn)動。

            滾動相對于滑動的比率,換言之就是滑動率,能根據(jù)滾珠絲杠內(nèi)部規(guī)格計算得到。這個值一般在0.005~0.05之間,雖說數(shù)值小,但由于滑動摩擦系數(shù)比滾動摩擦系數(shù)相差大,所以滑動摩擦是滾珠絲杠摩擦的主要因素。
            另外,由于上述所說的鋼球楔入的現(xiàn)象,根據(jù)條件的不同會有不同,鋼球負載的大小,鋼球和溝槽、鋼球之間的接觸狀態(tài)變化,都是摩擦力矩變動的主要因素。比如,有預(yù)拉伸的滾珠絲杠,由于軸溝槽和螺母溝槽的相對位置有約束,鋼球的負載變化就很容易。

            特別的,滾珠絲杠在一個地方反復(fù)搖動的時候,鋼球間相互碰撞,鋼球之間的摩擦力增大,鋼球中心的移動,以及溝槽的楔入之間的相互影響,摩擦力矩會變得非常大。通常將其稱為“搖動力矩”或“鋼珠阻塞現(xiàn)象”。
            這個現(xiàn)象根據(jù)滾珠絲杠的不同而有所差異,將加工精度完全一致是很難做到的。抑制“搖動力矩”增大的辦法是抑制移動鋼球的中心及抑制鋼球載荷的增大,讓鋼球之間的約束、摩擦減小。
            對于如圖1(a)的單一R溝槽形狀的滾珠絲杠,鋼球中心的移動量相對較大,“搖動力矩”增大得很明顯。

            圖1:溝槽形狀和鋼球中心移動量的關(guān)系
            如b)那樣哥特式溝槽且單體間隙小的滾珠絲杠,鋼球和絲杠軸是3點接觸。正因如此,其摩擦力比單一R溝槽的滾珠絲杠增加了一些?!皳u動力矩”增大的不太明顯。另外,由于鋼球中心移動量較小,所以摩擦力矩也會更加平穩(wěn)。
            另外,哥特式溝槽一部分改良后,還能得到更好的性能改善。
            即使預(yù)緊方法不是彈簧的定壓預(yù)緊,也能得到很好的效果。如果采用定壓預(yù)緊,剛度會下降一部分,造成這種效果的原因是,鋼球在楔入溝槽的時候,2個螺母都會有向軸兩邊運動的趨勢,鋼球的荷重不會有太大變化,鋼球阻塞的現(xiàn)象就有所緩解。
            對于減小鋼球之間的約束、摩擦的方法,可以采用間隔鋼球的方式,或者減少回路內(nèi)的鋼球個數(shù)。
            如果使用間隔鋼球,由于負載的鋼球數(shù)量減少,容許載荷就會降低,對于“搖動力矩”的抑制,摩擦力矩的降低都有非常大的效果。
            如果使用間隔鋼球,在負載鋼球之間放入比負載鋼球小數(shù)十個微米的鋼球。其效果如圖2的模型所示。

            圖2(a)是使用間隔鋼球的情況,這時,各鋼球都是以同一方向轉(zhuǎn)動的。鋼球間相互接觸,鋼球之間就產(chǎn)生了相互滑動。如果像(b)那樣使用間隔鋼球,由于間隔鋼球比負載鋼球的直徑小,且不會受到溝槽的約束,這樣就能與負載鋼球的轉(zhuǎn)動方向相反,即便是鋼球之間相互接觸時,也不會產(chǎn)生相互滑動。

            圖3:內(nèi)部設(shè)計改變和摩擦特性的關(guān)系
            從摩擦的角度來說,負載鋼球間插入1個間隔鋼球最理想的,但考慮到剛度、極限載荷,也采用每3個負載鋼球中加1個間隔鋼球的這種方法。
            如果減少循環(huán)的鋼球數(shù),而剛度、容許載荷不會有太大損失,且有不錯的效果,這是使用間隔鋼球所達不到的。
            圖3中,表示的是用摩擦力矩容易變化的單一R滾珠絲杠的實際效果。
            在改變滾珠絲杠的運行方向的瞬間,摩擦力矩會變小。這是由于鋼球與槽的楔入方向與滾珠絲杠的運動方向不同,因此鋼球暫時從溝槽的一側(cè)離開的同時,滑動摩擦也減少,在接觸到另一側(cè)的溝槽之前,摩擦力矩變小的現(xiàn)象。因此,滾珠絲杠的機能方面不會有什么異常。
            讓滾珠絲杠在一個非常小的角度里進行搖擺運動,和之前說過的“搖動力矩”相反,摩擦力矩會變得非常小。這里非常的小,在鋼球能夠接觸到溝槽,要和之前的“搖動力矩”進行區(qū)別,稱其為“微小角度搖動力矩”。這種情況下,由于搖動范圍的一側(cè)之前,運轉(zhuǎn)的方向就改變了。因此,相較于鋼球之間碰撞,鋼球會向絲杠溝槽中間靠攏。正因如此,這和上述的反轉(zhuǎn)時摩擦力矩會減少的理由相同。

            2.2. 鋼球之間的摩擦

            如之前所述,鋼球之間彼此刮擦?xí)r,鋼球之間的摩擦及相應(yīng)的影響會顯著增加,通常狀態(tài)下,是無法忽視的。此時,使用間隔鋼球,會通過減少回路內(nèi)的鋼球數(shù),達到明顯的效果。與回路內(nèi)基本裝滿負載鋼球時進行同一條件對比,實驗結(jié)果表明摩擦力矩最大減少30%。

            2.3. 鋼球循環(huán)管的摩擦

            在鋼球循環(huán)管內(nèi)部,鋼球與循環(huán)管的滑動摩擦較小,一般沒有問題。與之相比,與循環(huán)管的頭部(進出口部)鋼球的干涉,頭部附近的鋼球循環(huán)對滾珠絲杠整體的摩擦?xí)a(chǎn)生較大的影響。另外,有時也會可能產(chǎn)生頭部變形,運轉(zhuǎn)不良,破損后無法運轉(zhuǎn)。因此,循環(huán)管道強度,頭部的形狀顯得尤為重要?,F(xiàn)在,通過使用電腦進行頭部形狀的計算,設(shè)計,進而提高性能。

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            摘自 No.637 滾珠絲杠的摩擦與溫度上升