行星滚柱丝杠

行星滚柱丝杠
概述：
行星滚柱丝杠是一种可以将旋转运动与直线运动相互转化的机械传动装置，用滚珠作为中间传动体，用滚动摩擦取代滑动摩擦，这种传动方式与滚珠丝杠类似。

行星滚柱丝杠作为一种新型的传动装置，具有摩擦小、效率高、寿命长、体积小、承载能力强等特点。

行星滚柱丝杠按照结构的不同可以大致分为三类：标准型1、循环型2、轴承环型3。

标准型行星滚柱丝杠主要传动装置有丝杠、螺母和螺纹滚柱，丝杠具有90°牙型角的多头螺纹，螺母是和丝杠头数牙型角都相同的内螺纹，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，多个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，传动过程中滚柱既绕着丝杠轴线公转同时又绕自身轴线自转，丝杠和螺母分别与滚柱啮合，由于三者具有相同的牙型和螺旋升角，所以在啮合过程中可以保证丝杠及螺母与滚柱之间的纯滚动，并且确保螺母与滚柱没有轴向相对位移。

在螺纹滚柱的两端加工直齿，与带有内齿圈的端盖啮合，用以消除螺旋升角对滚柱产生的倾斜力矩，并使滚柱沿圆周方向相对位置固定，保证所有滚柱的轴线都与丝杠轴线平行。

在标准型行星滚柱丝杠的基础上，根据不同性能要求进行修改形成了其他结构类型的行星滚柱丝杠。

循环型行星滚柱丝杠的丝杠和螺母与标准型行星滚柱丝杠相同都是牙型角为90°并且具有相同螺旋升角的多头螺纹，但是行星滚柱不再采用单头螺纹而是加工成没有螺旋升角的沟槽状结构，端盖的内齿圈被复位凸轮环取代，作用是使滚柱在完成一个循环后可以回到初始位置重新与丝杠啮合，作用与滚珠丝杠副中的滚珠返回装置相似，在螺母上加工有一个凹槽，当滚柱完成一个循环后被凸轮推入凹槽，凹槽中的螺纹引导滚柱回到开始啮合的位置。

这种改变使得滚柱的加工难度降低，这样就可以采用更小的螺纹导程，提高位置精度，并且有更多的接触点，增强了承载能力。

在啮合过程中滚柱周期性的与丝杠接触分离，频繁的加载卸载，影响使用寿命，并且高速时凸轮结构会产生较大的振动和噪音。

轴承环型行星滚柱丝杠的丝杠也是90°牙型角的多头螺纹，滚柱与循环型行1Strandgren C B. Roller screw: Us, 3182522(A) [P]. 1965-05-11.
2Cornelius C C , Lawlor S P .Roller screw system: US, 7044017(B2) [P]. 2006-05-16.
3Saari O. Anti-Friction Nut/Screw Drive: US, 4576057[P]. 1986-05-18.
星滚柱丝杠相似采用同牙型的沟槽结构，而螺母不再与滚柱进行啮合，螺母通过轴承环与滚柱轴向固定，轴承环两端安装有推力轴承并与壳体固定。

传动过程中动力由丝杠传至滚柱，滚柱通过轴承环和推力轴承将动力传至螺母和壳体上完成传动过程。

与之前两种相比，这种结构方式最大程度的减小了摩擦，提高了传动效率。

国内外的研究发展：
行星滚柱丝杠最早由瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年发明，但至今仍未能广泛应用，这主要是由于其结构复杂、加工难度大和成本较高。

目前主要应用在民用领域，如精密机床、食品包装、特种机械、测试仿真等；但随着飞行器和武器装备的发展以及石油、化工、机床等需要大推力、高精度、高频响、高效率、长寿命的机械装置作为机电作动系统的执行机构，取代易污染、维护成本高的传统液压作动系统，行星滚柱丝杠受到了广泛的关注。

1.理论研究方面
国外已有多家公司具有制造多种行星滚柱丝杠的能力，美国已将行星滚柱丝杠用于机电作动系统的执行机构4，但是对行星滚柱丝杠的结构设计的参数匹配等相关内容却没有文献报道。

国内20世纪70年代开始研制滚柱丝杠对行星滚柱丝杠研究较少。

赵英等5通过建立丝杠螺纹曲面和滚柱曲面方程，研究丝杠和滚柱之间的啮合关系，从而为机构参数的选择提供理论上的依据；靳谦忠等6根据标准型行星滚柱丝杠工作原理、运动特性及几何关系计算得出了参数匹配设计公式；杨家军7韦振兴8对行星滚柱丝杠载荷分布、刚度、轴向变形及摩擦等方面做了研究并进行了参数优化分析。

因为行星滚柱丝杠的结构形式和工作原理与滚柱丝杠相似，所以在研究过程中经常把滚柱等效成同半径的滚珠进行分析，但是滚柱丝杠是通过三角形螺纹进行啮合，这种等效的方法存在着一定的缺陷。

虽然行星滚柱丝杠的结构设计和参数匹配相对确定，关于承载能力和寿命的计算公式也可以在厂家的产品目录中查找，但是从研究层面来说，对于行星滚柱丝杠的承载能力和寿命等的影响因素的4行星滚柱丝杠副的新发展及关键技术
5滚柱丝杠副的啮合计算
6行星滚柱丝杠副的运动特性及参数选择
7行星滚柱丝杠副载荷分布及刚度计算，预紧力对行星滚柱丝杠轴向变形及摩擦的影响
8行星滚柱丝杠副的结构参数优化分析
研究较少，缺少对行星滚柱丝杠从外形参数到动态性能的理论研究和实验研究，这对行星滚柱丝杠的优化和深入发展有很大的限制。

目前国内外对行星滚柱丝杠的研究还没有成熟的理论体系和系统的研究方法，这也限制了行星滚柱丝杠的广泛应用。

2.产品制造方面
瑞士Rollvis9是世界上著名的行星滚柱丝杠专业生产厂家，市场占有率近40％，其产品应用于航空航天、机床、武器装备、机器人等行业，丝杠直径从1 mm到150 mm，导程从0.1 mm到50 mm，速度最高达到2 m／s，精度可达0.1 pm，而且能够加工各种非标准的丝杠螺母。

此外，其他国家近年来也致力于行星滚柱丝杠的生产和研制，并推出了各自的产品型号。

国内的一些企业具有行星滚柱丝杠制造能力，研制的行星滚柱丝杠具有承载能力强、抗冲击性和直线速度高等特点，但国内企业产品大多精度不能满足要求，其性能和寿命均远落后于国外产品。

应用前景：
行星滚柱丝杠诸多优点给其带来了广阔的应用前景。

滚柱丝杠具有较高承载能力和较快速度，除了可以代替梯形丝杠，滚珠丝杠外，在一定情况下可以代替气缸和液压缸的作用。

其配置简单，不需要诸如阀门、泵、过滤器、传感器等复杂的配套系统。

并且其体积小，工作寿命长，维护简单，不存在液压缸的液体渗漏情况，噪音显著减小。

滚柱丝杠传动机构可以应用于机械加工机床、检测设备、钣金加工机床和弯曲加工机床(替代滚珠轴承传动机构)、医药、激光加工机床制造、半导体和注塑机床制造业(替代液压油缸)等领域。

高性能行星滚柱丝杠机构在舰艇的舱门开闭及推进装置、战斗机起落架及制动装置、导弹发射架、坦克火控系统、航天设备等领域也有很大的发挥空间。

随着未来高速、高精度和大推力直线作动的发展需要，以及螺纹加工工艺、制造水平和材料科学的发展，行星滚柱丝杠以其特有的结构特点和传动性能，适应了国内外的发展趋势，将会逐步取代其他类型丝杠传动，成为航空、航天、武器装备等军事领域和数控机床、食品包装等民用领域机械设备直线伺服系统的主要传动元件。

因此，加快对行星滚柱丝杠的研制势在必行。

9行星滚柱丝杠
研究内容：
行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的传动原理类似，但是用螺纹滚柱代替了滚珠丝杠中的滚珠作为丝杠和螺母之间的传动体，增加了接触点的数量，并且啮合传动更加平稳，所以比滚珠丝杠具有更优越的性能。

但是目前缺少对于行星滚柱丝杠本身的啮合运动的理论研究与实验研究，并且行星滚柱丝杠副的传动涉及到，中心丝杠、螺母和滚柱三组传动部件参数的匹配问题，下面是对于传动过程中可能出现一些问题进行探讨。

行星滚柱丝杠传动过程的啮合特性研究：行星滚柱丝杠的中心丝杠与螺母分别与滚柱啮合，在滚柱与丝杠和螺母螺旋升角相同的情况下，传动过程中没有相对滑动，与滚柱丝杠副一样，各部件之间的摩擦都为滚动摩擦，将大大减小传动摩擦阻力，传动效率将得到很大提高，传动部件经过表面工艺处理后，滚动摩擦产生的磨损极小，因此将大大提高使用寿命。

滚柱丝杠副较滚珠丝杠副有更多的接触点，可以提供更高的额定动载和静载，并且接触点的增多将大幅提高刚度和抗冲击能力。

在相同载荷条件下，滚柱丝杠相对于滚珠丝杠占用更小的空间，并且使用寿命延长了10倍以上10。

滚柱丝杠副的螺纹滚柱两端通过齿轮啮合，这可以保证滚柱与丝杠和螺母间啮合传动的同步性，避免个别滚柱打滑造成干涉。

这种滚柱周向相对固定的结构使得滚柱丝杠相对滚珠丝杠可以提供更大的速度和加速度。

上述优越性能是由行星滚柱丝杠独特的啮合特性决定的，所以研究其在高速重载情况下工作的啮合区域、弹性变形的情况对于其传动性能研究有着重要的意义。

值得注意的是在滚珠丝杠副的传动过程中，滚珠除了作为传动体会有传动滚动外，由于惯性还可能会出现自旋运动，自旋运动会导致滚珠与通道的滑动摩擦，并且滚珠之间的不同程度自旋有可能使滚珠间的距离发生变化，甚至可能导致滚珠的碰撞，在高速情况下尤为严重。

行星滚柱丝杠的一大优势就是通过螺纹滚柱实现啮合传动，保证传动过程中的纯滚动，但是由于螺旋升角的原因，滚柱上存在倾斜力矩，如果不进行圆周方向的固定，滚柱是否会在倾斜力矩的作用下产生滑动甚至自旋,这对于滚柱两端的结构设计应该具有一定影响：如果存在可能的滑动或自旋，那么滚柱两端应设计为直齿与内齿圈的啮合结构并与丝杠和滚柱的螺纹参数相匹配以保证纯滚动；如果没有自旋只可能发生滑动，由于相对滑动必然会引起丝杠与滚柱的轴向位移，所以只需进行轴向固定即可，不需要限10行星丝杠和滚柱丝杆的比较
制其旋转自由度，并且有利于滚柱自由旋转调节以弥补加工安装产生的误差；如果滑动和自旋都不可能发生，那么可以不对滚柱进行固定；同时滑动或者自旋对啮合区域、摩擦、润滑都有很大影响。

所以啮合特性对于滚柱结构设计有着较大的意义，并且有利于对工作在不同速度的行星滚柱丝杠的结构进行优化。

行星滚柱丝杠力学体系建立：行星滚柱丝杠的结构参数较多，丝杠直径，滚柱直径，滚柱数量，螺纹导程等都对行星滚柱丝杠的传动性能有很大影响，并且参数匹配具有复杂性。

例如：行星滚柱的数量越多那么将会有更多的接触点，也就是能够提高承载力，但是同时也意味着更大摩擦，同时增加行星滚柱数量也将改变作用在端盖上的倾斜力矩方向发生变化。

同样的丝杠直径与滚柱直径的匹配，丝杠滚柱间的接触角等对行星滚柱丝杠传动性能的影响也需要建立力学体系进
行研究。

但是目前对于行星滚柱丝杠寿命、效率、承载能力的研究都是根据滚珠丝杠，滚动轴承的方法进行等效和类似，但是由于行星滚柱丝杠的传动是同时存在着滚动与啮合，受力情况更为复杂，这种等效和类似在一定的条件下可能无法真实反映行星滚柱丝杠的力学特性。

从啮合特性入手对行星滚柱丝杠的力学特性进行分析有着重要的意义，通过理论和实验和研究明确行星滚柱丝杠各种参数对传动性能的影响有助于建立科学的行星滚柱丝杠参数选择和结构设计体系。

目前国内外都没有见到相关力学分析体系的建立11。

行星滚柱修形问题：在齿轮设计制造过程中要对齿面进行修形，在齿面上修圆弧可以避免边缘接触，提高轮齿的啮合性能。

行星滚柱丝杠同样存在这样的问题，由于制造和安装过程中的误差，在啮合过程也很可能出现边缘接触，很多文献中提出滚柱修形成为圆弧轮廓，但滚柱螺纹具有螺旋升角，修形的一致性（包括单根滚柱修形一致和行星滚柱间修形一致）的保证对传动性能有着特别重要的意义。

由于行星滚柱丝杠传动是多点同时啮合，行星滚柱修形不一致将导致在啮合过程中啮合点位置混乱，带来相应的运动学和力学的问题；单根滚柱修形问题可能会导致滚柱轴线与丝杠不平行，造成啮合不均甚至滚柱部分空转或干涉。

所以行星滚柱丝杠要不要修形，如何修形，怎么保证修形的一致性都是有待解决的重要问题。

行星滚柱丝杠牙型角对传动性能的影响：行星滚柱丝杠的牙型角关系到倾斜11行星滚柱丝杠副的新发展及关键技术
力矩的方向和行星滚柱丝杠副的传动效率。

目前大多数文献中，行星滚柱丝杠都采取90°牙型角，但是并没有对牙型角的选取方法进行计算和分析。

分析牙型角影响传动的机理，确定牙型角对运动特性和力学特性的影响，制定在不同工作情况的牙型角选择体系，对于行星滚柱丝杠的发展和应用很有意义。

行星滚柱丝杠的制造、检测、装配问题：行星滚柱丝杠的制造加工过程中，不仅需要保证加工精度满足要求，同时要保证丝杠、螺母和滚柱的匹配性，还需要同一行星滚柱丝杠的滚柱间加工和安装具有一致性，传统的制造、装配、检测方法在这种情况下效率较低，而要做到不同行星滚柱丝杠间的零件可互换就对制造和检测提出了更高要求。

开发出可以兼顾制造精度和匹配性的制造、检测、装配系统对于行星滚柱丝杠的生产和广泛应用有着重要的意义。