一种新型螺母旋转型滚珠丝杠副结构设计与应用

摘要：设计了一种新型螺母旋转型滚珠丝杠副结构，主要由滚珠丝杠副、滚动轴承副、预紧调节（锁紧）装置、防尘装置、润滑油路等部分组成，可实现将丝杠固定—螺母旋转运动转变为直线运动，从而有效替代常规的丝杠旋转带动螺母直线运动的进给方式。运动分析和载荷校核证明，该结构具有载荷高、刚度强等特点。这种新型螺母旋转型滚珠丝杠副在机械、船舶等行业有着广泛的应用前景，目前已在大型龙门加工中心上使用。

关键词：螺母旋转型滚珠丝杠副;工作原理;运动分析;载荷校核

中图分类号：TH132    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）04-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.011

0    引言

滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，其因具备传动效率高、刚度强、清洁无污染等特点而得到广泛应用。但目前数控机床上绝大多数采用丝杠旋转带动螺母直线运动的进给方式，这就导致传动副转动惯量大，振动严重，从而造成数控机床工作精度降低、刚性差。可以说，现有的丝杠旋转驱动型滚珠丝杠副是影响数控设备高精度、高速化、高刚性的关键因素。

为了消除丝杠旋转驱动型滚珠丝杠副的弊端，本文提出了一种螺母旋转型滚珠丝杠副，其不仅保留了丝杠旋转驱动型的优点，还创新思考，将丝杠旋转改为螺母旋转，通过设计螺母旋转组合单元，可实现丝杠驱动型同样的效果，即将旋转运动转变为直线运动。运用该原理设计出的滚珠丝杠副转动惯量小、刚度强，特别适用于长径比大、载荷高的场合。

1    螺母旋转型滚珠丝杠副工作原理及防松、防尘原理

1.1    基本工作原理

图1所示为螺母旋转型滚珠丝杠副结构示意图。

螺母旋转型滚珠丝杠副为滚珠丝杠副的延伸产品，可分解为滚珠丝杠副（一级）与滚动轴承副（二级），因此可用二者的工作原理对该结构工作原理进行分析，具体如下：

（1）如图1所示，一级工作原理即滚珠螺旋传动原理，在丝杠与螺母旋合螺旋槽之间放置适量的滚珠作为中间传动体，当丝杠或螺母转动时，滚珠被推动在闭合回路中形成滚珠链，反复循环运动，实现将旋转运动转变为直线运动，或将直线运动转变为旋转运动[1]。

（2）如图1所示，二级工作原理是借助滚动轴承副实现轴承内圈连接滚珠螺母外圆，外圈连接与工作台相连的壳体，从而支撑滚珠丝杠螺母旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，保持滚珠丝杠副的高效率传动性特点;同时，借助深沟球轴承实现结构径向定位，推力圆柱滚子轴承实现轴向承载，这又保证了滚珠丝杠副的承載能力。

1.2    防松原理

如图2所示，该防松结构由精密径向锁紧螺帽、轴用弹性挡圈（A型）和止动垫片组成。由螺母旋转型滚珠丝杠副运动特性可知，正常工作状态下的驱动螺母在有效行程往复高速运动，长期如此，就会造成精密径向锁紧螺帽锁紧效果失效，从而导致螺母旋转自合单元整体结构松动，存在安全隐患。为此，经过创新改进，在精密径向锁紧螺帽右端添加止动垫片，这就使得精密径向锁紧螺帽轴向移动完全被限制，也就不存在整体结构松动的可能性。因此，该防松结构设计简单易实现，大大提升了螺母旋转型滚珠丝杠副运转的安全性。

1.3    防尘原理

如图2所示，该防尘结构由防尘圈和迷宫防尘圈组成。其中防尘圈沿袭了滚珠丝杠副的常规防尘装置，起到对滚珠螺母内部防尘及油封的作用。另外，在螺母旋转组合体上采用迷宫防尘圈进行密封，迷宫防尘圈就是人为地在泄漏通道内加设许多个齿或槽，来增加泄漏流动中的阻力，使造成泄漏的压差急剧损失。迷宫设计良好，泄漏通道两端的压差全部损失之后，即可实现封严不漏。因此，在该结构两端分别增加迷宫防尘圈，保证结构内部润滑油或脂不泄漏，以延长运行寿命。

2    运动分析和受力分析

2.1    运动分析

螺母旋转型滚珠丝杠副，实际运动原理与滚珠丝杠副大致相同，因此其运动学分析与动力学分析可参照《滚珠丝杠副动力学与设计基础》第二章所述[2]，此处不再赘述。但螺母旋转型滚珠丝杠副为一个组合单元，因此这里着重分析其机械效率。

滚珠丝杠系统的机械效率定义为输出力矩与输入力矩的比率[3]：

输出力矩与施加在螺母轴线方向上的负载有关，可以写成表达式：

输入力矩与丝杠接触面的摩擦力和作用在接触面的法向力有关，表达式为：

一般来说，滚珠丝杠副的效率随着丝杠转速的增加而降低，根据精度等级，滚珠丝杠副效率η一级可达到0.85～0.9。

而滚动轴承效率η二级可达到0.98～0.99[4]，加上螺母旋转组合体采用微间隙紧密安装，因此可以得出：

最终得出螺母旋转型滚珠丝杠副传动效率基本与滚珠丝杠副相同，这也是继承自滚珠丝杠副的一大优点。

2.2    载荷校核及受力分析

本文以南京工艺XJD8016R-S10-8规格型号为例，根据设计，该型号选择的滚珠丝杠副为南京工艺JFZD8016-8规格，校核其动静载荷如下：

轴向额定静载荷计算公式[5]：

式中：Coa为额定静载荷;k0为轴向额定静载荷的特性系数;z1为每一滚珠圈中有效承载滚珠数;i为承载滚珠圈数;α为接触角;Dw为滚珠直径（mm）;φ为导程角。

式中：Dpw为节圆直径（mm）;Ph为导程（mm）;zu为每一滚珠圈中不承载的滚珠数。

式中：ρ11，ρ12，ρ21，ρ22为曲率半径倒数;frs为滚珠丝杠滚道的适应度。

代入相关数据求得轴向额定静载荷Coa=964.4 kN。

轴向额定动载荷计算公式[5-6]：

式中：Ca为轴向额定动载荷（N）;Ci为滚珠丝杠副单圈上的轴向额定动载荷（N）;i为承载滚珠圈数。

其中：

式中：Cs为滚珠丝杠单圈上的轴向额定动载荷（N）;Cn为滚珠里面单圈上的轴向额定动载荷（N）;fc为几何系数;α为接触角;z1为每一滚珠圈中有效承载滚珠数;Dw为滚珠直径（mm）;φ为导程角;f1、f2、f3为几何形状系数;frs为滚珠丝杠滚道的适应度;γ为结构系数;Dpw为节圆直径（mm）;frn为滚珠螺母体滚道的适应度。

代入相关数据求得额定动载荷Ca=241 kN。

该型号选用的滚动轴承副包含深沟球轴承（GB/T 276—61830，起定位作用）和推力滚子轴承（GB/T 4663—

81130，起承载作用），查询轴承样本得（以NBI为例），推力滚子轴承的额定动载荷Ca=270 kN，额定静载荷Coa=1 005 kN（此处轴承载荷校核过程省略）。

除此之外，还有关键零件“壳体”需进行受力分析，如图3、图4所示。

A面与B面分别受到轴承的剪切力，假如滚珠螺母往右运动时A面受力，则B面不受力;同样，滚珠螺母往左运动时B面受力，则A面不受力。因此，对A面与B面的剪切强度校核如下：

A面受力分析，如图4所示：

式中：τ为剪切应力（MPa）;Ws为剪切力载荷（N）;A为截面积（mm2）。

剪切力载荷Ws按滚珠丝杠副额定动载荷241 000 N计算，截面积A=9 962 mm2，代入公式（23）得τ=24 MPa，查询资料45钢的许用剪切力[τ]=146 MPa。

得出τ<[τ]，剪切强度校核合格。

同理，B面剪切强度校核合格。

综上所述，滚动轴承副的额定动、静载荷均大于滚珠丝杠副的额定动、静载荷，因此该螺母旋转型滚珠丝杠副载荷可以达到预期要求，且在此载荷下，关键零件的强度校核均合格。

3    结论与展望

本文所述新型螺母旋转滚珠丝杠副不仅保留了传统丝杠驱动型滚珠丝杠副的优点，而且完善了丝杠驱动型滚珠丝杠副的一些不足，具体如下：

（1）惯量低。相对于以丝杠旋转为主动驱动的方式，以螺母旋转为主动驱动的方式极大地降低了机械运动系统的转动惯量，提高了系统的极限转速，易于实现高速传动，同时可使所选电机功率较小。

（2）刚度高。相对于以丝杠旋转为主动驱动的方式，以螺母旋转为主动驱动的方式布置在螺母外圆上的轴承尺寸规格大;同时因丝杠不旋转，其轴颈上无须安装轴承，可以对丝杠施加更大的轴向预拉伸力，极大地提高整套滚珠丝杠副的刚度。

（3）多螺母驱动。可在一根滚珠丝杠上安装多个旋转螺母组合单元，多个工作台被同时或分别各自驱动，其运动互不干涉。

（4）设计、安装简便。旋转螺母组合单元集多个功能部件于一体，设计简化，便于安装及调试。

（5）其他。因丝杠不转动，其中部辅助支撑处无周向摩擦，不存在局部发热问题;当定位精度很高、考虑温升影响而采用丝杠中空冷却结构时，因丝杠不转动，冷却接头更易布置、安装。

螺母驱动型滚珠丝杠副的应用，使数控机床产品在低耗、高速、高精度、高刚性等方面得到了改进。目前，该产品已正式运用于机械、纺织、船舶等行业，而且反馈良好，值得推广使用。这对我国振兴制造业，改变进口模式，发展数控机床产业具有重大意义。

[参考文献]

[1] 程光仁，施祖康，张超鹏.滚珠螺旋传动设计基础[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2] 冯虎田.滚珠丝杠副動力学与设计基础[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 周建方.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4] 机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5] 滚珠丝杠副 第5部分：轴向额定静载荷和动载荷及使用寿命：GB/T 17587.5—2008[S].

[6] 刘波，李凌丰，谭建荣.滚珠螺旋副额定动负荷的影响因素研究[J].机械传动，2006，30（1）：18-19.

收稿日期：2021-11-15

作者简介：冯宇（1984—），男，江苏南京人，工程师，研究方向：机械制造。

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