山東博特精工股份有限公司 (濟寧 272071) 李 棟 杜 偉 王云菊 朱繼生
行星滾柱絲杠副是一種將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的機械裝置。與滾珠絲杠副的傳動方式類似,不同點在于:在滾珠絲杠副中,載荷通過安裝在螺紋滾道中的鋼球從螺母傳遞到絲杠上,載荷的大小主要取決于鋼球的大小和接觸點的個數(shù)。而行星滾柱絲杠副的載荷傳遞元件為螺紋滾柱,滾柱能加工出較大曲率半徑的圓弧凸齒形。每個螺母中一般包含9~13個螺紋滾柱,并且所有的滾柱都參與工作,接觸點眾多,因此承載力和剛度遠遠高于滾珠絲杠副。在需要高承載的應用場合,與液壓傳動相比,行星滾柱絲杠副具有無與倫比的優(yōu)越性。它所配置的控制系統(tǒng)簡單,不需要諸如閥門、泵、過濾器、傳感器等復雜的配套系統(tǒng),能有效避免液壓油泄漏和不可預知的故障,并且能夠在極其艱苦的工作環(huán)境下承受重載或逐漸增加的重載荷上千小時。因此,行星滾柱絲杠副所具有的優(yōu)越性,使其成為惡劣環(huán)境條件下使用及重載傳動的理想選擇。
圖1 行星滾柱絲杠副
實際應用的行星滾柱絲杠副,螺紋絲杠一般為5或6頭螺紋,滾柱數(shù)量為9~13個,行星滾柱絲杠副的組成如圖1所示。絲杠5為多頭螺紋,螺紋為三角形90°齒形;螺母4為內(nèi)螺紋,齒形參數(shù)及螺紋頭數(shù)與絲杠相同;滾柱3(見圖2)為單頭螺紋,螺紋為圓弧凸齒形,滾柱兩端加工有小模數(shù)外齒輪和圓柱光軸;兩端小模數(shù)外齒輪與內(nèi)齒圈2嚙合,確保滾柱之間保持軸向平行,內(nèi)尺圈2與螺母4安裝后固定為一體,圓柱光軸安裝在保持架1均布加工的孔內(nèi),保證各滾柱之間等距離。
圖2 滾柱
電動機通過減速箱驅(qū)動主絲杠軸5轉(zhuǎn)動,滾柱3圍繞主絲杠5做行星運動,由于滾柱3與螺母4通過螺紋嚙合,所以此時螺母4做軸向運動,這就實現(xiàn)了將主絲杠的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榱寺菽傅妮S向運動。在整個運動過程中,保持架1保證了滾柱在運動過程中始終沿圓周方向均布。內(nèi)齒圈2與滾柱3外齒的嚙合保證了滾柱在運轉(zhuǎn)過程中不會發(fā)生軸向的偏斜,滾柱與滾柱在圍繞主絲杠5做行星運動時始終保證軸線相互平行。
滾柱的齒形為曲率半徑較大的圓弧截面,與絲杠及螺母的接觸為點接觸(見圖3),這樣在轉(zhuǎn)動過程中滾柱就可以等效為眾多的滾珠在運行,因此行星滾柱絲杠副的承載能力較傳統(tǒng)的滾珠絲杠副有很大提高。
(1)承載 由于滾柱齒形能加工出較大曲率半徑的圓弧凸齒形,并且所有滾柱都參與工作,工作接觸點多,所以行星滾柱絲杠副具有很高的承載能力。由赫茲定律我們可以計算出,在同等規(guī)格條件下,行星滾柱絲杠副的動態(tài)載荷約為滾珠絲杠副的3倍以上。
(2) 速度與加速度行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了滾柱不需要額外的循環(huán)裝置,滾柱只需繞絲杠軸作旋轉(zhuǎn)運動。這種特點使得行星滾柱絲杠副可以達到傳統(tǒng)滾珠絲杠副所不能達到的高速度和高加速度。目前,行星滾柱絲杠副已達到100m/s的直線運動速度和超過3.5g的加速度。
(3)運行壽命 通常絲杠的壽命按行程或?qū)嶋H工作時間計算,在載荷為1t工作條件下,對于直徑20mm、導程6mm同等規(guī)格的滾珠絲杠副和行星滾柱絲杠副,行星滾柱絲杠副的運行壽命約為滾珠絲杠副的15倍。
(4)工作環(huán)境 一般滾珠絲杠副需要潔凈和有潤滑的工作環(huán)境,當外界雜質(zhì)進入或潤滑不良時,將影響滾珠絲杠副的正常工作。而行星滾柱絲杠副在較差的(如冰、臟或潤滑差等)環(huán)境中,均能保持良好的性能。
(5)噪聲 對滾珠絲杠副和行星滾柱絲杠副進行各種對比測試,由于沒有額外的滾柱循環(huán)裝置,在同等工作條件下行星滾柱絲杠副的噪聲明顯低于傳統(tǒng)滾珠絲杠。在2 000r/min的轉(zhuǎn)速條件下,直徑32mm、導程20mm的滾珠絲杠副噪聲為72~78dB,而直徑30mm、導程20mm規(guī)格的行星滾柱絲杠副噪聲僅為68dB。
(6)可靠性 由于獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計,使行星滾柱絲杠副有出色的抗沖擊性,不必擔心因循環(huán)結(jié)構(gòu)損壞而造成的絲杠及螺母的損壞。同時其對粉塵等有害物質(zhì)的敏感性差,其對行星滾柱絲杠副的傳動影響很小。
圖3 滾珠與滾柱對比
(1)動態(tài)載荷 載荷通過接觸點由螺母傳遞到絲杠,接觸點的形狀和數(shù)量決定了行星滾柱絲杠副的動態(tài)承載能力。下面這一公式為動態(tài)載荷的計算公式(來自于滾動軸承的動態(tài)評級公式)
式中,Ca為額定動載荷(N);fc為和系統(tǒng)相關(guān)的一個因素;α為絲杠齒形半角,一般取45°; Z1為有效接觸點數(shù)量;Dw為滾柱圓弧凸齒形的曲率半徑(mm);φ為螺旋升角;P為滾柱螺紋的導程(mm);d為滾柱的公稱直徑(mm)。
(2)理論壽命 行星滾柱絲杠副的理論壽命計算公式為
式中,L10為理論壽命(r);Fm為平均軸向負載(N)。
(3)效率 行星滾柱絲杠副的效率取決于其工作條件,它在任何條件下都不會自鎖,絲杠和螺母都可以作為主動件。因此,其效率有正效率(將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動)和逆效率(將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動),其計算公式如下
式中,η為效率;μ為摩擦系數(shù)。
(4)臨界轉(zhuǎn)速 行星滾柱絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速公式為
式中,ncr為臨界轉(zhuǎn)速(r/min);f1為支承系數(shù);d1為絲杠的外徑(mm);L0為絲杠支承距離(mm)。
由于行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)特點,使其應用領(lǐng)域非常廣泛。行星滾柱絲杠副能適應惡劣環(huán)境下的大負荷或高速運行工作場合的要求,多應用在注塑機設(shè)備、軋鋼設(shè)備、金切設(shè)備的拉床和軍事裝備中。
行星滾柱絲杠具有承載能力高,壽命長,無循環(huán)構(gòu)件、滾動體間無接觸碰撞,高轉(zhuǎn)速時螺母運轉(zhuǎn)流暢,無功能不佳點,抗疲勞和沖擊性強,運動平穩(wěn),可靠性卓越,在冰、灰塵或潤滑不良等惡劣環(huán)境狀況下的工作能力強,上述特點使該部件廣泛應用于各種重要傳動機構(gòu)中,并為多行業(yè)服務。