精密机械滚珠丝杠结构

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3. 滚珠丝杠副结构
外循环
滚珠丝杠副结构特点：
●螺纹滚道型面的形状
●滚珠的循环方式
内循环
●轴向间隙和调整预紧机构
根据丝杠传动不同的使用条件，其结构特点 存在一定差异，设计与选用时应予以注意。 关键问题：滚道形状、滚珠循环方式、调整机构
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（1）螺纹滚道法向截型 综合考虑精度、结构、工艺等问题，目前 滚珠丝杠副常用两种滚道型面：
3 1 1 1 3 2 2 2
1
3
n1t1 n2t 2 nm t1 t 2
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最大动荷载的修正：
滚珠丝杠副运转条件： ●荷载冲击、振动 ●丝杠材料、硬度 ●环境条件
装配图
影响丝杠副使用寿命，应用上述计算公
式时必须予以修正。
Ca 3 L fW f H F 式中：fW——运转系数 平稳、一般、冲击 修正系数 fH——硬度系数
（5）滚珠丝杠精度、代号和标记
1）精度评价指标
滚珠螺旋副的传动精度评价是对螺母的 运动准确性，主要包括两项：
●行程误差
丝杠转角与螺母位移之间比值相对理论 比值的偏差。 工作台运动
●空回误差
螺纹副间隙造成的反向误差。
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2）代号和标记方法
国家标准规定，滚珠螺旋副的代号和标记 方法如下：
例： C D M 50 10 □－3－P 3 精度等级 类型（P或T） 负荷钢珠圈数 旋向，右旋省略 公称导程 wenku.baidu.com称直径 结构特征 预紧方式 循环方式
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7. 滚珠丝杠副的材料 (P186:表5-9)
滚珠丝杠材料涉及丝杠、滚珠、螺母，
由于理论上是滚动点接触，因此三者材料综 考虑调节因素，螺
母多用分体设计，结构 合性能、热处理等要求类似。 特点：
●材料多用合金工具钢、特殊性能钢 GCr15、9Mn2V、38CrMoAlA等 ●热处理突出表面硬度（表面硬化层）
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3）滚道形状参数
①接触角β 与径向间隙
在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接 触点连线与螺纹轴线的铅垂线之间的夹角。
标准接触角：β =45 °
丝杠副的径向间隙Δ d直接 影响功能，无负荷时，滚珠直 径db、滚道半径R、接触角β 的 关系： db
d 4( R 2 )(1 cos )
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（2）按最大静荷载C0a
在极低转速(小于10r／min)条件下工作
的滚珠丝杠副，破坏主要形式是滚道面接触 点处的塑性变形量 超出允许值。 许用塑性变形标准[δ ]：
[δ ]=d0／10000 →C0a 最大静载荷：产生极限变形量的载荷
低速运转滚珠丝杠副是以最大静载荷作
为设计时的计算标准。（C0a ≥Fmax）
螺母 丝杠 滚动丝杠螺母内含 滚珠返回通道，保 持滚珠循环工作。 滚珠 循环装置
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2. 滚珠丝杠机构的特点
除滑动丝杠传动的一般特点外，滚珠 丝杠副还具有如下特点：
（1）传动效率高（0.96），启动力矩小
（2）传动精度高（微米级）
（3）具有传动的可逆性，不能自锁
（4）寿命长，维护简单 （5）制造工艺复杂，成本高
（2）主要结构尺寸 滚珠丝杠副主要尺寸的计算公式见 P183表5-5。 主要设计参数 导轨（槽结构）、丝杠、螺母
公称直径d0 基本导程L0 接触角β 滚珠直径db 圆弧偏心距e
螺纹大径d 螺纹小径d1 压顶圆角r2
螺纹大径D 螺纹小径D1
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6.滚珠丝杠副的选用 （1）按疲劳寿命
1）滚动丝杠副损坏过程
物场分析原理：两个相互作用的物体之间加入
中间介质（作用场），改变胡提高原功能。
设想：丝杠机构中滚动副取代滑动副
●改变丝杠牙形，使之与球面吻合 ●螺母、丝杠接触面充满滚珠作中间传动 ●滚珠在螺母内闭合的回路中循环
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1.滚珠丝杠的组成
如图所示，滚珠丝杠传动副由螺杠、螺母、
滚珠、循环装置 组成。
（3）消除轴向间隙与预紧机构
目的：提高滚珠丝杠承载、精度和工作可靠性。
双螺母预紧机构：目前各类滚珠丝杠副普遍应用 的调节方式，调节原理与滑动丝杠双螺母相同。
常用结构：
垫片式
螺纹式
弹簧式 齿差式
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双螺母安装示意图：
垫片
两侧螺母
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双螺母调隙示意图：
两螺母侧向紧逼
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（4）滚珠数量、圈数和列数
上次课程主要内容
1.螺纹传动基础知识
●螺纹类型 ●参数 ●传动特性
2.滑动丝杠螺母结构设计
●丝杠精度：减少误差措施、除隙机构 ●丝杠传动副主要参数设计：
牙形（角）、螺距、直径、螺母长度、
螺纹长度、公差等级
●丝杠工艺：材料、工艺、热处理
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§5.2
滚珠丝杠螺母机构
滑动螺旋传动中，各类螺纹牙型加工困难, 存在的误差难以通过调整机构修正；且动力传 动中存在较大的摩擦，应用中传动精度受限。
单圆弧滚道
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双圆弧滚道
1）单圆弧型滚道
工艺简单，单螺母结构运行特性不够稳定； 采用的双螺母结构复杂，调试相对困难。
2）双圆弧型滚道
制造工艺复杂。接触刚性好，摩擦小，承载 能力较大，预紧或承载后接触角基本保持不变。 采用双圆弧截面滚道传动效率高，系统轴向 刚度稳定，可实现较小（无）的间隙传动，能获 得更高的传动精度。
套滚动丝杠副应采用多圈结构。 内循环方式滚珠流畅性好，丝杠副总体径 向尺寸相对较小。
内循环式
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2）外循环式
螺母上设计滚珠回流通道，有插管式
和端盖式两种。
外循环式滚珠丝杆传动工艺性好，但 循环路径长，整体径向尺寸大。
外循环式
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外循环传动示意图：
外循环通道
螺杆旋转方向
螺母运动方向
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●滚珠与滚道型面间产生接触应力 ●应力状态为循环 ●循环应力将造成滚珠或滚道疲劳点蚀 ●缺陷扩大导致振动和噪音，直到失效
2）最大动载荷Ca
轴向载荷Ca的作用下，回转100万(106)次， 滚道、滚珠不出现点蚀现象。
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3）丝杠荷载的相关计算
根据工作荷载F及寿命单位L（106转），可 计算最大动载荷Ca与寿命L的关系：
过轴线 铅垂线
法向 剖面
承载后上述关系将发生变化。
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接触角β
②滚道与滚珠尺寸差
滚道半径理论上应略大于滚子半径，控制滚 道半径有利于提高丝杠承载能力。 R 0.52 0.55 推荐设计参数： d0
该参数取值过大，导致滚道、滚子截面形状 接触（面小）刚性差，承载能力小，传动精度低； 反之滚珠与滚道几乎完全接触，存在较大摩擦， 且对制造精度要求很高。 R 1.041.11 单圆弧型两种取值标准： d0
螺母内第1圈滚珠承担轴向载荷约30-45％， 第5圈以后分担的荷载已很小，因此设计时多于 5圈的结构弊大于利。 为提高滚珠的流畅性，经验表明，在同一列 循环回路内，滚珠数少于150，圈数小于3.5。 滚珠数近似计算如下： 每圈数量：
Z单
Z多
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d 0
db
3
总数量：
d L n 0 5 db db
复杂，但螺母体可用结 构钢，工艺相对简单。
高频淬火、氮化（磷化）
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思考题：
P187:7
思考题
最大动荷载Ca Ca 3 L F
平均荷载Fm计算：
Ca 3 L( ) F 60 n T L 10 6
单位寿命L
F n t F n t Fm n t n t 1 1 2 2 2 Fmax Fmin Fm 3 平均转速nm计算：
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③偏心距e 承载传动状态下，滚道圆弧中心与滚珠中 心的偏移距离，如图所示。
偏心距与直径比、接触角相关。
db 理论计算公式： e ( R ) sin 2
双圆弧 滚道e
单圆弧 滚道e
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（2）滚珠循环方式
借助反向器使滚珠越过滚 道槽顶进入下一圈循环。反 1）内循环式 向器设计、加工困难。 内循环采用单圈循环，为保证承载刚性一
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5.滚珠丝杠副主要参数设计 （1）方案（结构）选择 影响结构设计因素包括上述三个方面。
1）螺纹滚道型面的形状； 2）滚珠的循环方式； 3）轴向间隙和调整预紧机构。
主要考虑问题（依据）：
●承载和精度需求 ●预紧和调隙 ●润滑及防尘保护 ●加工工艺条件 ●防脱落限位
原理性问题：●防逆转
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