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