行星滚柱丝杠副的研究

肖正义

(北京工研精机股份有限公司，北京101312)

1942年,瑞典人Carl Bruno Strandgren发明了行星滚柱丝杠副,直到上世纪70年代才有几家开始研发、生产行星滚柱丝杠副,由于结构过于复杂而没有普及,现在国际上也只有几家生产行星滚柱丝杠副,代表企业为德国SKF公司、瑞士ROLLVIS公司、德国Rexroth公司等.

1999年,北京机床研究所研发肠衣挤出用行星滚柱丝杠副,丝杠副规格:公称直径d0＝65 mm,导程Ph＝16 mm,螺纹头数为6头,滚柱数量为13个；2014年,为俄罗斯研发心脏起搏器用行星滚柱丝杠副,公称直径d0＝5 mm,导程Ph＝4 mm,螺纹头数为4头,滚柱数量为4个.通过研制,我们积累了一定的实践经验.近几年,一些单位及高校过分强调行星滚柱丝杠副的优点,而忽视该丝杠副的缺点及可靠性,还强调可以用于航天、航空领域,为此,笔者感到担忧,特写此文以供参考[1-4].

1 行星滚柱丝杠副的结构及原理

行星滚柱丝杠副的结构图见图1.行星滚柱丝杠副主要由滚柱丝杠1、滚柱螺母2、滚柱3、内齿圈4、压盖5及挡圈6组成.

滚柱丝杠与滚柱螺母为齿形角90°的多头螺纹,法向截形见图2.滚柱为齿形为双凸圆弧的单头螺纹,法向截形见图3.若干滚柱围绕丝杠均匀分布.

当滚柱丝杠旋转时,滚柱既围绕丝杠轴作公转,又围绕自身轴线作自传,带动滚柱螺母作轴向移动.因此,滚柱丝杠副滚柱与丝杠、螺母为滚动摩擦,传动效率最高可以达到90%.

行星滚柱丝杠副承载主要靠滚柱螺纹与丝杠、螺母90°齿形角两边点接触承载.滚柱丝杠、滚柱螺母与滚柱啮合原理图见图4,模型图见图5.

滚柱两端内齿圈的作用是通过内齿圈与滚柱端部外齿啮合,防止滚柱与滚柱丝杠、滚柱螺母摩擦运动时产生倾斜,造成啮合齿损坏,丝杠副不能运转.

2 滚珠丝杠副与滚柱丝杠副比较

滚珠丝杠副结构图见图6,丝杠、螺母、滚珠配合截面图见图7.

3 影响滚柱丝杠副承载的因素

滚柱丝杠副在理论上计算载荷对于小规格、小导程要大于滚珠丝杠副,但实际承载比理论承载要小很多.主要原因如下:

(1)滚柱与丝杠、螺母的牙型接触点.如果丝杠副增大滚柱直径预紧,即消除丝杠副间隙,滚柱与丝杠、螺母90°牙型每一牙是四点接触(丝杠两点、螺母两点),这是很难做到的,因为多个滚柱的公称直径一致性难以做到很高,没有滚珠直径一致性高.因此,一般行星滚柱丝杠副滚柱与丝杠、螺母接触由于间隙影响两点接触,行星滚柱丝杠副都是通过双螺母预紧消除间隙,单螺母是有间隙的,有间隙滚柱每一牙只能两点接触,间隙过大,使用时接触点上移,承载下降很快,主要是丝杠、螺母每一牙深度较小,牙顶强度差.

表1 滚珠丝杠副与滚柱丝杠副比较

(2)滚柱丝杠、滚柱螺母牙型90°及半角误差.滚柱丝杠及滚柱螺母牙型半角在加工过程中存在加工误差,由于半角误差而影响滚柱的接触点数,并且影响丝杠副正、反向承载.

(3)滚柱丝杠、滚柱螺母螺纹分头误差.由于滚柱丝杠、滚柱螺母都是多头螺纹,分头出现误差则丝杠副难以多头全部承载,承载大小取决于接触头数多少,很多厂家样本的实物照片都能看到丝杠副部分螺纹头数承载,见图1.

(4)滚柱牙型半径及圆心.滚柱牙型半径及圆心是滚柱螺母、滚柱丝杠产生最佳滚动摩擦而确定的半径及圆心见图4,因此,滚柱牙型的加工要求严格,牙型的左右圆弧半径误差及圆心直接影响承载.

(5)滚柱两端外齿与内齿圈的啮合精度.滚柱两端的直齿与内齿圈啮合,保证滚柱在滚动运行时,始终与丝杠轴线保持平行,由于滚柱丝杠、滚柱螺母螺纹的加工误差及齿形粗糙度等影响,直接影响滚柱运行的平稳性,由内齿圈校正滚柱姿态,如果啮合间隙过大,很容易造成丝杠副破坏.

(6)滚柱丝杠、滚柱螺母、滚柱的螺纹导程精度.滚柱丝杠、滚柱螺母、滚柱的螺纹导程精度直接影响滚柱每一牙的接触点数.因而影响丝杠副的实际承载.

(7)滚柱丝杠、滚柱的直线度.只有滚柱丝杠、滚柱直线度很好的情况下,滚柱的牙型接触点是均匀的,如果丝杠、滚柱有弯曲,则接触点不能保证每点接触,实际承载将下降.

从以上分析可知,行星滚柱丝杠副的结构设计可靠性差,承载高只是理想状态.这就是该丝杠副发明后没有普及应用的主要原因.滚珠丝杠副虽是同时代诞生,由于滚珠丝杠副结构简单,精度高,传动效率高,因此,上世纪40年代,随着汽车产业的发展,滚珠丝杠副生产厂家把精力投入到滚珠丝杠副的研究中,经过多年发展,现滚珠丝杠副已广泛应用于机械、航天、航空、核工业等各领域,滚珠丝杠副的品种不断增多,如高精度滚珠丝杠副、高速滚珠丝杠副、大导程滚珠丝杠副、微型滚珠丝杠副、自润滑滚珠丝杠副、重载滚珠丝杠副等.

作为传动部件——滚珠丝杠副是现在最为普遍使用的传动部件,并得到高速发展,国家科技重大专项(04专项)“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中将“滚珠丝杠副”的研究作为重点内容之一.

4 滚珠丝杠副的承载

现阶段大家研究行星滚柱丝杠副的主要原因是行星滚柱丝杠副承载大于滚珠丝杠副.但是,随着滚珠丝杠副的技术不断发展,日本THK、NSK等世界知名厂家推出重载滚珠丝杠副,通过改变滚珠丝杠副的结构,增大滚珠直径,增加滚珠循环圈数等办法提高滚珠丝杠副的承载,滚珠丝杠副的承载已很接近滚柱丝杠副,甚至超过滚柱丝杠副承载,且结构简单,可靠性高等优点.现行THK、NSK重载滚珠丝杠副已广泛应用于注塑机行业.日本THK重载滚珠丝杠副的结构图见图8,日本NSK重载滚珠丝杠副结构图见图9.

表2、表3为滚珠丝杠副与滚柱丝杠副承载对比.行星滚柱丝杠副在小规格、小导程方面承载有优势.

5 航天、航空领域的应用

航天、航空领域是很特殊领域,产品在空中不可维修,因此,可靠性是第一位,其次是产品性能.滚珠丝杠副与滚柱丝杠副在同时代出现,滚珠丝杠副能快速发展,而滚柱丝杠副不能发展的主要原因就是结构复杂,加工工艺性差,可靠性差等原因,现国际上生产滚柱丝杠副也就几家,因此,花费很大精力去研究滚柱丝杠副是不经济的,并且该产品应用在航天、航空领域也是很危险的,国际上航天、航空领域大量使用的传动部件还是滚珠丝杠副.

表2 滚珠丝杠副承载

表3 行星滚柱丝杠副承载

6 结语

滚珠丝杠副以其高效率、高精度、结构简单、加工工艺性好、可靠性高等特点,广泛应用于机械、航天、航空、仪器仪表、核工业等各领域,已被大家广泛接受.滚柱丝杠副结构复杂、工艺性差、可靠性差等特点,不适合应用于航天、航空领域.