絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動機(jī)構(gòu)。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本�運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；也有以傳遞運動為主的如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠)；還有調(diào)整零件之問相對位置的螺旋傳動機(jī)構(gòu)等。
絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動摩擦機(jī)構(gòu)和滾動摩擦機(jī)構(gòu)之分。滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％～40％)。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，不能自鎖，但其****優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％～98％)，精度高，系統(tǒng)剛度好，運動具有可逆性，使用壽命長，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應(yīng)用。本節(jié)主要介紹滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)。
1．工作原理如圖2—1所示，絲杠4和螺母1的螺紋滾道間置有滾珠2，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，滾珠2沿螺紋滾道滾動，則絲杠與螺母之間相對運動時產(chǎn)生滾動摩擦，為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置3，如圖2一la所示的反向器和圖2—1b所示的擋珠器，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。
2．傳動形式根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況，其基本傳動形式有如圖2—2所示的四種類型。
(1)螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動如圖2—2a所示，該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結(jié)構(gòu)較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不宜太長，否則剛性較差。因此只適用于行程較小的場合。
(2)絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動如圖2-2b所示，該傳動形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，絲杠剛性較好。適用于工作行程較大的場合。
(3)螺母轉(zhuǎn)動、絲杠移動如圖2_2c所示，該傳動形式需要限制螺母移動和絲杠的轉(zhuǎn)動，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。
(4)絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動如圖2—2d所示，該傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下使用極不方便，故很少應(yīng)用。
此外，還有差動傳動方式，其傳動原理如圖2_3所示。該方式的絲杠上有基本導(dǎo)程(或螺距)不同的(如L01、L02)兩段螺紋，其旋向相同。當(dāng)絲杠2轉(zhuǎn)動時，可動螺母1的移動距離s=n(L01-L02)(n為絲杠轉(zhuǎn)速)，如果兩基本導(dǎo)程的大小相差較少，則可獲得較小的位移s。因此，這種傳動方式多用于各種微動機(jī)構(gòu)中。
3．結(jié)構(gòu)類型
(1)螺紋滾道截面形狀我國生產(chǎn)的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧型和雙圓弧型，如圖2—4所示。滾道型面與滾珠接觸點的法線同絲杠軸向的垂線間的夾角α稱為接觸角， 般為45°。單圓弧型的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，這主要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而定。α大時，傳動效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。由于單圓弧型滾道加工用砂輪成形較簡單，故容易得到較高的加工精度。單圓弧型面的滾道圓弧半徑R應(yīng)稍大于滾珠半徑rb
雙圓弧滾道其接觸角α在工作過程中基本保持不變，故效率、承載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定。滾道底部與滾珠不接觸，其空隙可存儲一定的潤滑油和臟物，以減小摩擦和磨損。
但磨削滾道砂輪修正、加工和檢驗都比較困難。
滾道的半徑R與滾珠半徑rb的比值對承載能力有很大的影響，我國采用R／rb為1．04和1 11兩種。
(2)滾珠的循環(huán)方式
1)內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸，如圖2—1a所示。在螺母1的側(cè)面孔內(nèi)裝有接通相鄰滾道的反向器3，利用反向器引導(dǎo)滾珠2越過絲杠4的螺旋頂部進(jìn)入相鄰滾道，形成一個循環(huán)回路。一般在同一螺母上裝有2～4個滾珠用反向器，并沿螺母圓周均勻分布。內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點是滾珠循環(huán)的回路短，流暢性好，效率高，螺母的徑向尺寸也較小。其缺點是反向器加工困難，裝配、調(diào)試也不方便。
浮動式反向器的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副如圖2—5所示。其結(jié)構(gòu)特點是反向器1與滾珠螺母上的安裝孔有O．0l～0．015mm的配合間隙，反向器弧面上加工有圓弧槽，槽內(nèi)安裝拱形片簧4，外有彈簧套2，借助拱形片簧的彈力，始終給反向器一個徑向推力，使位于回珠圓 弧槽內(nèi)的滾珠與絲杠3表面保持一定的壓力，從而使槽內(nèi)滾珠代替了定位鍵而對反向器起到自定位作用。這種反向器的優(yōu)點是：在高頻浮動中達(dá)到回珠圓弧槽進(jìn)出口的自動對接，通道流暢，摩擦特性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進(jìn)給系統(tǒng)。
2)外循環(huán)。滾珠在循環(huán)返向時，有一段脫離絲杠螺旋滾道，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運動。按結(jié)構(gòu)形式可分為螺旋槽式、插管式和端蓋式三種。
�、俾菪凼健Ｈ鐖D2—6所示，在螺母2的外圓柱表面上銑出螺旋凹槽，槽的兩端鉆出兩個通孔與螺旋滾遭相切，螺旋滾道內(nèi)裝入兩個擋珠器4引導(dǎo)滾珠3通過這兩個孔，同時用套筒l蓋住凹槽，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路。這種結(jié)構(gòu)的特點是工藝簡單，徑向尺寸小，易于制造，但是擋珠器剛性差，易磨損。
�、诓骞苁�。如圖2_7所示，用一彎管l代替螺旋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋滾道5相切的兩個內(nèi)孔，用彎管的端部引導(dǎo)滾珠4進(jìn)入彎管，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路，再用壓板2和螺釘將彎管固定。插管式結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，但是徑向尺寸較大，彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。
�、鄱松w式。如圖2—8所示，在螺母1上鉆出縱向孔作為滾子回程滾道，螺母兩端裝有兩塊扇形蓋板或套筒2，滾珠的回程道口就在蓋板上。滾道半徑為滾珠直徑的1．4～1．6倍。
這種方式結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易準(zhǔn)確制作而影響其性能，故應(yīng)習(xí)較少。常以單螺母形式用做升降傳動機(jī)構(gòu)。
4．主要尺寸參數(shù)如圖2—9所示，滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)有：
公稱直徑d0：指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡(luò)滾珠球心的凰柱直徑，它是滾珠絲杠副的特征尺寸。
基本導(dǎo)程LO(或螺距t)：指絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)2π弧度時，螺母上基準(zhǔn)點的軸向位移。
行程l：指絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準(zhǔn)點的軸向位移。
此外還有絲杠螺紋大徑d1絲杠螺紋小徑d1、滾珠直徑db螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1、絲杠螺紋全長ls等。
基本導(dǎo)程的大小應(yīng)根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度要求確定。精度要求高時應(yīng)選取較小的基本導(dǎo)程。滾珠的工作圈(或列)數(shù)和工作滾珠的數(shù)量Ⅳ由試驗可知：
第一、第二和第三圈(或列)分別承受軸向載荷的50％、30％和20％左右。因此，工作圈(或列)數(shù)一般取2．5(或2)～3．5(或3)。滾珠總數(shù)Ⅳ一般不超過150個。
5．軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊
滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向傳動精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時在滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。
目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá)O．05mm，而雙螺母式經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙。應(yīng)用該方法消除軸向問隙時應(yīng)注意以下兩點：
1)預(yù)緊力大小必須合適，禁忌過小或過大。過小不能保證無隙傳動，過大將使驅(qū)動力矩增大，效率降低，壽命縮短。預(yù)緊力禁忌超過****軸向負(fù)載的l／3。
2)要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無法消除的，而它對傳動精度有直接影響。
常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式有三種：
(1)墊片調(diào)隙式如圖2一lO所示，用螺釘連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生微量的軸向位移，以達(dá)到消除軸向間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。該形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，應(yīng)用廣泛，但不很準(zhǔn)確，并且當(dāng)滾道磨損時不能隨意調(diào)整，除非更換墊圈。
故適用于一般精度的傳動機(jī)構(gòu)。
(2)螺紋調(diào)隙式 如圖2一11所示，
雙螺母中的一個外端有凸緣；一個外端無凸緣但制有螺紋，它伸出套筒外，用兩個圓螺母固定鎖緊，并用鍵來防止兩螺母相對轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)圓螺母可調(diào)整消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，之后再用鎖緊螺母鎖緊。該種形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，缺點是不很精確。
(3)齒差調(diào)隙式 如圖2—12所示，在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪(齒數(shù)為z1、z2，且z2一x1=1)分別與內(nèi)齒圈嚙合，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調(diào)整時，先取下兩端的內(nèi)齒圈，使兩螺母產(chǎn)生相對角位移，相應(yīng)地產(chǎn)生軸向的相對位移，從而使兩螺母中的滾珠分別緊貼在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上，然后將內(nèi)齒圈復(fù)位固定，故而達(dá)到消除間隙，產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。當(dāng)兩個螺母按同方向轉(zhuǎn)過一個齒時，所產(chǎn)生的相對軸向位移為
式中，P為導(dǎo)程。若：x1=99，z2=100，P=6mm，則△s=0.6μm度很高，工作可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性能較差。
6．支承方式與制動(1)支承方式為了保證滾珠絲杠副傳動的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用高剛度、小摩擦力矩、高運轉(zhuǎn)精度的軸承，并保證支承座有足夠的剛度。滾珠絲杠副的支承按其限制絲杠軸的軸向竄動情況，分為三種形式，如表2—1所示。
(2)制動裝置由于滾珠絲杠副的傳動效率高，又無自鎖能力，故需安裝制動裝置以滿足其傳動要求，特別是當(dāng)其處于垂直傳動時。圖2—13所示為數(shù)控臥式銑鏜床主軸箱進(jìn)給絲杠的制動裝置示意圖。
當(dāng)機(jī)床工作時，電磁鐵線圈4通電吸住壓簧3，打開摩擦離合器5。此時步進(jìn)電動機(jī)1接受指令脈沖，將旋轉(zhuǎn)運動通過減速齒輪2傳動、滾珠絲杠6旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為主軸箱7垂直方向的移動。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)l停止轉(zhuǎn)動時，電磁鐵線圈也同時斷電，在壓簧3作用下摩擦離合器5被壓緊，使?jié)L珠絲杠不能自由轉(zhuǎn)動，則主軸箱就不會因自重而下滑了。
7．潤滑和密封
(1)潤滑 潤滑劑可提高滾珠絲杠副的耐磨性和傳動效率。潤滑劑分為潤滑油、潤滑脂兩大類。潤滑油為一般機(jī)油或90～180號透平油或140號主軸油，可通過螺母上的油孔將其注入螺紋滾道；潤滑脂可采用鋰基油脂，它加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)。
(2)密封滾珠絲杠副在使用時常采用一些密封裝置進(jìn)行防護(hù)，為防止雜質(zhì)和水進(jìn)入絲杠(否則會增加摩擦或造成損壞)，對于預(yù)計會帶進(jìn)雜質(zhì)之處按圖2—14所示使用波紋管(右側(cè))或伸縮罩(左側(cè))，以完全蓋住絲杠軸。對于螺母，應(yīng)在其兩端進(jìn)行密封，如圖2—15所示，密封防護(hù)材料必須具有防腐蝕和耐油性能。
8．精度等級
滾珠絲杠螺母副的精度分成CO、C1、c2、C3、C5、C7、C8等7個等級，****精度為c0級，****精度為c8級。系統(tǒng)設(shè)計時可參考相應(yīng)的產(chǎn)品說明書進(jìn)行標(biāo)注。[摘自《直線運動系統(tǒng)產(chǎn)品說明書}THK(日本東京)]
9．滾珠絲杠副的設(shè)計計算
設(shè)計滾珠絲杠副時，已知條件是：工作載荷F(N)或平均工作載荷F。(N)，使用壽命Lh(h)，絲杠的工作長度(或螺母的有效行程)L(m)，絲杠的轉(zhuǎn)速n(平均轉(zhuǎn)速nm或****轉(zhuǎn)速n…)(r／min)，以及滾道硬度HRC和運轉(zhuǎn)情況。設(shè)計步驟及方法如下：
1)計算載荷F。(N)的計算Fc=KFKHKAFM (2—2)
式中，KF為載荷系數(shù)；KH為硬度系數(shù)；KA為精度系數(shù)；FM為平均工作載荷。各項參數(shù)按表2—2選取。
4)驗算傳動效率、剛度及工作平穩(wěn)性是否滿足要求，不能滿足要求的禁忌使用，應(yīng)另選其他規(guī)格并需重新驗算。
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