滾珠絲桿通常用于需要精密定位的場合。高的機械效率、低的傳動扭矩和軸向游隙幾乎為零, 使得滾珠絲桿成為刀具定位和飛機副翼驅(qū)動這類應(yīng)用中的重要裝置。然而, 阻力和由連續(xù)工作產(chǎn)生的熱量可能引起很大的摩擦力和定位誤差。
在滾珠絲桿里增加摩擦的設(shè)計因素也增加扭矩, 并且反過來影響定位精度。滾珠被壓緊在滾珠絲桿螺母和絲桿軸之間時, 產(chǎn)生的楔效應(yīng)是一個潛在的摩擦源。在正轉(zhuǎn)的時候, 滾珠通常對著螺母擠壓; 反轉(zhuǎn)時,滾珠對著絲桿軸擠壓。由于滑動摩擦系數(shù)比滾動摩擦系數(shù)大得多( 沒動0.1～0.3;滾動0.001～0.003) ,楔效應(yīng)大大增加了扭矩。
當(dāng)滾珠絲桿軸在固定的角度內(nèi)振動時, 擠壓引起的扭矩特別麻煩。這種運動會引起振動扭矩, 既使用極精密的零件也很難完全消除。然而, 通過采用歌德式拱形而不采用圓弧形的滾珠溝槽或通過降低滾珠絲桿的剛度, 可以把這種扭矩減到最小量。歌德式拱形具有較深的流通性較好的V 形截面。
當(dāng)兩個滾珠絲杠螺母一起使用時, 通常用墊片隔開, 預(yù)緊力由墊片厚度確定。通過用蝶形彈簧代替實心墊片, 可以減小滾珠絲桿的扭矩, 這種彈簧允許有軸向變形從而減少了擠壓。另一個主要的阻力源, 即相鄰滾珠間的摩擦力, 可以通過拿掉幾個滾珠或用隔離滾珠( 即有間隙的滾珠) 代替其中某些滾珠的方法來減少。采用這些方法, 摩擦產(chǎn)生的扭矩最多可減少30%。在降低滾珠及其滾道之間的摩擦力方面,同樣的方法也是有效的。
為了最大限度地減少摩擦力, 隔離滾珠和承載滾珠應(yīng)該相互交替。但是, 某些負(fù)載和剛度要求可能需要每三個承載滾珠用一個隔離滾珠。直徑比承載滾珠稍小的隔離滾珠起惰輪的作用, 他們沿和承載滾珠相反的方向旋轉(zhuǎn), 并且減少接觸摩擦。采用隔離滾珠或減少承載滾珠數(shù)目的一個不利的后果是降低了滾珠絲桿的承載能力, 這必須通過減少工作負(fù)載或增大滾珠絲桿尺寸來補償。
潤滑引起的阻力也會增大摩擦扭矩, 尤其是在高速時, 大多數(shù)滾珠絲桿是在遠(yuǎn)低于5 米/ 分的速度下使用。然而, 現(xiàn)代機床要求的速度大于10 米/ 分, 有些系統(tǒng)應(yīng)用的速度高達(dá)30 米/ 分。產(chǎn)生最小阻力的潤滑劑類型由滾珠絲桿軸向旋轉(zhuǎn)速度確定。一般說來, 轉(zhuǎn)速在500轉(zhuǎn)/ 分以下或移動速度為3 米/ 分時, 用油脂潤滑最好。在這種較低的速度下主要是邊界潤滑。轉(zhuǎn)速超過500轉(zhuǎn)/ 分, 主要是油體薄膜潤滑, 油是最好的潤滑劑。
熱膨脹引起的定位精度降低不僅是由滾珠運動的摩擦熱造成的, 而且也是由諸如液壓流體、電動機、齒輪箱之類因素的機械運轉(zhuǎn)熱所造成的。如果在導(dǎo)軌或床身上產(chǎn)生了變形, 即使能夠防止?jié)L珠絲桿的溫升, 也不可能獲得高的精度。在分析精度的時候, 來自所有這樣的熱源的熱都必須加以考慮。
在計算由滾珠絲桿本身產(chǎn)生的熱量時, 高的工作負(fù)載是一個最大的潛在原因。通常, 工作負(fù)載大約是滾珠絲桿頂緊力的3 倍。更大的負(fù)載必須通過增大所用的滾珠絲桿裝置的尺寸或通過更大的潤滑劑冷卻能力來補償。補償熱膨脹的一種方法是對滾珠絲桿施加一種預(yù)緊力。這是通過把絲桿軸加工成負(fù)公差尺寸來實現(xiàn)的。用這種方法使螺矩稍微縮短, 在裝配時使?jié)L珠絲杠螺母受到壓縮。在工作溫度下絲桿膨脹裝置就正常工作。
在溫度極高的情況下, 可將單獨的冷卻系統(tǒng)裝進滾珠絲桿, 將空氣或油霧噴在絲桿軸上。通常, 空氣冷卻更為有效, 并且不會象那樣損耗。冷卻也可以通過使壓力水通過空心軸滾珠絲桿的方法來進行,采用這樣的系統(tǒng), 滾珠絲桿的溫度幾乎不會升高。
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