滾珠絲杠副預(yù)加載荷分析*

陜西漢江機(jī)床有限公司 陜西漢中 723003

1 問題的提出

滾珠絲杠副是在滾珠絲杠和滾珠螺母旋合的圓弧螺旋槽內(nèi)放置鋼球作為中間傳動(dòng)體，借助反向裝置元件，構(gòu)成滾珠在閉合回路中反復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的螺旋傳動(dòng)功能部件［1］。隨著我國(guó)制造業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展提高，滾珠絲杠副已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、測(cè)量、醫(yī)療等行業(yè)。滾珠絲杠副作為先進(jìn)的傳動(dòng)功能部件，具有傳動(dòng)效率高、定位精度及重復(fù)定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。為保證精密滾珠絲杠副的重復(fù)定位精度，要求精密滾珠絲杠副無反向間隙，因此，需要對(duì)滾珠絲杠副施加合理的軸向預(yù)加載荷來消除間隙，軸向預(yù)加載荷的大小可以通過滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩測(cè)試的數(shù)值來表現(xiàn)［2-5］。對(duì)滾珠絲杠副施加合理的軸向預(yù)加載荷，不僅與滾珠絲杠副的重復(fù)定位精度、剛度有關(guān)，而且影響滾珠絲杠副的使用壽命［6］。

2 預(yù)加載荷分析

除軸向間隙，提高絲杠剛度的目的。鋼球在滾道中的受力狀態(tài)如圖1所示。

圖1中，在螺母的有效滾道導(dǎo)程之間增加一定的導(dǎo)程變位量，使螺母的滾道向兩邊偏移，來改變絲杠和螺母的滾道相對(duì)位置關(guān)系，從而使螺母分別對(duì)兩邊的鋼球沿著接觸角產(chǎn)生過鋼球中心的作用力，將鋼球壓緊在絲杠和螺母的接觸滾道之間，消除軸向間隙。以單個(gè)鋼球進(jìn)行受力分析，鋼球分別受到絲杠和螺母接觸齒形部分穿過球心的力P，法向的接觸角為α，分別產(chǎn)生兩個(gè)分力P1和P2。為了計(jì)算軸向預(yù)加載荷，需要求出水平分力P1。

由于螺旋滾道螺旋角λ的存在，P1沿軸向的分力P3即為滾珠絲杠副施加的軸向預(yù)加載荷［7］。

式中：Fp為總軸向預(yù)加載荷；Z為鋼球數(shù)量。

對(duì)滾珠絲杠副施加預(yù)加載荷，無論是單螺母結(jié)構(gòu)變螺距后在內(nèi)部產(chǎn)生的預(yù)加載荷，還是雙螺母結(jié)構(gòu)配磨墊片厚度后在螺母間產(chǎn)生的預(yù)加載荷，都是在滾珠螺母有效滾道之間增加一定的導(dǎo)程變位量，通過改變絲杠和螺母滾道之間相對(duì)位置關(guān)系，以達(dá)到消

▲圖1 鋼球受力狀態(tài)

滾珠絲杠副的軸向預(yù)加載荷消除了絲杠的微量彈性變形，可以提高絲杠的剛度，同時(shí)提高絲杠的重復(fù)定位精度。如果軸向預(yù)加載荷值取得小，就不能達(dá)到消除反向間隙的作用；取得大，則增大了絲杠副的摩擦力，加劇絲杠的磨損，也加大驅(qū)動(dòng)絲杠的電機(jī)功率，造成資源浪費(fèi)。通常情況下，滾珠絲杠副的軸向預(yù)加載荷取滾珠絲杠最大承受軸向載荷的1/3，或根據(jù)選型樣本按所選滾珠絲杠副額定動(dòng)載荷的1/10取值。

在實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)中，滾珠絲杠副的軸向預(yù)加載荷數(shù)值允許在一定范圍內(nèi)變化。通過實(shí)際測(cè)試力臂L和彈簧秤顯示的拉力F，可以轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tp（Tp=FL）來檢測(cè)。在滾珠絲杠副的國(guó)家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17587.3—1998中，對(duì)不同長(zhǎng)徑比、不同精度等級(jí)絲杠的動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩變化范圍有不同要求，并要求絲杠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)的測(cè)量值都在相應(yīng)的范圍內(nèi)［8-10］。滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的測(cè)試和表示方法如圖2所示，圖2中實(shí)線為檢測(cè)值，虛線為計(jì)算值，Tpo為標(biāo)準(zhǔn)要求的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩；ΔTpp為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩的允許變動(dòng)量，Tpa為實(shí)際轉(zhuǎn)矩的平均值，ΔTpa為實(shí)際轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)量。

3 預(yù)加載荷試驗(yàn)

為了研究滾珠絲杠副在不同預(yù)加載荷下對(duì)絲杠使用性能的影響，分別對(duì)三組規(guī)格長(zhǎng)度和螺母結(jié)構(gòu)相同，有兩種不同預(yù)加載荷的滾珠絲杠副進(jìn)行加載跑合試驗(yàn)。為了方便記錄，統(tǒng)一按滾珠螺母同一位置的彈簧秤平均拉力表示。試驗(yàn)編號(hào)為02C、03M的絲杠預(yù)加載荷相同，彈簧秤在螺母法蘭外圓上的平均拉力為28 N。試驗(yàn)編號(hào)為01C的絲杠預(yù)加載荷偏小，彈簧秤在螺母法蘭外圓上的平均拉力為24 N。在相同加載條件下跑合一段時(shí)間后，滾珠絲杠副預(yù)加載荷及行程誤差變化曲線分別如圖3、圖4所示。

從圖3中可以看出，三組滾珠絲杠副預(yù)加載荷的變化曲線在初期一直減小，減小較快，3 h后則基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。加載跑合試驗(yàn)到10 h后截止，在這段時(shí)間內(nèi)，螺母法蘭外圓上的彈簧秤平均拉力各有不同，編號(hào)01C的絲杠為12 N，減小了50%。編號(hào)02C的絲杠為16 N，減小了43%。編號(hào)03M的絲杠為19 N，減小了33%。說明滾珠絲杠副預(yù)加載荷的變化趨勢(shì)符合產(chǎn)品初期可靠性的變化。預(yù)加載荷初始值相同的02C、03M滾珠絲杠副跑合后產(chǎn)生不同的數(shù)值，但是滿足GB/T 17587.3—1998標(biāo)準(zhǔn)要求的預(yù)加載荷變動(dòng)量20%的范圍，且幅值變化基本相似。預(yù)加載荷值偏小的01C滾珠絲杠副，加載跑合后的預(yù)加載荷值也較小。總體而言，初始預(yù)加載荷和跑合后的數(shù)值是成正比的。

從圖4中可以看出，三組滾珠絲杠副行程誤差變化曲線一直在上升，數(shù)值增大，說明絲杠精度在變差。雖然初始的行程誤差值不同，但是預(yù)加載荷相同的滾珠絲杠副加載跑合后行程誤差變動(dòng)值基本相同，從總的變化趨勢(shì)來看，預(yù)加載荷大的滾珠絲杠副行程誤差變動(dòng)值較大。

▲圖2 絲杠動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩測(cè)試

▲圖3 滾珠絲杠副預(yù)加載荷變化曲線

▲圖4 滾珠絲杠副行程誤差變化曲線

4 預(yù)加載荷應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用滾珠絲杠副時(shí)，根據(jù)用戶的不同使用要求，將軸向預(yù)加載荷分為三種情況：輕預(yù)緊、標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊和重預(yù)緊。用戶在按照對(duì)應(yīng)絲杠規(guī)格的額定動(dòng)載荷選型時(shí)，預(yù)加載荷按額定動(dòng)載荷1/10的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊選用。如果可以確定最大軸向載荷的數(shù)值，則預(yù)加載荷按最大軸向載荷的1/3選用。對(duì)于滾珠絲杠副承受的最大軸向載荷小于額定動(dòng)載荷或稍大于額定動(dòng)載荷時(shí)的選型，預(yù)加載荷必須按最大軸向載荷的1/3來選用，否則就不能達(dá)到預(yù)緊后消除反向間隙的目的。某公司的小型數(shù)控車床X軸滾珠絲杠副，選用GQ32×10雙螺母墊片結(jié)構(gòu)，由于訂貨時(shí)沒有提到預(yù)加載荷大小，因此按標(biāo)準(zhǔn)預(yù)加載荷生產(chǎn)加工。但是在試車加工零件的過程中，每到主軸正向和反向加工的轉(zhuǎn)換處，零件上就會(huì)留有一條細(xì)棱，多次調(diào)整整個(gè)傳動(dòng)鏈都無法解決。經(jīng)過和完好設(shè)備對(duì)比，發(fā)現(xiàn)滾珠絲杠副的預(yù)加載荷偏大，最終將滾珠絲杠副的預(yù)加載荷按最大軸向載荷1/3調(diào)小后，就不存在這種現(xiàn)象了。由此可見，滾珠絲杠副預(yù)加載荷的調(diào)整數(shù)值，雖然不影響絲杠的安裝，但是會(huì)影響使用性能。