梯形絲杠副扭矩-軸向力測量方法及裝置設計

苑慶澤， 徐鳳翔， 王禹林， 張軼

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇南京210094）

1 引 言

梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角為30°，具有牙根強度高、對中性好、結構簡單、造價低、自鎖性能好等優(yōu)點，廣泛用于傳力或傳導螺旋，如螺旋舉重器、機床的傳動絲杠等。在梯形螺紋的檢測中，目前應用較多的是使用螺紋量規(guī)、螺紋千分尺并配合三針量規(guī)來檢測螺紋中徑、導程、牙型角等幾何參數，并在非接觸式以及內螺紋的檢測方面取得一定研究成果［1-4］。

圖1 梯形絲杠副扭矩-軸向力產生原理示意圖

梯形絲杠與梯形螺母間是配合零件，其有一重要功能是將扭矩轉換成軸向作用力。以右旋梯形絲杠副為例，如圖1 所示,當梯形絲杠軸向固定不動時，按圖示方向旋轉梯形絲杠，螺母將右移并產生軸向作用力。在產品的實際使用中，很多場合需利用上述扭矩與軸向力的關系，如梯形絲杠副壓力機、升降機等［5，6］，但是目前工廠在此方面缺乏有效的檢測設備，而現(xiàn)有測量裝置如空載扭矩測量儀［7］、摩擦力矩測量系統(tǒng)等均無法進行此項測量，這給使用者實際選型帶來困難。本文在大量實踐的基礎上，總結設計出一套直接測量梯形絲杠副扭矩-軸向力的測量裝置，該裝置測量精度高、裝配快捷、性能穩(wěn)定可靠。

2 梯形絲杠副扭矩-軸向力計算法

對于梯形絲杠，當施加扭矩時，螺母所產生的軸向力可用下式計算：

式中，F(xiàn)-產生的軸向力，N；η-扭矩轉變?yōu)檩S向力的效率；M-輸入扭矩，N·m；P-導程，mm。

其中扭矩轉變?yōu)檩S向力的效率可用下式計算：

式中，μ-摩擦系數；α-導程角。

式中，d2-螺紋中徑，mm。

計算法是在已知導程、螺紋中徑、摩擦系數等參數的情況下，通過式（1）～式（3）來建立輸入扭矩與產生軸向力的對應關系。實際使用時，導程與螺紋中徑依產品型號而定，根據梯形絲杠材料以及潤滑情況估算摩擦系數。但是計算法忽略了實際加工、測量、安裝、摩擦系數估算等一系列誤差，最后得出的扭矩-軸向力關系存在一定誤差，實際選型時的可信度不如實驗法高。

3 梯形絲杠副扭矩-軸向力測量裝置設計

針對梯形絲杠副扭矩-軸向力計算法精度不足的缺點，本文通過大量實踐，設計出一種直接測量梯形絲杠副扭矩-軸向力的裝置，精度好、裝配快、性能穩(wěn)定、實用性強。

3.1 測量裝置設計原理

如圖1 所示，當梯形絲杠軸向固定不動時，驅動裝置驅動梯形絲杠旋轉，帶動螺母軸向移動產生軸向力，同時通過扭矩傳感器采集絲杠扭矩，壓力傳感器采集螺母軸向力，從而實現(xiàn)扭矩和軸向力的對應關系。測量時由于梯形絲杠無需一直連續(xù)轉動，故可采用扭矩扳手代替驅動裝置，并充當扭矩傳感器，實現(xiàn)扭矩測量功能，具有精度高、使用方便的優(yōu)點。壓力傳感器無特殊要求，只需安裝時沿梯形絲杠軸線對稱布置，保證軸向力測量的準確性。

3.2 測量裝置結構

依據測量裝置設計原理，設計出如圖2 所示測量裝置。

該測量裝置主要由支架、壓力傳感器、傳感器壓板、滾動軸承、扭矩扳手過渡件組成。其中，支架固定在測量臺上，主要起整個測量裝置的支撐作用；選用S 型壓力傳感器，分別與支架和傳感器壓板連接，并沿梯形絲杠軸線對稱布置兩個壓力傳感器，以保證軸向力對稱測量，無偏心；傳感器壓板中心開有圓孔，梯形絲杠穿于其中，傳感器壓板下部與支架間沿梯形絲杠軸線對稱安裝兩個滾動軸承，用以支撐傳感器壓板，并減小傳感器壓板沿梯形絲杠軸線水平移動時與支架間的摩擦；扭矩扳手過渡件固定在梯形絲杠上，用于將扭矩傳遞給梯形絲杠。

實際測量步驟如下：（1）測量裝置安裝。將支架固定于測量臺上，并依次連接壓力傳感器與裝有滾動軸承的傳感器壓板；（2）梯形絲杠副安裝。以絲杠螺母法蘭朝右的方向，將梯形絲杠從傳感器壓板左側穿入，通過端面軸承安裝到支架上，并用螺母鎖緊，限制梯形絲杠軸向移動，旋轉螺母使螺母法蘭貼緊傳感器壓板；（3）扭矩扳手過渡件安裝。扭矩扳手過渡件通過鍵與梯形絲杠連接，末端用螺母鎖死；（4）加載與數據采集。用扭矩扳手順時針轉動扭矩扳手過渡件，梯形絲杠轉動并且軸向無移動，帶動絲杠螺母右移，推動傳感器壓板依托滾動軸承做水平運動，從而壓縮壓力傳感器，得出梯形絲杠副扭矩-軸向力的對應關系。

圖2 梯形絲杠副扭矩-軸向力測量裝置示意圖

4 結 論

（1）本測量裝置能夠直接測量梯形絲杠副扭矩-軸向力對應關系，精度高、安裝快捷、穩(wěn)定可靠，在梯形絲杠副產品的檢測中可推廣使用。

（2）本測量裝置通過選擇配套的端面軸承與扭矩扳手過渡件，可實現(xiàn)不同型號梯形絲杠副扭矩-軸向力的測量。

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