梯形丝杠副扭矩-轴向力测量方法及装置设计

苑庆泽， 徐凤翔， 王禹林， 张轶

（南京理工大学 机械工程学院，江苏南京210094）

1 引 言

梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角为30°，具有牙根强度高、对中性好、结构简单、造价低、自锁性能好等优点，广泛用于传力或传导螺旋，如螺旋举重器、机床的传动丝杠等。在梯形螺纹的检测中，目前应用较多的是使用螺纹量规、螺纹千分尺并配合三针量规来检测螺纹中径、导程、牙型角等几何参数，并在非接触式以及内螺纹的检测方面取得一定研究成果［1-4］。

图1 梯形丝杠副扭矩-轴向力产生原理示意图

梯形丝杠与梯形螺母间是配合零件，其有一重要功能是将扭矩转换成轴向作用力。以右旋梯形丝杠副为例，如图1 所示,当梯形丝杠轴向固定不动时，按图示方向旋转梯形丝杠，螺母将右移并产生轴向作用力。在产品的实际使用中，很多场合需利用上述扭矩与轴向力的关系，如梯形丝杠副压力机、升降机等［5，6］，但是目前工厂在此方面缺乏有效的检测设备，而现有测量装置如空载扭矩测量仪［7］、摩擦力矩测量系统等均无法进行此项测量，这给使用者实际选型带来困难。本文在大量实践的基础上，总结设计出一套直接测量梯形丝杠副扭矩-轴向力的测量装置，该装置测量精度高、装配快捷、性能稳定可靠。

2 梯形丝杠副扭矩-轴向力计算法

对于梯形丝杠，当施加扭矩时，螺母所产生的轴向力可用下式计算：

式中，F-产生的轴向力，N；η-扭矩转变为轴向力的效率；M-输入扭矩，N·m；P-导程，mm。

其中扭矩转变为轴向力的效率可用下式计算：

式中，μ-摩擦系数；α-导程角。

式中，d2-螺纹中径，mm。

计算法是在已知导程、螺纹中径、摩擦系数等参数的情况下，通过式（1）～式（3）来建立输入扭矩与产生轴向力的对应关系。实际使用时，导程与螺纹中径依产品型号而定，根据梯形丝杠材料以及润滑情况估算摩擦系数。但是计算法忽略了实际加工、测量、安装、摩擦系数估算等一系列误差，最后得出的扭矩-轴向力关系存在一定误差，实际选型时的可信度不如实验法高。

3 梯形丝杠副扭矩-轴向力测量装置设计

针对梯形丝杠副扭矩-轴向力计算法精度不足的缺点，本文通过大量实践，设计出一种直接测量梯形丝杠副扭矩-轴向力的装置，精度好、装配快、性能稳定、实用性强。

3.1 测量装置设计原理

如图1 所示，当梯形丝杠轴向固定不动时，驱动装置驱动梯形丝杠旋转，带动螺母轴向移动产生轴向力，同时通过扭矩传感器采集丝杠扭矩，压力传感器采集螺母轴向力，从而实现扭矩和轴向力的对应关系。测量时由于梯形丝杠无需一直连续转动，故可采用扭矩扳手代替驱动装置，并充当扭矩传感器，实现扭矩测量功能，具有精度高、使用方便的优点。压力传感器无特殊要求，只需安装时沿梯形丝杠轴线对称布置，保证轴向力测量的准确性。

3.2 测量装置结构

依据测量装置设计原理，设计出如图2 所示测量装置。

该测量装置主要由支架、压力传感器、传感器压板、滚动轴承、扭矩扳手过渡件组成。其中，支架固定在测量台上，主要起整个测量装置的支撑作用；选用S 型压力传感器，分别与支架和传感器压板连接，并沿梯形丝杠轴线对称布置两个压力传感器，以保证轴向力对称测量，无偏心；传感器压板中心开有圆孔，梯形丝杠穿于其中，传感器压板下部与支架间沿梯形丝杠轴线对称安装两个滚动轴承，用以支撑传感器压板，并减小传感器压板沿梯形丝杠轴线水平移动时与支架间的摩擦；扭矩扳手过渡件固定在梯形丝杠上，用于将扭矩传递给梯形丝杠。

实际测量步骤如下：（1）测量装置安装。将支架固定于测量台上，并依次连接压力传感器与装有滚动轴承的传感器压板；（2）梯形丝杠副安装。以丝杠螺母法兰朝右的方向，将梯形丝杠从传感器压板左侧穿入，通过端面轴承安装到支架上，并用螺母锁紧，限制梯形丝杠轴向移动，旋转螺母使螺母法兰贴紧传感器压板；（3）扭矩扳手过渡件安装。扭矩扳手过渡件通过键与梯形丝杠连接，末端用螺母锁死；（4）加载与数据采集。用扭矩扳手顺时针转动扭矩扳手过渡件，梯形丝杠转动并且轴向无移动，带动丝杠螺母右移，推动传感器压板依托滚动轴承做水平运动，从而压缩压力传感器，得出梯形丝杠副扭矩-轴向力的对应关系。

图2 梯形丝杠副扭矩-轴向力测量装置示意图

4 结 论

（1）本测量装置能够直接测量梯形丝杠副扭矩-轴向力对应关系，精度高、安装快捷、稳定可靠，在梯形丝杠副产品的检测中可推广使用。

（2）本测量装置通过选择配套的端面轴承与扭矩扳手过渡件，可实现不同型号梯形丝杠副扭矩-轴向力的测量。

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