第9章-滚珠丝杠原理
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后，可消除轴向间隙。 • 磨损小 精度保持性好，使用寿命长。 • 具有运动的可逆性 可以将旋转运动转换成直线
运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆 和螺母均可作主动件或从动件。
机械制造装备设计 4
滚珠丝杠螺母副的缺点： • 由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度
和表面质量要求高，故制造成本高。 • 由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传
机械制造装备设计 19
滚珠丝杠副支承方式图例
机械制造装备设计 20
5. 滚珠丝杠的计算
Байду номын сангаас
1) 疲劳强度计算
滚珠丝杠根据额定动载荷选用，当量动
载荷计算公式为：
Cm
Fm 3 L fa
fw
要求选择的丝杠额定动载荷CaCm。
载荷为变化的时候，
Fm
2Fmax 3
Fm in
机械制造装备设计 21
2) 刚度计算 主要考虑滚珠丝杠螺母副的接触和拉压
机械制造装备设计 13
• 双螺母螺纹式消隙 如图所示，利用一个 螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个 螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好 后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整 方便，且可在使用过程中，随时调整， 但预紧力大小不能准确控制。
机械制造装备设计 14
双螺母螺纹消隙图例
机械制造装备设计 15
第九章 滚珠丝杆螺母副
机械制造装备设计 1
1. 工作原理和特点
• 滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间 放入了滚珠，使丝杆与螺母间变为滚动 摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提 高了传动效率。图示为滚珠丝杆副的结 构示意图。丝杆1和螺母3上均制有圆弧 型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成 了螺旋滚道，滚珠4在其间既自转又循环 滚动。
机械制造装备设计 6
外循环式滚珠丝杠结构图例
机械制造装备设计 7
• 内循环 靠螺母上安装的反向器接通相邻 滚道，使滚珠成单圈循环，如图所示。 反向器２的数目与滚珠圈数相等。这种 形式结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好， 摩擦损失小，但制造较困难。适用于高 灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重 载传动中。
机械制造装备设计 2
滚珠丝杠螺母副结构图例
1-丝杠 2-滚道 3-螺母 4-滚珠
机械制造装备设计 3
滚珠丝杠螺母副的优点： • 传动效率高，摩擦损失小 滚珠丝杆螺母副的传
动效率η＝0.85～0.98，可实现高速运动。 • 运动平稳无爬行 由于摩擦阻力小，动、静摩擦
系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。 • 传动精度高，反向时无空程 滚珠丝杆副经预紧
机械制造装备设计 10
• 双螺母垫片式消隙：如图所示，此种形 式结构简单可靠、刚度好，应用最为广 泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业 生产厂根据用户要求事先调整好预紧力， 使用时装卸非常方便。
机械制造装备设计 11
双螺母垫片调整法(中间加垫片)图例
机械制造装备设计 12
双螺母垫片调整法(端部加垫片)图例
4) 滚珠丝杠的预拉伸
预拉伸主要用于补偿机床温升变形时的丝杠长 度变化量，保证丝杠的导程即使在变形后也能维 持在额定值附近，差值应在允许范围内。
预拉伸量应略大于热膨胀量。
机械制造装备设计 23
Ph
式中Z1、Z2为齿轮的齿数，Ph为滚珠丝杠 的导程。
机械制造装备设计 16
齿差式消隙图例
机械制造装备设计 17
4. 滚珠丝杆副的支承方式
• 一端装止推轴承(固定－自由式) 如图a所 示。这种安装方式的承载能力小，轴向 刚度低，仅适应于短丝杆。
• 一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承 (固定－支承式) 如图b所示。滚珠丝杆较 长时，一端装止推轴承固定，另一端由 深沟球轴承支承。为了减少丝杆热变形 的影响，止推轴承的安装位置应远离热 源。
机械制造装备设计 8
内循环式滚珠丝杠结构图例
机械制造装备设计 9
3．滚珠丝杆副间隙的调整
• 为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向 刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间 隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构， 利用两个螺母的相对轴向位移，使每个 螺母中的滚珠分别接触丝杆滚道的左右 两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时， 预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当 要求不太高时，预紧力可小于此值。
变形，往往由厂家直接给出刚度值或计算 公式。
接触刚度根据载荷的不同是一个变化的 非线性值。
拉压刚度根据螺母至轴端距离的不同而 变化。
机械制造装备设计 22
3) 压杆稳定性和临界转速
长径比较大的滚珠丝杠副，使用时应校核其压 杆稳定性，高速旋转的丝杠还应校核其临界转速 以判断其工作速度与临界转速的差值，观察其是 柔性轴还是刚性轴。
机械制造装备设计 18
• 两端装推力轴承(单推—单推式或双推—单推式) 如图c所示。这种方式是对丝杠进行预拉伸安装。 这样做的好处是：减少丝杠因自重引起的弯曲变 形；在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷 1/3的条件下，丝杠拉压刚度可提高四倍；丝杠 不会因温升而伸长，从而保持丝杠的精度。
• 两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定－固定 式) 如图d所示。为提高刚度，丝杆两端采用双 重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧 拉力。这种结构方式可使丝杆的热变形转化为止 推轴承的预紧力。
动，会因部件的自重而自动下降。当部件向下 运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性， 不能立即停止运动。因此必须增加制动装置。 结论 由于其优点显著，虽成本较高，仍被广泛 应用在数控机床上。
机械制造装备设计 5
2．结构类型
• 外循环 滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面 上的螺旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环。 图示为常见的外循环结构形式。在螺母外圆上装 有螺旋形的插管口，其两端插入滚珠螺母工作始 末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的 多圈循环链。这种形式结构简单，工艺性好，承 载能力较高，但径向尺寸较大。目前应用最为广 泛，也可用于重载传动系统中。
齿差式消隙 如图所示，在两个螺母的凸 缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套 筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、 Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿 圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动 一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母 便产生相对角位移，其轴向位移量为：
S
1 Z1
1 Z2
运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆 和螺母均可作主动件或从动件。
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滚珠丝杠螺母副的缺点： • 由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度
和表面质量要求高，故制造成本高。 • 由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传
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滚珠丝杠副支承方式图例
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5. 滚珠丝杠的计算
Байду номын сангаас
1) 疲劳强度计算
滚珠丝杠根据额定动载荷选用，当量动
载荷计算公式为：
Cm
Fm 3 L fa
fw
要求选择的丝杠额定动载荷CaCm。
载荷为变化的时候，
Fm
2Fmax 3
Fm in
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2) 刚度计算 主要考虑滚珠丝杠螺母副的接触和拉压
机械制造装备设计 13
• 双螺母螺纹式消隙 如图所示，利用一个 螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个 螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好 后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整 方便，且可在使用过程中，随时调整， 但预紧力大小不能准确控制。
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双螺母螺纹消隙图例
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第九章 滚珠丝杆螺母副
机械制造装备设计 1
1. 工作原理和特点
• 滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间 放入了滚珠，使丝杆与螺母间变为滚动 摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提 高了传动效率。图示为滚珠丝杆副的结 构示意图。丝杆1和螺母3上均制有圆弧 型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成 了螺旋滚道，滚珠4在其间既自转又循环 滚动。
机械制造装备设计 6
外循环式滚珠丝杠结构图例
机械制造装备设计 7
• 内循环 靠螺母上安装的反向器接通相邻 滚道，使滚珠成单圈循环，如图所示。 反向器２的数目与滚珠圈数相等。这种 形式结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好， 摩擦损失小，但制造较困难。适用于高 灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重 载传动中。
机械制造装备设计 2
滚珠丝杠螺母副结构图例
1-丝杠 2-滚道 3-螺母 4-滚珠
机械制造装备设计 3
滚珠丝杠螺母副的优点： • 传动效率高，摩擦损失小 滚珠丝杆螺母副的传
动效率η＝0.85～0.98，可实现高速运动。 • 运动平稳无爬行 由于摩擦阻力小，动、静摩擦
系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。 • 传动精度高，反向时无空程 滚珠丝杆副经预紧
机械制造装备设计 10
• 双螺母垫片式消隙：如图所示，此种形 式结构简单可靠、刚度好，应用最为广 泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业 生产厂根据用户要求事先调整好预紧力， 使用时装卸非常方便。
机械制造装备设计 11
双螺母垫片调整法(中间加垫片)图例
机械制造装备设计 12
双螺母垫片调整法(端部加垫片)图例
4) 滚珠丝杠的预拉伸
预拉伸主要用于补偿机床温升变形时的丝杠长 度变化量，保证丝杠的导程即使在变形后也能维 持在额定值附近，差值应在允许范围内。
预拉伸量应略大于热膨胀量。
机械制造装备设计 23
Ph
式中Z1、Z2为齿轮的齿数，Ph为滚珠丝杠 的导程。
机械制造装备设计 16
齿差式消隙图例
机械制造装备设计 17
4. 滚珠丝杆副的支承方式
• 一端装止推轴承(固定－自由式) 如图a所 示。这种安装方式的承载能力小，轴向 刚度低，仅适应于短丝杆。
• 一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承 (固定－支承式) 如图b所示。滚珠丝杆较 长时，一端装止推轴承固定，另一端由 深沟球轴承支承。为了减少丝杆热变形 的影响，止推轴承的安装位置应远离热 源。
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内循环式滚珠丝杠结构图例
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3．滚珠丝杆副间隙的调整
• 为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向 刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间 隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构， 利用两个螺母的相对轴向位移，使每个 螺母中的滚珠分别接触丝杆滚道的左右 两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时， 预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当 要求不太高时，预紧力可小于此值。
变形，往往由厂家直接给出刚度值或计算 公式。
接触刚度根据载荷的不同是一个变化的 非线性值。
拉压刚度根据螺母至轴端距离的不同而 变化。
机械制造装备设计 22
3) 压杆稳定性和临界转速
长径比较大的滚珠丝杠副，使用时应校核其压 杆稳定性，高速旋转的丝杠还应校核其临界转速 以判断其工作速度与临界转速的差值，观察其是 柔性轴还是刚性轴。
机械制造装备设计 18
• 两端装推力轴承(单推—单推式或双推—单推式) 如图c所示。这种方式是对丝杠进行预拉伸安装。 这样做的好处是：减少丝杠因自重引起的弯曲变 形；在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷 1/3的条件下，丝杠拉压刚度可提高四倍；丝杠 不会因温升而伸长，从而保持丝杠的精度。
• 两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定－固定 式) 如图d所示。为提高刚度，丝杆两端采用双 重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧 拉力。这种结构方式可使丝杆的热变形转化为止 推轴承的预紧力。
动，会因部件的自重而自动下降。当部件向下 运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性， 不能立即停止运动。因此必须增加制动装置。 结论 由于其优点显著，虽成本较高，仍被广泛 应用在数控机床上。
机械制造装备设计 5
2．结构类型
• 外循环 滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面 上的螺旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环。 图示为常见的外循环结构形式。在螺母外圆上装 有螺旋形的插管口，其两端插入滚珠螺母工作始 末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的 多圈循环链。这种形式结构简单，工艺性好，承 载能力较高，但径向尺寸较大。目前应用最为广 泛，也可用于重载传动系统中。
齿差式消隙 如图所示，在两个螺母的凸 缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套 筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、 Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿 圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动 一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母 便产生相对角位移，其轴向位移量为：
S
1 Z1
1 Z2