浅谈滚珠丝杠的设计

张庆涛　逄玲
（山东省烟台工程职业技术学院）

　　滚珠丝杠副是在丝杠与螺母之间以滚珠（钢球）为滚动体的螺旋传动元件，因而可使丝杠和螺母之间的相对运动变为滚动。由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度及高速特性、耐磨损性和运动可逆性等许多优异特性，所以，滚珠丝杠副作为高效（节能）和精密的先进传动机构，在国内外已引起了广泛的应用。
　　一、滚珠丝杠副的工作原理、特点及结构形式
　　1.滚珠丝杠副的工作原理及特点
　　（1）滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠，使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传功。滚珠丝杠副在机械传动中的作用，同样是可以将旋转运动变为直线运动。也可以将直线运动变为旋转运动。
　　滚珠丝杠副一般是由丝杠1、螺母2、滚珠（钢球）3及滚珠循环返回装置4四个部分组成，如图1所示。 　　（2）滚珠丝杠副的特点由上述工作原理可知，滚珠丝杠副与滑动丝杠副比较，滚动摩擦代替了滑动摩擦，因此，具有以下特点：
　　摩擦损失小、传动效率高；
　　磨损小、寿命长；
　　轴向刚度高；
　　摩擦阻力小、运动平稳；
　　不能自锁、具有传动的可逆性。
　　2.滚珠丝杠副的结构型式
　　1）螺纹法向截型。螺纹法向截型（或称滚道型面）是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道面的交线的形状。目前，较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧（图2）两种。 　　在两种螺纹法向截型中，通过滚珠中心与滚道接触点的连线与螺纹轴线的垂线间的夹角β，称为接触角。接触角β越大，滚珠螺旋传动的承载能力和刚度就越大，传动效率越高。接触角β很小时，丝杠能承受的轴向力变小，同时在相同的轴向负荷的作用下，会使得径向力增大，即使挤压滚珠的压力加大，这将会降低丝杠的使用寿命。
　　3.滚珠循环方式
　　（1）外循环。滚珠在循环过程中，不能始终保持与丝杠表面接触，即当滚珠从螺纹滚道终端返回到滚道始端时与丝杠表面脱离接触，通常把这种循环方式称为外循环。
　　（2）内循环。滚珠在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触的循环叫做内循环。目前，我国已广泛使用一种具有镶块式返向器的内循环结构。
　　二、滚珠丝杠副的选用及计算
　　1.滚珠丝杠副的选用原则
　　对于各种不同载荷、转速和工作状态，滚珠丝杠剧使用寿命的大小也是不相同的。滚珠丝杠副有如下选用原则：
　　一是在高速或较高速和定工作载荷的情况下选用滚珠丝杠副；
　　二是在变工作载荷和变转速的情况下选用滚珠丝杠副；
　　三是在承受动载荷的情况下选用滚珠丝杠副；
　　四是按额定静载荷选用滚珠丝杠副。
　　2.滚珠丝杠副的校核计算
　　滚珠丝杠副由于精度要求高，制造比较复杂，所以一般均由专业厂生产，使用者在设计一般以校验为主。一般情况下，滚珠丝杠副的承载能力取决于其抗疲劳能力，故首先应按寿命条件及额定动载荷选择或校核其基本参数，同时检验其载荷是否超过额定静载荷。丝杠的强度、刚度和稳定性也要进行校验。
　　三、螺母座的设计及滚珠丝杠副的安装
　　1.螺母座的设计
　　本次设计需要在滚珠丝杠螺母副上设计并安装一个螺母座，在设计螺母座时初步选择两种方案：
　　（1）通过观察滚珠丝杠副的螺母，在螺母上有一个平键，将螺母座做成一个整体，通过在孔上拉一个键槽将螺母座跟螺母连接起来，带动工作台完成传动；
　　（2）由于本设计滚珠丝杠副传递的扭矩不是很大，因此可将螺母座制作成两个半圆扣在螺母上，在每个半圆上对称打上两个螺钉孔，用螺钉顶住螺母传递扭矩。
　　2.滚珠丝杠副的安装
　　滚珠丝杠螺母副在安装时应满足以下要求：
　　（1）滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；
　　（2）螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；
　　（3）滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨；
　　（4）能方便地进行间隙调整、预紧和预拉伸。
　　由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。