直线传动关键部件“丝杠”概述

(一)丝杠的分类

丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动副零件。丝杠不仅要能准确传递运动,而且要能传递一定动力,所以在精度、强度以及耐磨性方面都有一定的要求,所以丝杠的加工从毛坯到成品的每道工序都要周密考虑,以提高加工精度。
丝杠按其摩擦特性可分为三类:滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。
滑动丝杠结构简单、制造方便,在机床上应用广泛。滑动丝杠的牙型多为梯形,这种牙型比三角形牙型具有传动性能好、精度高、加工方便等优点。
滚动丝杠又分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。
静压丝杠有许多优点,常被用于精密机床和数控机床的进给机构中,其螺纹牙型与标准梯形螺纹牙形相同,目的在于获得良好油封及提高承载能力。但是调整比较麻烦,需要一套液压系统,工艺复杂、成本较高。

(二)丝杠的特点和结构

1. 滚珠丝杠

滚珠丝杠的特点为:

  • 摩擦损失小、传动效率高。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的传动效率。相比滑动丝杠副,驱动力矩降低到三分之一以下。
  • 精度高。滚珠丝杠副一般是用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、湿度进行严格控制,精度能得到充分保证。
  • 快速进给和微进给。滚珠丝杠副由于利用滚珠运动,启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证快速进给和精确的微进给。
  • 轴向刚度高。滚珠丝杠副可以施加预压,预压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性。
    滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器和防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化为直线运动,其重要意义是将轴承从滑动运动变成滚动运动,具有很小阻力。
    直线传动关键部件“丝杠”概述_第1张图片

上图是滚珠丝杠副,其由滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠组成。滚珠丝杠由螺纹部分、支承轴颈等组成。滚珠螺母由滚珠螺母体、滚珠循环装置、密封件、润滑剂、顶紧元件等组成。滚珠由负载滚珠、间隔滚珠等组成。滚珠有内外两种循环方式。

2. 行星滚柱丝杠

滚柱丝杠是一种相对昂贵的驱动器,比滚珠丝杠贵一个数量级,可适用于高精度、高速、重型、耐用的应用场景。其原理类似滚珠丝杠,将滚子代替滚珠用作螺母和丝杠之间的载荷传递元件,滚子通常带有螺纹。在给定的体积内,滚柱丝杠比滚珠丝杠拥有更多立足点,在给定额定载荷下,滚柱丝杠可以更紧凑。滚柱丝杠在定位精度、额定载荷、刚度、速度、加速度和使用寿命方面优于滚珠丝杠。
行星滚柱丝杠的结构为:在主螺纹丝杠周围,行星布置了6到12个螺纹滚柱丝杠,滚柱螺母内使用的是小螺纹滚柱与主丝杠相互啮合,这时的螺母结构类似行星齿轮箱。众多的接触点使行星滚柱丝杠的承载能力非常强。
直线传动关键部件“丝杠”概述_第2张图片直线传动关键部件“丝杠”概述_第3张图片

行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的结构相似,区别在于行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱,是典型的线接触;而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠,是点接触。主要优势是有众多的接触点来支撑负载,能够提供高于滚珠丝杠的额定动载和静载,螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触线迅速释放,从而能有更高的抗冲击能力。
行星滚柱丝杠又可分为标准式、反向式、循环式和差动式四种。
标准行星滚珠丝杠也称为非循环滚柱丝杠,其滚柱相对于螺母没有轴向运动,且滚柱与螺母啮合。螺母组件包括定位和引导滚子的垫圈和齿轮,在环形齿轮内旋转的间隔环具有等距孔,用作滚子的光滑枢轴端的旋转轴承。
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反向滚柱丝杠的滚柱相对于丝杠没有轴向运动,其工作原理与标准滚柱丝杠相同,只是螺母和螺钉的功能相对滚柱相反。滚子在螺母内轴向移动,螺母被拉长以允许传动轴的全行程。反向滚柱丝杠的螺母既可以作为传力部件又可作为电机的转子,一体化、小型化程度高,是真正意义上的一体化机电作动器。特斯拉Optimus的直线关节采用反式行星滚柱丝杠,满足高承载、小型化需求。
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循环式滚柱丝杠的滚柱在螺母内轴向移动,直到绕杠丝旋转一圈后返回原来的位置。循环式滚柱杠丝不使用齿轮,而是使用带凹槽的再循环滚轮。再循环滚轮会随着螺母和螺纹啮合的旋转而轴向移动,在完成绕螺钉一圈后向上或向下移动一个螺距。螺母组件通常包括开槽保持架和凸轮环。保持架将滚子固定在滚子之间均匀间隔的细长槽中,从而提供滚子的旋转和轴向运动。
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差动式滚柱丝杠相比标准行星滚柱丝杠具有更紧凑的结构,在相同体积和质量下可承受更高的载荷,具有更高的输入转速和更小的导程。其结构如下图所示,差动式滚柱丝杠通过滚柱大直径段与丝杠螺纹的啮合和小直径段与螺母环槽的啮合来传递运动。
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3. 静压丝杠

静压丝杠是一种利用液体静压原理实现运动传动的装置,广泛应用于各种机械设备中。静压丝杠由丝杠和螺母组成,丝杠为外螺纹,螺母为内螺纹。在丝杠上施加一个力,螺母就会沿丝杠轴向移动。但是,由于螺母与丝杠之间的摩擦力较大,需要较大的力才能使螺母运动。为了减小摩擦力,静压丝杠引入了液体静压原理。
液体静压原理是指利用液体在封闭空间内产生的静压力来传递和控制力的一种原理。在静压丝杠中,将液体加压送入丝杠的螺纹间隙中,液体的静压力会使螺母和丝杠分离,减小了螺纹间的摩擦力,降低推动螺母所需的力。
具体来说,当液体通过油管进入丝杠的螺纹间隙,液体的压力会使液体在螺纹间形成一个薄膜,这个薄膜承受着液体的静压力。静压力产生的作用力垂直于螺纹面,并且分布均匀。当螺母受到外力作用,向丝杠轴向移动时,液体薄膜的面积会发生变化,从而改变了液体静压力的大小。
根据帕斯卡定律,液体在静压状态下的压力是均匀分布的,因此,在静压丝杠中,液体静压力会均匀作用在螺纹的每一个点上,将外力均匀地传递给螺纹和丝杠。这样,即使在高负载情况下,螺纹和丝杠之间的摩擦力也能得到有效的减小,从而降低了推动螺母所需的力,并提高了传动效率。
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静压丝杠的摩擦力和速度成正比,低速时几乎为零,且静压丝杠极佳的减震性能完全消除了滚动丝杠具有的振动和噪音。因此,静压丝杠更适合于需要较高进给推力以及具有频繁振动负载的场合。

(三)行星滚柱丝杠的生产难度

丝杠材料为合金结构钢42CrMo,螺母和滚珠材料为高碳铬轴承钢,材料壁垒不高。
螺纹滚柱是传动的关键部分,成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝杠的性能。当行星滚柱丝杠传动机构工作时,多个螺纹滚柱共同承受载荷,避免任何一个螺纹滚柱因承载过大而造成损伤失效。在行星螺纹滚柱中,中间的螺纹部分的主要工作是传递载荷,齿轮部分和螺母内部的固定齿圈相啮合。
行星滚柱丝杠主要有形变误差、制造误差、安装误差等,制造工艺对减小误差十分关键。其中制造环节包括螺纹螺距、螺纹牙型、齿轮齿距、齿轮齿廓、制造偏心等误差,对制造提出了非常高的精度要求。
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行星滚柱丝杠传动系统的能量损失主要来源于其关键部件的摩擦阻力。主要包括角接触轴承接触摩擦、丝杠与滚柱侧螺纹啮合摩擦、滚柱与螺母侧螺纹啮合摩擦、滚柱齿与内齿圈摩擦以及保持架和滚珠、螺母间的转动摩擦损失。
行星滚柱丝杠螺纹的加工精度直接影响系统的传动精度、使用寿命、平稳性。行星滚柱丝杠螺纹是由特定参数设计而成,制造工艺主要为成型加工,如旋风铣削、磨削加工、硬态车削、滚压成型等。

(四)行星滚动丝杠行业情况

恒力液压2021年定增布局线性驱动器,兼具滚珠丝杠与行星滚柱丝杠。
秦川机床滚珠丝杠已经量产,且具有生产滚柱丝杠制造设备的能力。
鼎智科技微型行星滚柱丝杆里程碑式达成,线性执行器市占率全球第二,仅次于美国海顿科克。
贝斯特,特斯拉汽车供应商,已布局高精度滚珠丝杠。
长盛轴承,特斯拉二级供应商,具备人形机器人滚珠丝杠生产能力。

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