滚动传动系统摩擦特性探讨

王均杰，沈胜利

（郑州职业技术学院机械工程系，河南郑州 450121）

0 引言

滚动传动系统由于制造工艺较为成熟、方便安装与维护、使用可靠性高而在现代机械中广泛应用。典型的滚动传动系统部件有滚动轴承、滚珠丝杠、滚动导轨等，都是借助滚动体将运动部件间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，显著提升了系统的传动效率，但摩擦仍是系统的主要能量消耗途径，对系统的伺服性能、传动精度以及使用寿命等造成严重影响。本文选择典型部件为研究对象，综合考虑多方面因素，对滚动传动系统摩擦特性进行了专门的分析和探讨，希望有关论点能对其进一步深入的研究起到一定的积极作用。

1 分析

1.1 滚动轴承

滚动轴承的摩擦力矩是在其工作接触面间存在滚动、滑动现象而产生的阻碍轴承正常运转的阻力矩，既包括因材料的弹性滞后引起的纯滚动，也包括滚动体、保持架等运动部件在接触面上的各种滑动，以及所添加的润滑剂产生的粘滞效应。若以μ为摩擦系数，F为轴承所受负荷，d为轴承内径，则滚动轴承摩擦力矩M1一般计算式为：

可见，摩擦阻力矩随着其滚动体尺寸的增大而变大，另外也和所承受的载荷成正比例关系，因而对于担负重载的大规格滚动轴承就有较大的摩擦损耗。

影响滚动轴承摩擦力矩的因素较多，可按其来源大致分成2部分：一个是外在条件，主要指轴承的工作环境状况，也指轴承的质量检测和维护保养情况；另一个是内在条件，主要包括轴承的结构设计特征、部件加工精度和安装调试水平等，各个因素之间相互联系、相互作用，其中的内在影响因素决定了力矩大小和波动平均值，外在因素对力矩的均匀性和波动大小影响较大。滚动轴承摩擦力矩具有非线性特性，由于受众多非线性因素的影响，是一个非平稳的周期性的随机过程，具有不确定的强烈波动和趋势变化。

1.2 滚珠丝杠

滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成，使传动和定位在同一个零件上实现，既可把旋转的角位移转换成线位移，也可把直线运动推力转化为旋转扭矩。由于滚道的特殊性，滚珠在工作中的运动和受力状态较滚动轴承复杂些，本质上也是滚动中伴随着滑动，可视为滚动轴承在滑动丝杠上的“嫁接”，其球形滚动体与螺旋形滚道的接触情况与滚动轴承比较相似，在结构上最大的不同是滚珠丝杠副多了滚珠返向装置。滚珠丝杠副的摩擦力矩是指各类阻碍滚珠和丝杠工作运动的摩擦所形成的阻力矩，其中主要包括：滚珠与丝杠及螺母上的内、外螺旋滚道之间的摩擦（包括弹性）以及滚珠之间的摩擦，滚珠在返向器中的摩擦（包括滚珠进出返向器的和滚珠在返向滚道中的摩擦）以及润滑剂的粘滞作用等，其中的阻碍运动形式有滞后滚动、差动滑动、自旋滑动及冲击碰撞等多种性质和类别。由于滚珠丝杠副中没有保持架，工作中的滚珠之间难免会产生推挤作用，这会使其摩擦力矩呈现出随机的波动性，另外滚珠在返向器的出入口处的运动会发生较大变化，也会影响到摩擦力矩的稳定性。

滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素多而复杂，为对其进行有效控制，首先，要合理设计结构关系，尤其是注意优化反向器滚道的空间曲线；再者，要控制其制造工艺，既要提高丝杠、螺母、滚珠、反向器等部件的尺寸和形状加工精度，也要改善滚道和滚珠的表面粗糙度；另外，应科学调整有关间隙，确保安装质量；还有就是恰当的选用润滑剂并及时维护与保养。

1.3 滚动导轨

滚动直线导轨副是一种可以进行相对往复直线运动的滚动支承，类似滚动轴承是以滑块和导轨间的滚动体（钢球）滚动来代替直接的滑动接触,类似珠丝杠副其滚道内的钢球能借助反向器实现无限循环。

滚动直线导轨副的摩擦系数小，产生的摩擦力不大，其产生的机理也与前述差距不大。一般认为，滚动体（钢球）在工作中与滚道面（沟槽）接触时因弹性形变而产生的纯滚动和差动滑动构成了主要摩擦，另外就是钢球进出反向器时承载量的骤变而带来摩擦的不稳定。再者，不应忽视钢球沿滚道滚动时发生的自旋现象，还要注意润滑剂和一些辅助结构形成的阻滞效果。为尽量减小摩擦，结构设计中宜尽量减少相对运动部件的接触面，尽量增大曲率比。安装与使用过程中，应使各部件保持足够精确的相对位置关系，针对具体工作负载情况而调整相适应的预加载荷。

2 测量

静态力矩（也称启动力矩）是指从静止状态到开始相对运动的瞬间所需克服的摩擦阻力矩，其大小及变化往往能够直接反映出系统许多重要的摩擦特性。这里选用某一具体的数控机床用半闭环进给传动系统，测量其在空载条件下的启动力矩。

2.1 滚动导轨

在机械传动进给系统中，滚动导轨直接承载着工作台和工件，其运动性能直接影响工件的加工质量，是系统的关键部件，为研究其个性摩擦特征，首先将其进行分离检测。通过改变滚动导轨上的紧定螺钉的旋紧量而使预紧力发生变化，沿滚动导轨的运动方向选定间距相同的多个测量位置点，依次测量其空载时在不同预紧力作用下的启动力量值，整理有关数据如表1所示。由表中数据容易看出，滚动导轨的启动力整体上随着预紧力的加大而增大，当在整个工作长度上的预紧力一致时其启动力在中部和端部有较明显的变化。若减小端部或加大中部的预紧力，仍选定原测量位置不变，可得数据如表2所示。可见，采用“中间大，两边小”的预紧方法，即让紧定螺钉施加的预紧力从导轨的端部向中部依次递增，能够较明显地降低导轨起动力，也可缩减其量值的变动范围，从而有利于提高导轨运动的灵敏性和平稳性。

2.2 传动系统

为了能探究整个机械传动进给系统的摩擦特性，以整个滚动传动系统作为实验对象，拆去工件、联轴器、编码盘及其他附件，使被测系统主要由轴承、丝杠、导轨及工作台构成，其中滚珠丝杠副的轴由专用滚动轴承按“固定—自由”式支撑，其螺母借助螺栓固联到滚动导轨及工作台上。据前述结论使滚动导轨适当预紧的前提下，测量工作台在不同的位置和不同的运动方向趋势时的启动力矩。在导轨的有效工作行程范围内，均匀地设置足够多的测量位置点，用测力计牵拉导轨，使之断续地从一端的极限位置移动到另一端的极限位置，依次经过各个设定的位置点，再反向移动，仍然倒序的依次经过各测量点，从而在每个测量点获得2个数据，为区分其运动的方向趋势不同，将其中一个放入括号中，如表3所示。若用T代表启动力矩，则一般认为其包含有静摩擦力矩、预紧阻滞力矩及辅件摩阻力矩Tf等3部分组成，即存在经验公式：

式（2）中，μM是滚动导轨的最大静摩擦系数；m是工作台及导轨的质量；g是重力加速度；Fp是滚珠丝杠副的预紧力；η是传动效率；τ是丝杠导程。

通过对所获测量数据的整理及分析可知：

（1）实际测量到的数值普遍较理论计算结果大些；（2）在导轨的工作行程中，距离固定轴承位置较远的测量值偏大；（3）对于同一测量位置点，其在远离轴承的运动方向趋势的测量值大多小于接近轴承方向趋势；（4）不同方向趋势的两组测量数据相比较，接近轴承方向的测值波动变化幅度更大，且位于中部的测值偏大；（5）若相邻位置点测量的间隔时长差距较大，往往也同样会获得差距明显的测量值；（6）对同一测量位置点按同一测量方式进行多次重复测量却很难得到非常接近的值，且首次测量值一般偏大。

表1 预紧力一致时的滚动导轨启动力实验数据表（单位：千克力）

表2 预紧力变化时的滚动导轨启动力实验数据表（单位：千克力）

表3 进给传动系统的启动力矩实验数据表（单位：×100kgf·mm）

3 结语

滚动传动系统的各滚动部件和相配合件之间本质上是面接触状态，其产生的摩擦是滚动摩擦与滑动摩擦的综合，其特性不仅直接影响到各部件的工作质量和使用寿命，更会叠加起来综合影响系统的运行质量和可靠性，由于其成因表现出高度的随机性、非线性，既与部件的结构设计、工艺过程、质量控制有关，还与安装调试、工作状态、环境状况及保养维护等有着直接或间接的关联。为减少摩擦对系统功能发挥的不利影响，充分挖掘应用潜力，首先要进行科学的设计、制造与装配，奠定良好的结构基础；其次就是合理的使用与维护，尤其是适当的预紧、润滑和速度控制；再者要适时地结合作业环境和个性使用要求进行针对性的改进和完善。

［1］刘晓慧，宋现春.滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素及测试方法研究［J］.工具技术，2006（6）：59-61.

［2］张佐营.高速滚珠丝杠副动力学性能分析及其实验研究［D］.济南：山东大学，2008.

［3］何纪承，宋健，荣柏松，等.高速双螺母滚珠丝杠副轴向接触刚度研究［J］.制造技术与机床，2012（8）：59-62.