新型重載行星滾柱絲杠副

山東博特精工股份有限公司 （濟(jì)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。與滾珠絲杠副的傳動(dòng)方式類似，不同點(diǎn)在于：在滾珠絲杠副中，載荷通過(guò)安裝在螺紋滾道中的鋼球從螺母?jìng)鬟f到絲杠上，載荷的大小主要取決于鋼球的大小和接觸點(diǎn)的個(gè)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(gè)螺母中一般包含9～13個(gè)螺紋滾柱，并且所有的滾柱都參與工作，接觸點(diǎn)眾多，因此承載力和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滾珠絲杠副。在需要高承載的應(yīng)用場(chǎng)合，與液壓傳動(dòng)相比，行星滾柱絲杠副具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性。它所配置的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要諸如閥門(mén)、泵、過(guò)濾器、傳感器等復(fù)雜的配套系統(tǒng)，能有效避免液壓油泄漏和不可預(yù)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(shí)。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(dòng)的理想選擇。

1.行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)

圖1 行星滾柱絲杠副

實(shí)際應(yīng)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(gè)，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(jiàn)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

2.行星滾柱絲杠副工作原理

電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)主絲杠軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，滾柱3圍繞主絲杠5做行星運(yùn)動(dòng)，由于滾柱3與螺母4通過(guò)螺紋嚙合，所以此時(shí)螺母4做軸向運(yùn)動(dòng)，這就實(shí)現(xiàn)了將主絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榱寺菽傅妮S向運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，保持架1保證了滾柱在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生軸向的偏斜，滾柱與滾柱在圍繞主絲杠5做行星運(yùn)動(dòng)時(shí)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(diǎn)接觸（見(jiàn)圖3），這樣在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中滾柱就可以等效為眾多的滾珠在運(yùn)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。

3.行星滾柱絲杠副與滾珠絲杠副性能對(duì)比

（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(diǎn)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(jì)算出，在同等規(guī)格條件下，行星滾柱絲杠副的動(dòng)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(yùn)動(dòng)。這種特點(diǎn)使得行星滾柱絲杠副可以達(dá)到傳統(tǒng)滾珠絲杠副所不能達(dá)到的高速度和高加速度。目前，行星滾柱絲杠副已達(dá)到100m/s的直線運(yùn)動(dòng)速度和超過(guò)3.5g的加速度。

（3）運(yùn)行壽命 通常絲杠的壽命按行程或?qū)嶋H工作時(shí)間計(jì)算，在載荷為1t工作條件下，對(duì)于直徑20mm、導(dǎo)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(yùn)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(rùn)滑的工作環(huán)境，當(dāng)外界雜質(zhì)進(jìn)入或潤(rùn)滑不良時(shí)，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(rùn)滑差等）環(huán)境中，均能保持良好的性能。

（5）噪聲 對(duì)滾珠絲杠副和行星滾柱絲杠副進(jìn)行各種對(duì)比測(cè)試，由于沒(méi)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(dǎo)程20mm的滾珠絲杠副噪聲為72～78dB，而直徑30mm、導(dǎo)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(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使行星滾柱絲杠副有出色的抗沖擊性，不必?fù)?dān)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(shí)其對(duì)粉塵等有害物質(zhì)的敏感性差，其對(duì)行星滾柱絲杠副的傳動(dòng)影響很小。

圖3 滾珠與滾柱對(duì)比

4.行星滾柱絲杠副參數(shù)計(jì)算

（1）動(dòng)態(tài)載荷 載荷通過(guò)接觸點(diǎn)由螺母?jìng)鬟f到絲杠，接觸點(diǎn)的形狀和數(shù)量決定了行星滾柱絲杠副的動(dòng)態(tài)承載能力。下面這一公式為動(dòng)態(tài)載荷的計(jì)算公式（來(lái)自于滾動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)評(píng)級(jí)公式）

式中，Ca為額定動(dòng)載荷（N）；fc為和系統(tǒng)相關(guān)的一個(gè)因素；α為絲杠齒形半角，一般取45°； Z1為有效接觸點(diǎn)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(dǎo)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(jì)算公式為

式中，L10為理論壽命（r）；Fm為平均軸向負(fù)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(huì)自鎖，絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。因此，其效率有正效率（將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)）和逆效率（將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），其計(jì)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）。

5.行星滾柱絲杠副的應(yīng)用

由于行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。行星滾柱絲杠副能適應(yīng)惡劣環(huán)境下的大負(fù)荷或高速運(yùn)行工作場(chǎng)合的要求，多應(yīng)用在注塑機(jī)設(shè)備、軋鋼設(shè)備、金切設(shè)備的拉床和軍事裝備中。

6.結(jié)語(yǔ)

行星滾柱絲杠具有承載能力高，壽命長(zhǎng)，無(wú)循環(huán)構(gòu)件、滾動(dòng)體間無(wú)接觸碰撞，高轉(zhuǎn)速時(shí)螺母運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，無(wú)功能不佳點(diǎn)，抗疲勞和沖擊性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠性卓越，在冰、灰塵或潤(rùn)滑不良等惡劣環(huán)境狀況下的工作能力強(qiáng)，上述特點(diǎn)使該部件廣泛應(yīng)用于各種重要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，并為多行業(yè)服務(wù)。