冷压榨汁机中滚珠丝杆替代螺纹丝杆的设计方案

江涛

<摘要>所谓滚珠丝杆和螺纹丝杆其实都是将回转运动转化成为了直线运动，或者将直线运动慢慢的转化为回转运动的理想的产品。本文主要介绍对比了滚珠丝杆和螺纹丝杆的特性，优缺点，从而设计选择滚珠丝杆在榨汁机上的实际使用。

一、关键词：螺纹丝杆在榨汁机上的使用情况;滚珠丝杆特点;设计改进方案，选择滚珠丝杆; 滚珠丝杆在实际应用的表现。

二、螺纹丝杆在冷压榨汁机中的使用情况及存在的问题

冷压榨汁机设计采用的是电机驱动螺纹丝杆，带动齿轮连杆，推动挤压面板实现对水果的冷压榨汁。因此在传动部件中，螺纹丝杆在整个传动过程中是最为关键的零件，是关键的核心传动零件。此前我们选用的螺纹丝杆，材材为： 38CrMoAl  技术要求：热处理硬度58-62HRC， 表面渗氮处理，螺牙为M2，但在实际使用中，该零件使用效果并不理想。原因如下：

1，磨损较大

螺纹丝杆材料38CrMoAl，因为在传动过程中该材料一直是反复传动，使用频率很高，在使用测试中发现磨损较大，导致机器行程精度降低，往复运动转变过程震动变大，配合间隙增加，水果压榨不充分出汁率降低等一些列问题。后期的维护也不方便，只能更换螺纹丝杠，以至于产生很高的维修维护费用。

2，传动产生噪音高

螺纹丝杆在传动过程中与螺纹套摩擦配合，会产生噪音较大，可达到75-77分贝，产品为家用小电器，我们目标将噪音控制在70分贝以内。

3，使用寿命短

因产品为小家电，要求使用寿命高，因此样品完成后，需经过寿命测试，由于螺纹丝杆要求热处理硬度58-62HRC， 表面渗氮处理，目的是确保耐磨，但由于螺纹丝杆和螺纹套是配合摩擦件，实际使用中发现螺纹丝杆在传动达到20000次时，螺牙明显变细，另外因为经过表面处理的螺牙硬度较高，最终导致多起螺牙崩裂情况。

4，高负载启动电流大

螺纹丝杆在使用过程中，采取的螺纹传动模式，在使用过程中，初始负载小启动电流低，压榨后期负载逐渐增大，最终压榨结束时负载最大，机器复位启动时螺纹丝杠与螺母间的静摩檫力较大，启动电流相应增加。启动时电流可达到1.0-1.2A。有时出现卡死的情况，导致电流突增，检测装置报错，甚至直接导致零件断裂破损。

三、设计改进方案，选择滚珠丝杆

由于螺纹丝杆在产品的测试使用中，并不理想，经过多方对比，总结经验，我们考虑使用滚珠丝杆作为螺纹丝杆替代品。滚珠丝杆它是传统滑动丝杆 的进一步延伸发展，滚珠丝杆副因优良的摩擦特性 使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器。尤其是近年来，滚珠丝杆副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业中运用广泛，并且滚珠丝杆的市场上的规格较多，可以在不用更换其他零件的同时，完全替代螺纹丝杆。

1、滚珠丝杆的特性及优点

滚珠丝杆副是由丝杆、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动变为直线运动， 滚珠丝杠副具有传动效率高，磨损小，运动平衡、无爬行现象、转动精度高等优点。

1.高精度

滚珠丝杆副选用的是世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度·湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

2. 与滑动丝杠副相比它的驱动力矩是1/3

由于滚珠丝杠副的丝杆轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率.与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杆副的1/3.在节省动能方面很有帮助。

3、微进给可能

滚珠丝杆副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。

4、无侧隙、刚性高

滚珠丝杆副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性（滚珠丝杆内通过给滚珠加予压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。

5、高速进给可能

滚珠丝杆由于运动效率高、发热小、所以同样可实现高速进给（运动）。（1）

四、滚珠丝杆的设计

1，选取滚珠丝杠

已知行程实际行程114mm，时间50s。

螺纹底径直接选用与螺纹丝杠相同公称直径以配合原零件D=25mm

查表选用SCI02504-4型滚珠丝杠，导程4mm，珠经2.381mm，动额定负荷1180kgf（机器在运行中负载很小，直接以静额定负荷作为唯一选型标准），静额定负荷3795kgf大于机器实际需要推力3000kg。

图示为滚珠丝杠

考虑到丝杆后期需要长期往复使用，还需要进行温度分析。

（2）温度因素分析

滚珠丝杠在一般的运行中会有2～5度的温度上升，预估上升量为2度，则螺纹丝杠的伸长量为

为修正螺杆温度升高导致的偏差，需给滚珠丝杠加上预拉力

e：弹性模量

A：螺纹底径截面积

已知螺紋底径代入得：

故加上1735N得预拉力即可修正螺杆温度提升导致的偏差。（2）

由于过大预拉力会烧坏支撑轴承，在取值上采用温度变化值小于5℃的预拉值。根据丝杆生产商提供的丝轩温升一一工作时间曲线中，发现在滚珠丝杆升高5℃后，温度趋于平稳。

（3）精度保证

为了确保滚珠丝杆使用时的精度，热膨胀引起的定位精度降低不仅是由滚珠运动的摩擦热造成的，而且也是由诸如液压流体、电动机、齿轮箱之类因素的机械运转热所造成的。如果在导轨或床身上产生了变形，即使能够防止滚珠丝杆的温升，也不可能获得高的精度。 在分析精度的时候，来自所有这样的热源的热都必须加以考虑。在计算由滚珠丝杆本身产生的热量时，高的工作负载是一个最大的潜在原因。通常工作负载大约是滚珠丝杆顶紧力的 3倍。更大的负载必须通过增大所用的滚珠丝杆装置的尺寸或通过更大的润滑剂冷却能力来补偿。补偿热膨胀的一种方法是对滚珠丝杆施加一种预紧力。这是通过把丝杆轴加工成负公差尺寸来实现的。用这种方法使螺矩稍微缩短，在装配时使滚珠螺母受到压缩。在工作温度下丝杆膨胀装置就正常工作。

五、滚珠丝杆在实际应用的表现

滚珠丝杆在冷压榨汁机上实际应用中，往往除了丝杆本身，还需要考虑丝杆在设备上的匹配程度，大小，安装注意事项，与电机的配合等，使用过程中，长时间使用的温度影响，以及预热变形等情况，需要确保这些因素在可控制范围内，才能确保产品本身不受影响。经过新设计的滚珠丝杆，在冷压榨汁机上实际使用，完全解决螺纹丝杆使用中的问题。

1，摩擦损失小、传动效率高

滚珠丝杆传动，内置滚珠，滚动摩擦，摩擦阻力小、运动平稳，8000次负载运行没有明显磨损，运行精度也基本没有改变。

2，传动产生噪音小

滚珠丝杆传动，摩擦阻力小、运动平稳，效率高，产生噪音也小，经测试滚珠丝杠较螺纹丝杠平均运行声音减小6-8分贝，噪音在67-69分贝左右。

3，使用寿命长

滚珠丝杆，采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度达60～62HRC，表面粗糙度小，而且是滚动摩擦。在多台产品上进行寿命测试，进行疲劳测试20000次，无异常变化，运行平稳，远高于设计要求，能够保证后续持正常使用，使用寿命长。

4，负载启动电流平稳

相比螺纹丝杠在运行中电流浮动较大，启动电流跟负载启动电流过大，且有可能导致零件损坏，螺纹丝杠就完美解决了这些问题。螺纹丝杠运行中电流平稳，负载启动无滑移现象，负载启动电流在0.6A左右，机器其他零件负荷小，能有效消除意外卡死现象。即减小了功耗又大大减少维修维护的费用。

结束语：根据对比螺纹丝杆的特点，经过分析使用中存在的问题，最终设计选用滚珠丝杆完美的解决了使用中存在的问题，提升产品的整体性能，减少了后期产品的维修和售后问题，并能给企业带来显著的经济效益和社会效益。

参考文献

（1） 西凯昂， .滚珠丝杆的应用和特点

（2）王可，刘士阁，王淑芳.机床滚珠丝杠传动的改进设计口].饥械工程师，2 006 （3）：63-64.