液体静压蜗杆传动副的设计及油膜厚度计算

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考
文
献
卜炎等 8 机械传动装置设计手册 8 北京： 机械工业出版社， )!!!8 机械设计手册电机工程手册编辑委员会 8 机械工程手册 8 北京： 机 械工业出版社， )!!18 彭文生等 8 机械设计 8 武汉： 华中理工大学出版社， )!!18
第一作者： 吴晓明， 湖北武汉， 湖北工学院机械工 程系， 邮编： ("$$1B （ 编辑 （*）
力的润滑油输送到油腔中去。压力油从油腔经过四周 的封油面流出， 在封油面形成具有压力的润滑油膜， 利 用油腔和封油面的压力油来承受载荷。
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液体静压蜗杆蜗母条的结构
（$ ） 几何形状 为了提高蜗杆蜗母条承受轴向载
荷的能力， 蜗母条轴向半角可取 %& ’( ， 并适当加大蜗 杆螺纹部分的工作高度。蜗杆蜗母条螺纹的啮合高度 通常取螺距的 )& % * $ 倍
［ $］
。蜗杆的螺纹圈数一般不
超过 $" ， 油腔可开在蜗母条牙齿侧面或蜗杆螺纹侧面 上。当油腔开在蜗母条牙齿侧面上时， 每个齿的一侧 开一个油腔。当油腔开在蜗杆螺纹侧面上时， 采用间 断分布的多油腔形式。在后一情况下， 为使其承载能 力的波动不致过大， 要求同时位于蜗母条一个齿侧啮 合区域的完整油腔数不得少于 + * , 个。实践证明， 油 腔设在蜗母条上时， 其承载能力要比油腔设在蜗杆上 高 ")- * "’- 。空载时油腔工作压力一般为 " * "& ’ ./0。 （"） 配油方式 由于蜗杆蜗母条的结构限制， 无 论油腔开在蜗杆上或蜗母条上， 压力油均由配油器通 过蜗杆体内的油孔和蜗杆两侧面的出油孔进入油腔。 配油器保证了蜗杆与蜗母条只在相啮合的部分供给压 力油。 （+ ） 轴向间隙 蜗杆和蜗母条之间的单面轴向间
［ "］ 率小、 传动效率高 。液体静压蜗杆蜗母条传动副能
够满足这些要求， 近年来在数控机床上得到了广泛的 应用。
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液体静压蜗杆蜗母条的工作原理
液体静压蜗杆蜗母条的工作原理与静压丝杠螺母
液体静压蜗杆蜗母条传动副， 利用专用的供油装 置 （ 其原理见图 ) ） ， 将具有一定压力的润滑油输送到 蜗杆与蜗母条的齿面之间， 保证在预定载荷范围内以 及任何相对运动速度下， 齿面间始终被一层油膜隔开， 实现纯液体润滑。它具有以下优点： （" ） 摩擦阻力小， 功率消耗少， 传动效率高， 在很 低的速度下运动也很平稳。 （)） 使用寿命长。齿面不直接接触， 不容易磨损， 能长期保持精度。 （* ） 抗振性能好。齿面间的压力油层有良好的吸 振能力。 （+） 有足够的轴向刚度。
万方数据
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油膜的形成
液体静压润滑是利用专用的供油装置， 将具有压
（$ ） 为了保证静压蜗杆及静压蜗母条加工齿距的 正确， 用同一台专用机床精加工蜗杆和蜗母条。此机 床自身的精度较高， 能够保证加工零件齿距的精度要 求。用同一台机床加工两种相配合的零件， 其误差方 向是一致的， 确保了静压蜗杆副配合齿距几何精度的 一致性。 （" ） 为了保证静压蜗杆与静压蜗母条齿形角的一 致性， 按精加工蜗母条滚刀的齿形角来配磨蜗杆齿形 角， 保证了齿形角的一致性。在保证齿距单齿及全长 累积误差与齿形角误差相一致的情形下， 能准确保证 静压油膜厚度单边 )& ), * )& )’ 11 的均匀性。 （+） 为保证静压蜗杆副油膜厚度的准确性， 按滚 刀齿厚的实际尺寸， 将蜗杆齿厚磨小 )& )2 * )& $) 11。 （, ） 安装静压蜗母条的基础零件精度直接影响静 压蜗母条与蜗杆的配合精度， 因此必须保证基础零件 的加工精度。 （’ ） 装配时需保证两块蜗母条的接头齿距衔接精 度。拼接两蜗母条时采用弥补误差的方法来满足蜗母 条齿距精度的要求。
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影响静压蜗杆、 蜗母条正确啮合的因素及 其解决措施
保证静压油膜厚度为 )& ), * )& )’ 11 （ 图 $） 是静 静压 蜗 杆 精 度 要 求 如 下： 轴 向 齿 距 ,) 5 )& ))6 11； 齿距全长累积误差不大于 )& )$’ 11； 轴向齿形角 半 角 %( +)7 5 +)8；齿 面 粗 糙 度 为 )& 2 "1，材 料 +29:.;<= 或铝铁青铜 （ 图 +） 。 静压蜗母条 （ 如图 , ） 的尺寸精度要求： 轴向齿距 ,) 5 )& ))6 11； 齿距全长累积误差不大于 )& )" 11； 轴向齿形半角 %(+)7 5 +)8； 齿面粗糙度为 )& 2 "1， 材 料 .> ? " ， 静压蜗杆蜗母条工作时油膜厚度为 )& ), * )& )’ 11 （ 单边） 。
液体静压蜗杆传动副的设计及油膜厚度计算
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吴晓明
沈邦兴
（ 湖北工学院） 关键词： 蜗杆 蜗母条 油膜
为了提高精度、 减少功率消耗、 消除爬行现象， 很 多重型机床都采用了液体静压导轨。液体静压导轨的 静摩擦系数很小， 在运动方向几乎没有任何阻尼， 因此 对进给传动元件提出了很高要求。现代机床对进给传 动元件要求无间隙、 磨损小、 刚度好、 抗阻尼性能好、 功
［ $］ 隙 !) 应满足下式： !) ,+ !" ， 式中： — —蜗杆全长 !"—
பைடு நூலகம்
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设计实例
以 34"$ 系列数控龙门镗铣床工作台传动部件所
采用的静压蜗杆蜗母条为例， 静压蜗杆连同蜗杆箱一 起装在床身上， 静压蜗母条每块长 2)) 11， 安装在工 作台上。
上的螺距累积误差。蜗杆一般用铸造青铜制造， 蜗母 条用钢制造。
・# !" ・ 万方数据
# # 定压供油静压蜗杆蜗母条的有关计算公式， 以对 置推力静压轴承的计算原理为基础。蜗母条的包容面 不是完整的圆周， 因此计算中引入了包容角的影响。 空载时一个齿侧向外流出的流量 !$ 为 !$ #$ $ %&’ " % ・ )* #%&’$ %
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# # 观测静压蜗杆副油压为： #$ / "8 9 673 （ 平均值） ， 变量泵输出给蜗杆副的最大流量 （ 已考 虑 配 油 阀 损 失） 为 ! -3: / ! . / "$ ; . -<,。 现根据 !$ 、 # 和观察到的 #$ 计算出 $$ ：
)$ ， （) ） 、 （*） 得： $$ !$ / )8 =(9 234。将以上数据代入式 / $ / $9) --。 工作台、 蜗母条、 蜗杆装好后， 测得轴向单边间隙 $$ 为 $8 $( ? $8 $(*9 --， 工作台运行平稳无振动。计
0 比 $$（ $8 $( ? $8 $(*9 -- ） 大， 说 算出 $（ $ $8 $9) -- ） 0
万方数据
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明静压蜗杆副在加工与装配时有误差， 但误差相差不 大。因此， @A*) 系列数控龙门铣镗床静压蜗杆副的 设计结构合理， 传动平稳， 无振动， 位置精度高。 采用液体静压蜗杆蜗母条传动副， 用作工作台进 给或立柱滑座的进给传动元件， 效果很好， 完全可以满 足数控重型机床和现代机床的要求。 参
! # # # # # !$ / ’ （ ! # 0 ! ( ） # （ 234） "1$ 式中 ’— — —油腔的有效面积利用系数。当油腔设 ’ / )； 当油腔设在蜗杆 在蜗母条上时， 上时， ’/ （) 5 )） *) （ ) 为同时位于蜗母 条一个齿侧啮合区域内最多的油腔数） # !+ — — —蜗母条张角， （ ,） — —啮合区内油腔张角， （ ,） !( — #$ — — —空载时油腔压力， 673 — —蜗杆齿形半角， （ ,） "% — — —蜗杆螺旋升角， （ ,） $% — &* — — —油腔内边圆半径， -&( — — —蜗杆外圆半径， -$$ — — —空载时蜗杆蜗母条单面轴向间隙， -— —润滑油动力粘度， 673・’ #— &$ — — —蜗母条齿顶圆半径， -&" — — —油腔外边圆半径， -若蜗杆有 - 个工作齿数， 则 ! . " -!$
压蜗杆副正确啮合的根本条件。其最重要的影响因素 是静压蜗杆及蜗母条的加工齿距 （ 单齿及全长累计） 精度是否精确， 两蜗母条接头齿距误差是否一致， 安装 位置尺寸几何精度是否合理。其次是安装静压蜗杆蜗 母条的基础零件精度是否精确等。静压蜗杆与静压蜗 母条正常啮合的主要因素有两个： 一是齿距误差 （单 齿误差及全长累积误差） ； 二是齿形角是否正确。为 了保证静压蜗杆副的啮合质量， 在生产加工及装配工 艺上采取了许多相应措施。
基本相同。不同的是， 静压丝杠螺母不存在配油问题， 而蜗母条相当于螺母的一部分， 因此存在配油问题。 也就是与蜗母条相啮合的那部分蜗杆需供给压力油， 而不啮合部分不能供油。因此， 在蜗杆的端面处或蜗 杆轴的径向需设专门的配油器， 以使啮合区域内的油 腔能连续供油。 图 " 所示为油腔开在蜗母条上的液体静压蜗杆蜗 母条传动副一个齿的工作简图。启动油泵后， 当传动 副未受轴向载荷时， 蜗杆两侧蜗母条油腔内压力相等， 等于 !% 。两侧向间隙均为 "% ， 油腔内的压力油经四周 封油间隙 "% &’(! # 流出。由于油腔四周封油面间隙很 小， 润滑油流出时受到很大阻力， 使油腔内的润滑油保 持一定的压力 !% 。当工作台受轴向载荷 $ 后， 如果蜗 杆没有轴向位移， 蜗母条和工作台一起移动一个微小 距离， 受压的一侧间隙减小为 "" 。由于间隙减小， 润 滑油流出时的阻力就加大， 使油腔压力升高到 !" 。背 压一侧的间隙增加为 ") ， 油流出时的阻力减小， 油腔 压力降低到 !) 。因此在齿的两侧形成了压力差， 与载 就能带动蜗母条作直线运 荷 $ 平衡。当蜗杆转动时， 动。根据结构的需要， 也可将蜗母条固定在床身上， 蜗 杆箱与移动部件相连接。由于齿面与轴线的垂线间有 一个交角， 所以在垂直方向还有一个附加力 %。