滚珠丝杠副和差动传动的应用和原理

（1）螺旋传动形式

丝杠螺母机构（螺旋传动机构）主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。这些机构既有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杆），还有调整零件相对位置的（如螺旋传动机构）。

丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杆螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30%～40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%～98%），因此在机电一体化系统中得到广泛应用。

根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式有如图6.1所示的4种类型。

①螺母固定，丝杠转动并移动，如图6.1（a）所示。该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向传动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不宜太长，刚性较差，因此只适用于形成较小的场合。

②丝杠转动，螺母移动，如图6.1（b）所示。该传动形式需要限制螺母的转动，故需要导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好，适用于工作形成较大的场合。

③螺母转动，丝杠移动，如图6.1（c）所示。该传动形式需要限制螺母移动和丝杠转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。

④丝杠固定，螺母转动并移动，如图6.1（d）所示。该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用。

图6.1　丝杆螺母机构的基本传动形式

此外，还有差动传动方式，其传动原理如图6.2所示。该方式的丝杠上有基本导程（螺距）不同的（如Ph1，Ph2）两段螺纹，其方向相同。当丝杆2转动时，螺母1的移动距离为Δλ=n（Ph1-Ph2），如果两基本导程相差较小，则可获得较小的位移。因此，这种传动方式多用于各种微调机构中。

图6.2　差动传动原理

1—螺母；2—丝杠

（2）滚珠丝杠副传动部件

1）滚珠丝杠副的组成及特点

滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间元件——滚珠。如图6.3所示的滚珠丝杠螺母由反向器（滚珠循环反向装置）l、螺母2、丝杠3和滚珠4等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。

与滑动丝杠相比，滚珠丝杠副除上述优点外，还具有轴向刚度高（即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙）、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。

2）滚珠丝杠副的典型结构类型

滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。滚珠丝杠具有多种不同的结构形式。

①螺纹滚道型面（法向）的形状及主要尺寸

我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧形和双圆弧形，如图6.4所示。滚道型面与滚珠接触点的法线与丝杠轴向的垂线间的夹角α称接触角，一般为45°。单圆弧型螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，主要由轴向载荷所引起的接触变形的大小而定。α增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧型滚道加工用砂轮成形较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧型面的滚道圆弧半径R稍大于滚珠半径rb。双圆弧型螺纹滚道的接触角α在工作过程中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减少摩擦磨损。由于加工其型面的砂轮轮廓修整、加工、检验均较困难，故加工成本较高。

图6.3　滚珠丝杠副工程原理

1—反向器；2—螺母；3—丝杆；4—滚珠

图6.4　螺纹滚道法向截面形状

②滚珠的循环方式

滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。

内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图6.5所示，在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杠1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有2～4个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足时反向器加工困难、装配调整不方便。

浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副如图6.6所示。其结构特点是反向器1上的安装孔有0.01～0.015 mm的配合间隙，反向器弧面上加工有圆弧槽，槽内安装碟簧片4，外有弹簧套2，借助拱形簧片的弹力，始终给反向器一个径向推力，使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杠3表面保持一定的压力，从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用。这种反向器的优点为：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。

外循环方式中的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外循环运动。从结构上来看，外循环有以下三种形式。

图6.5　内循环

1—丝杠；2—螺母；3—滚珠；4—反向器

图6.6　浮动式反向器的循环

1—反向器；2—弹簧套；3—丝杠；4—碟簧片

a.螺旋槽式：如图6.7所示。在螺母2的外圆表面上铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道内装入两个挡珠器4引导滚珠3通过这两个孔，应用套筒1盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。这种结构的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但是挡珠器刚性差、易磨损。

图6.7　螺旋槽式外循环结构

1—套筒；2—螺母；3—滚珠；4—挡珠器；5—丝杠

b.插管式：如图6.8所示。用一弯管1代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺纹滚道5相切的两个内孔，用弯管的端部引导滚珠4进入弯管，构成滚珠的循环回路，再用压板2和螺钉将弯管固定。插管式结构简单、容易制造；但是径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。

图6.8　插管式外循环

1—弯管；2—压板；3—丝杠；4—滚珠；5—滚道

c.端盖式：如图6.9所示。在螺母3上钻出纵向孔作为滚珠回程滚道，螺母两端装有两块端盖2，滚珠的回程道口在端盖上。滚道半径为滚珠直径的1.4～1.6倍。这种方式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。常以单螺母形式作升降传动机构。

3）滚珠丝杠的主要尺寸参数

滚珠丝杠副的主要尺寸参数如图6.10所示。

图6.9　端盖式外循环

1—丝杠；2—端盖；3—螺母；4—滚珠

图6.10　主要尺寸参数

公称直径（d0）：通常与节圆直径Dpw相等。它指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸。

基本导程（Ph）（或螺距t）：它指丝杠相对于螺母旋转2π弧度时的行程（或螺母上基准点的轴向位移）。公称导程Ph0通常指用作尺寸标志的导程值（无公差）。

行程λ：转动滚珠丝杠或滚珠螺母时，滚珠丝杠或滚珠螺母的轴向位移量，即丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。

此外还有丝杠螺纹大径d1、丝杠螺纹底径d2、滚珠直径DW、螺母螺纹底径D2、螺母螺纹内径D3、丝杠螺纹全长等。

导程的大小应根据机电一体化产品（系统）的精度要求确定。精度要求高时应选取较小的基本导程。滚珠的工作圈（或列）数和工作滚珠的数量N由试验可知：第一、第二和第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50%，30%和20%左右。因此工作圈（或列）数一般取2.5（或2）～3.5（或3）。滚珠总数N一般不超过150个。

4）滚珠丝杠副的精度等级及标注方法

①精度等级：根据GB/T 17587.3—1998（与ISO 3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分为1，2，3，4，5，7，10共7个等级，最高级为1级，最低级为10级。其行程偏差的验收检验项目见表6.2，行程偏差和变动量见表6.3。按实际使用要求，在每一精度等级内指定了导程精度的验收检验项目，未指定的检验项目其导程误差不得低于下一级精度的规定值。

表6.2　行程偏差的验收检验项目

表6.3　行程偏差和变动量（部分）

续表

续表

②标注方法：GB/T 17587.1—1998规定滚珠丝杠副的标识符号应按图6.11给定顺序排列的内容标注。

图6.11　滚珠丝杠副的标注方法

③尺寸系列：国际标准化组织（ISO/DIS 3408-2—1991）和GB/T 17587.2—1998中规定：

公称直径（mm）：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。

公称基本导程（mm）：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽可能优先选用（mm）：2.5，5，10，20及40。

④推荐选用的精度等级：数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选出1，2，3级，一般动力传动可选4，5级，全闭环系统可选2，3，4级。

5）滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧

滚珠丝杆副在有负载时，滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺母丝杆副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法。

①双螺母螺纹预紧调整式，如图6.12所示。其中，螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过两个圆螺母固定。调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力（如图6.12（b）所示），从而消除轴向间隙。其特点是结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。

图6.12　双螺母螺纹预紧调整式

1—锁紧螺母；2—调整螺母；3，4—滚珠螺母

②螺母齿差预紧调整式，如图6.13所示。丝杠4两端的两个螺母分别制有圆柱齿轮的螺母3，两者齿数相差一个，通过两端的两个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合，并用螺钉和定位销固定在套筒1上。调整时先取下两端的内齿轮2，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使两个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。其特点是可实现定量调整，即可进行精密微调（如0.002 mm），使用中调整较方便。(www.xing528.com)

图6.13　双螺母齿差预紧式

1—套筒；2—内齿轮；3—螺母；4—丝杠

③螺母垫片调整预紧式，如图6.14所示。调整垫片1的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。其特点是结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。

图6.14　双螺母垫片预紧式

1—垫片；2—螺母

④簧式自动调整预紧式，如图6.15所示。双螺母中，一个活动，另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。其特点是能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适用于轻载场合。

⑤单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式，单螺母变位导程预紧方式如图6.16所示。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个ΔPh的导程突变量，从而使两列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于ΔPh和单列滚珠的径向间隙。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。

图6.15　弹簧自动调整预紧式

图6.16　单螺母变位导程预紧式

目前市场上可见的滚珠丝杠副的预紧方式及其标记代号见表6.4，滚珠丝杠副的外形、循环方式与预紧代号含义见表6.5。

表6.4　预紧方式及其标记代号

表6.5　型号（外形、循环方式与预紧）含义

6）滚珠丝杠副支承方式的选择

①支承方式

实践证明，丝杠的轴承组合、轴承座以及其他零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，因此，在设计安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度，常用以推力轴承为主的轴承组合支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。常用轴承的组合方式有以下几种。

a.单推—单推式，如图6.17所示。推力轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推—双推式低。

图6.17　单推—单推式

b.双推—双推式，如图6.18所示。两端分别安装推力轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。

图6.18　双推—双推式

c.双推—自由式，如图6.19所示。一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。

图6.19　双推—自由式

d.双推—简支式，如图6.20所示。一端安装推力轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。

图6.20　双推—简支式

轴承的组合安装支承示例如图6.21～图6.24所示。

图6.21　简易单推—单推式支承

图6.22　双推—简支式支承

图6.23　双推—自由支式

图6.24　双推—双推式

②制动装置

因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、质量轻、易于安装的超越离合器。选购滚珠丝杠副时可同时选购相应的超越离合器，如图6.25所示。

图6.25　超越离合器

1—外圈；2—行星轮；3—滚柱：4—活销；5—弹簧

单推—单推式支承的简易制动装置如图6.26所示，当主轴7作上、下进给运动时，电磁线圈2通电并吸引铁芯1，从而打开摩擦离合器4，此时电动机5通过减速齿轮、滚珠丝杠副6带动运动部件（主轴头）7作垂直上下运动。当电动机断电时，电磁线圈2也同时断电，在弹簧3的作用下摩擦离合器4压紧制动轮，使滚珠丝杠不能自由转动，从而防止运动部件因自重而下降。

7）滚珠丝杠副的密封与润滑

滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度，延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。防护套示例如图6.27所示。

图6.26　电磁—摩擦制动装置

1—铁芯；2—电磁线圈；3—弹簧；4—摩擦离合器；5—电动机；6—滚珠丝杠副；7—主轴头

图6.27　防护套示例

1—螺旋弹簧钢带式伸缩套管；2—波纹管密封套

8）滚珠丝杠副的选择方法

①滚珠丝杠副结构的选择

根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时（如垂直运动），可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。

②滚珠丝杠副结构尺寸的选择

选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的公称直径d0和基本导程Ph。公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度l1在允许的情况下要尽量短，一般取l1/d0小于30为宜；基本导程Ph（或螺距t）应按承载能力、传动精度及传动速度选取，导程Ph大承载能力也大，导程Ph小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。

③滚珠丝杠副的选择步骤

在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件：最大的工作载荷Fmax（或平均工作载荷Fcp）（N）作用下的使用寿命T（h）、丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）l（mm）、丝杠的转速n（或平均转速ncp）（r/min）、滚道的硬度HRC及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。

a.承载能力选择。计算作用于丝杠轴向最大动载荷FQ（N），然后根据FQ值选择丝杠副的型号。

式中　L——滚珠丝杠寿命系数（单位为106转，如1.5则为150万转），L=60nT/106（其中T为使用寿命时间，h），普通机械为5 000～10 000、数控机床及其他机电一体化设备及仪器装置为15 000，航空机械为1 000；

fW——载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.0～1.2，中等冲击为1.2～1.5，较大冲击或震动时为1.5～2.5）；

fH——硬度系数（HRC≥58时为1.0，等于55时为1.11，等于52.5时为1.35，等于50时为1.56，等于45为2.40）。

b.压杆稳定性核算

式中　Fk——实际承受载荷的能力，N；

fk——压杆稳定支承系数（双推—双推式为4，单推—单推式为1，双推—简支式为2，双推—自由式为0.25）；

E——钢的弹性模量，2.1×105 MPa；

I——滚珠丝杠底径d2的抗弯截面惯性矩，I=π/64；

K——压杆稳定安全系数，一般取2.5～4，垂直安装时取小值。

如果Fk＜Fmax时，会使丝杠失去稳定易发生翘曲。两端装推力轴承与向心轴承时，丝杠一般不会发生失稳现象。

对于低速运转（n＜10 r/min）的滚珠丝杠，无须计算其最大动载荷FQ值，而只考虑其最大静负载是否充分大于最大工作负载Fmax。这是因为若最大接触应力超过材料的弹性极限就要产生塑形变形。塑形变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径Dw的1/10 000，产生这样大的塑性变形的载荷称为最大静载荷FQ0。

c.刚度验算。滚珠丝杠在轴向力的作用下，将产生伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的变形量。其验算公式如下：滚珠丝杠在工作负载F和扭矩T共同作用下，所引起的每一导程的变形量ΔL（cm）为

式中　E——钢的弹性模量，2×105 MPa；

A——丝杠的最小截面积，cm2；

T——扭矩，N·cm；

I——丝杠底径d2的抗弯截面惯性矩；

“+”号用于拉伸时，“-”号用于压缩时。

在丝杠副精度标准中一般规定每一米弹性变形所允许的基本导程误差值。