滚珠丝杠摩擦力矩影响因素的正交分析.pdf

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1、精密制造与自动化2015年第4期◇◇2试验与研究{滚珠丝杠摩擦力矩影响因素的正交分析术许胜姚振强王洪雨董军沈洪(1．上海交通大学机械与动力工程学院上海200240；2．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240)摘要滚珠丝杠螺母副是一种高效的传动装置，具有驱动力小、传动精度高、高速进给等特点，可实现直线运动与旋转运动互相转换，广泛应用于数控机床、精密仪器、航空航天等行业。摩擦力矩是滚珠丝杠的重要性能参数，直接影响丝杠的运行温度、磨损和振动噪声等。通过正交实验方法对影响滚珠丝杠摩擦力矩的因素：适应度、轨道粗糙度、接触角等进行探究，确定各因素对摩擦性能影响的强弱顺序。结

2、果显示多数实验条件下适应度对于摩擦力矩的影响显著。三者主次关系的确定可为滚珠丝杠的生产、设计提供一定的参考。关键词滚珠丝杠摩擦力矩正交实验适应度轨道粗糙度接触角滚珠丝杠能够实现直线运动与旋转运动的相互1影响因素的选择转换，主要组成部分包括滚珠、螺杆、螺母和循环正交实验设计是一种科学的安排与分析多因素系统。由于滚珠丝杠具有高精度、高刚性、高效率实验的方法。它的主要优点是能在众多实验方案中和运行平稳等特点，使得它在精密机床、仪器仪表挑选出代表性强的少数实验方案，并通过对这少数和航空航天领域得到了广泛的应用。作为精密数控实验方案的结果分析，推断出最优方案，同时还可机床的驱动装置，它的摩

3、擦特性及后续影响(摩擦以作进一步分析，得到比实验结果本身给出的还要生热和摩擦磨损)对设备的性能具有重要影响。多的相关因子的信息。利用正交实验设计，可以使摩擦造成的温升将导致润滑剂恶化和机床精度实验的次数大为减小，分析结果也更为显著。滚珠下降；过大的摩擦力导致磨损加剧，甚至是接触丝杠摩擦力矩的影响因素众多：滚珠适应度、滚道表面烧伤。影响滚珠丝杠摩擦力的因素众多，包粗糙度、接触角、丝杠副材料、润滑状态、外部载括滚珠适应度、滚道粗糙度、接触角、螺旋升角、荷和滚珠循环方式等。正交实验方法的采用，将能承受载荷和润滑条件等。国内外学者采用理论和实够大幅减少摩擦力矩研究所需的工作量。本文旨在验

4、的方法对上述因素进行了大量的研究，但主要工考察滚珠丝杠设计参数(接触角、滚珠适应度、滚作是对单因素的深入理论分析，例如螺旋升角与摩道粗糙度)对滚珠丝杠摩擦力矩的影响。擦力矩之间的映射规律、接触角与载荷分布和摩1．1滚珠适应度擦力矩的映射规律等，无法揭示不同影响因素对图1(a)展示了滚珠丝杠剖视示意图，螺母与摩擦力矩影响的相对强弱关系。本文通过正交实验丝杠轴不直接接触，两者之间通过滚珠实现运动和设计，讨论部分因素对摩擦力矩的影响规律，揭示载荷的传递。与传统滑动丝杠副相比，摩擦力明显各因素对摩擦力矩影响的相对强弱顺序，从而更加降低。图1(b)为单颗滚珠与滚道接触示意图，滚有效的掌握摩

5、擦力矩的控制方法，为滚珠丝杠的设珠丝杠的适应度定义为滚道曲率半径与滚珠半径比计提供参考。值的一半，该参数为滚珠丝杠设计中的重要参数。适应度接近0．5代表滚珠半径接近滚道曲率半径，国家重大专项资助项目：接触状况好，承载能力大，应力小。传统资料手册滚动功能部件滚动摩擦机理及发热规律研究通常取值为0．54和0．56，因此，本正交实验将上述编号：2012ZX04002—012—02两个数值作为适应度因素的两种水平。精密制造与自动化2015年第4期表1实验因素及其水平因素A：接触角B；适应度(滚道曲率比)c：粗糙度(1am)水平145。0．54O．8水平239。O56042测试原理滚珠丝杠

6、的运动方式包括：螺母移动和丝杠轴移动两种方式。本文的摩擦力矩测试过程采用丝杠轴旋转，螺母直线移动的运动方式。由于滚珠丝杠的丝杠轴一滚珠一螺母之间存在摩擦，螺母在无外界干涉的运动条件下，螺母将随着丝杠轴做旋转运动，相对于丝杠轴轴线方向不发生移动。螺母旋转(b)的驱动力为滚珠丝杠的摩擦力矩，通过传感器干涉图1滚珠丝杠结构和接触角示意图螺母的旋转运动，形成阻力矩，使螺母在圆周方向保持静止，如图2所示。根据牛顿第一定律，圆周1．2接触角方向驱动力矩等于阻力矩，即：滚珠丝杠“接触角”的定义为：在螺纹滚道法向F×h=Y×r(1)剖面内，滚珠中心与滚道接触点的连线和螺纹滚道其中F为阻止螺母旋转

7、的力，通过力学传感器轴线的垂线问的夹角，如图1(b)中o(所示。根据获得；y为螺母一滚珠一丝杠之间的摩擦力，方向理论分析，接触角对滚道和滚珠的载荷分配、摩擦为丝杠轴外表面的圆周方向；r为丝杠轴半径：h以及轴向的弹性变形具有重要影响。接触角通过对为阻力作用点和丝杠轴中心线之间的距离。根据本上述因素的直接影响，间接的决定着滚珠丝杠的最文中测试机构的实际参数，上述公式可明确为佳机械效率。接触角越大滚珠丝杠承载能力和刚度Y=F×h÷r=4．5×F。越大，传动效率越高。本文根据工程实际情况