毕业设计论文基于行星滚柱丝杆副的电动加载机构设计含

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1、 题 目 基于行星滚柱丝杆副的电动加载机构设计专 业 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 完成日期 2015年5月 摘 要行星滚柱丝杠是一种可以将旋转运动与直线运动相互转化的机械传动装置，用滚珠作为中间传动体，用滚动摩擦取代滑动摩擦，这种传动方式与滚柱丝杆类似。行星滚柱丝杠作为一种新型的传动装置，具有摩擦小、效率高、寿命长、体积小、承载能力强等特点。随着未来飞行器和武器装备全电化的发展趋势以及石油、化工、机床等对大推力、高精度、高频响、长寿命直线作动装置的需求。近年来行星滚柱丝杠副成为国内外研究热点。对行星滚柱丝杠副的基本工作原理、现有5种结构形式的特点、应用领域及可能的失效模式进行了概述。

2、从结构设计、力学分析和产品生产三方面总结了国内外研究现状和发展趋势。在此基础上，提出了未来研究扣发展行星滚柱丝杠副的几个方向。关键词: 行星滚柱丝杠；传动装置；AbstractThe planetary roller screw is a mechanical transmission device can be transformed into each other rotary motion and linear motion, with the ball as an intermediate transmission body, sliding friction is replaced

3、by rolling friction, the drive and the ball screw is similar. As a new type of planetary roller screw transmission device, has the characteristics of small friction, high efficiency, long life, small volume, strong bearing capacity etc. With the development of the future trend of the all electric ve

4、hicles and weapons and equipment, petroleum and chemical industry, machine tool of high thrust, high precision, high frequency response, long-life linear actuator needs. In recent years, the planetary roller screw has become a hot research subject. The planetary roller screw is the basic working pri

5、nciple, the existing 5 kinds of structure features, application fields and the possible failure modes are summarized. From the structural design, mechanical analysis and production summed up the three aspects of the status quo and development trend in domestic and abroad. On this basis, put forward

6、several development directions of planetary roller screw on buckle.Key words：The planetary roller screw； transmission device;目录第1章 绪论11.1 传统丝杆概述11.2 新型行星滚柱丝杆研究21.3 现有技术条件21.4 产品现状2第2章 设计内容32.1 设计任务32.2 设计要求32.3 设计方案的构想3。第3章 设计实现。参考文献5致 谢。附录 图纸列表。第1章 绪论 行星滚柱丝杠是一种可以将旋转运动与直线运动相互转化的机械传动装置，用滚珠作为中间传动体，用滚动

7、摩擦取代滑动摩擦，这种传动方式与滚柱丝杆类似。行星滚柱丝杠作为一种新型的传动装置，具有摩擦小、效率高、寿命长、体积小、承载能力强等特点。行星滚柱丝杠按照结构的不同可以大致分为三类：标准型 、循环型 、轴承环型 。标准型行星滚柱丝杠主要传动装置有丝杠、螺母和螺纹滚柱，丝杠具有90牙型角的多头螺纹，螺母是和丝杠头数牙型角都相同的内螺纹，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，多个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，传动过程中滚柱既绕着丝杠轴线公转同时又绕自身轴线自转，丝杠和螺母分别与滚柱啮合，由于三者具有相同的牙型和螺旋升角，所以在啮合过程中可以保证丝杠及螺母与滚柱之间的纯滚动，并且确保螺母与滚柱没有轴向相对位移

8、。在螺纹滚柱的两端加工直齿，与带有内齿圈的端盖啮合，用以消除螺旋升角对滚柱产生的倾斜力矩，并使滚柱沿圆周方向相对位置固定，保证所有滚柱的轴线都与丝杠轴线平行。在标准型行星滚柱丝杠的基础上，根据不同性能要求进行修改形成了其他结构类型的行星滚柱丝杠。循环型行星滚柱丝杠的丝杠和螺母与标准型行星滚柱丝杠相同都是牙型角为90并且具有相同螺旋升角的多头螺纹，但是行星滚柱不再采用单头螺纹而是加工成没有螺旋升角的沟槽状结构，端盖的内齿圈被复位凸轮环取代，作用是使滚柱在完成一个循环后可以回到初始位置重新与丝杠啮合，作用与滚柱丝杆副中的滚珠返回装置相似，在螺母上加工有一个凹槽，当滚柱完成一个循环后被凸轮推入凹槽，

9、凹槽中的螺纹引导滚柱回到开始啮合的位置。这种改变使得滚柱的加工难度降低，这样就可以采用更小的螺纹导程，提高位置精度，并且有更多的接触点，增强了承载能力。在啮合过程中滚柱周期性的与丝杠接触分离，频繁的加载卸载，影响使用寿命，并且高速时凸轮结构会产生较大的振动和噪音。轴承环型行星滚柱丝杠的丝杠也是90牙型角的多头螺纹，滚柱与循环型行星滚柱丝杠相似采用同牙型的沟槽结构，而螺母不再与滚柱进行啮合，螺母通过轴承环与滚柱轴向固定，轴承环两端安装有推力轴承并与壳体固定。传动过程中动力由丝杠传至滚柱，滚柱通过轴承环和推力轴承将动力传至螺母和壳体上完成传动过程。与之前两种相比，这种结构方式最大程度的减小了摩擦，

10、提高了传动效率。1.1传统丝杆概述滚柱丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚柱丝杆是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力，滚柱丝杆被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚柱丝杆由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始

11、终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚柱丝杆副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种2。1） 外循环：外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。如图2-3所示，外循环滚柱丝杆螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。常用外循环方式端盖式；插管式；螺旋槽式。端盖式，在螺母上加工一纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构工艺

12、性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。外循环滚柱丝杆外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。2） 内循环：内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小

13、，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 图为端盖式循环，仅供参考。种类选择滚柱丝杆的螺母，根据钢球的循环方式可分为：弯管式、循环器式、端盖式。这三种循环方式的特长。弯管式（SBN、BNF、BNT、BNFN、BIF 和 BTK型）这些型号，搜索的到。循环式导片式（HBN型）这些型号是最典型的螺母，通过使用弯管让钢球经行循环。钢球从丝杆轴的沟槽中掬取进入弯管后，再回到沟槽中，做无限循环运动。循环器式（DK、DKN、DIK、JPF 和 DIR型）这些型号是最小型的螺母，通过循环器改变钢球的行进方向，越过丝杆轴外径回到原位，做无限循环运动。端盖

14、式（SBK、SDA、SBKH、WHF、BLK、WGF、BLW、WTF、CNF 和 BLR型）这些型号是最合适高速给进的螺母。钢球利用端盖，从丝杆轴的沟槽中被掬取到螺母的通孔里，通过通孔又回到沟槽中，做无限循环运动。1.2 新型行星滚柱丝杆研究 国内外的研究发展：行星滚柱丝杠最早由瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年发明，但至今仍未能广泛应用，这主要是由于其结构复杂、加工难度大和成本较高。目前主要应用在民用领域，如精密机床、食品包装、特种机械、测试仿真等；但随着飞行器和武器装备的发展以及石油、化工、机床等需要大推力、高精度、高频响、高效率、长寿命的机械装置作为机电作动系统

15、的执行机构，取代易污染、维护成本高的传统液压作动系统，行星滚柱丝杠受到了广泛的关注。1.理论研究方面国外已有多家公司具有制造多种行星滚柱丝杠的能力，美国已将行星滚柱丝杠用于机电作动系统的执行机构 ，但是对行星滚柱丝杠的结构设计的参数匹配等相关内容却没有文献报道。国内20世纪70年代开始研制滚柱丝杠对行星滚柱丝杠研究较少。赵英等 通过建立丝杠螺纹曲面和滚柱曲面方程，研究丝杠和滚柱之间的啮合关系，从而为机构参数的选择提供理论上的依据；靳谦忠等 根据标准型行星滚柱丝杠工作原理、运动特性及几何关系计算得出了参数匹配设计公式；杨家军 韦振兴 对行星滚柱丝杠载荷分布、刚度、轴向变形及摩擦等方面做了研究并进

16、行了参数优化分析。因为行星滚柱丝杠的结构形式和工作原理与滚柱丝杠相似，所以在研究过程中经常把滚柱等效成同半径的滚珠进行分析，但是滚柱丝杠是通过三角形螺纹进行啮合，这种等效的方法存在着一定的缺陷。虽然行星滚柱丝杠的结构设计和参数匹配相对确定，关于承载能力和寿命的计算公式也可以在厂家的产品目录中查找，但是从研究层面来说，对于行星滚柱丝杠的承载能力和寿命等的影响因素的研究较少，缺少对行星滚柱丝杠从外形参数到动态性能的理论研究和实验研究，这对行星滚柱丝杠的优化和深入发展有很大的限制。目前国内外对行星滚柱丝杠的研究还没有成熟的理论体系和系统的研究方法，这也限制了行星滚柱丝杠的广泛应用。2.产品制造方面瑞

17、士Rollvis 是世界上著名的行星滚柱丝杠专业生产厂家，市场占有率近40 ，其产品应用于航空航天、机床、武器装备、机器人等行业，丝杠直径从1 mm到150 mm，导程从0.1 mm到50 mm，速度最高达到2 ms，精度可达0.1 pm，而且能够加工各种非标准的丝杠螺母。此外，其他国家近年来也致力于行星滚柱丝杠的生产和研制，并推出了各自的产品型号。国内的一些企业具有行星滚柱丝杠制造能力，研制的行星滚柱丝杠具有承载能力强、抗冲击性和直线速度高等特点，但国内企业产品大多精度不能满足要求，其性能和寿命均远落后于国外产品。应用前景：行星滚柱丝杠诸多优点给其带来了广阔的应用前景。滚柱丝杠具有较高承载能

18、力和较快速度，除了可以代替梯形丝杠，滚柱丝杆外，在一定情况下可以代替气缸和液压缸的作用。其配置简单，不需要诸如阀门、泵、过滤器、传感器等复杂的配套系统。并且 其体积小，工作寿命长，维护简单，不存在液压缸的液体渗漏情况，噪音显著减小。滚柱丝杠传动机构可以应用于机械加工机床、检测设备、钣金加工机床和弯曲加工机床(替代滚珠轴承传动机构)、医药、激光加工机床制造、半导体和注塑机床制造业(替代液压油缸)等领域。高性能行星滚柱丝杠机构在舰艇的舱门开闭及推进装置、战斗机起落架及制动装置、导弹发射架、坦克火控系统、航天设备等领域也有很大的发挥空间。随着未来高速、高精度和大推力直线作动的发展需要，以及螺纹加工工

19、艺、制造水平和材料科学的发展，行星滚柱丝杠以其特有的结构特点和传动性能，适应了国内外的发展趋势，将会逐步取代其他类型丝杠传动，成为航空、航天、武器装备等军事领域和数控机床、食品包装等民用领域机械设备直线伺服系统的主要传动元件。因此，加快对行星滚柱丝杠的研制势在必行。1.3 现有技术条件1. 行星滚柱丝杠副的结构实际应用的行星滚柱丝杠副，螺纹丝杠一般为5或6头螺纹，滚柱数量为913个，行星滚柱丝杠副的组成如图1所示。丝杠5为多头螺纹，螺纹为三角形90齿形；螺母4为内螺纹，齿形参数及螺纹头数与丝杠相同；滚柱3（见图2）为单头螺纹，螺纹为圆弧凸齿形，滚柱两端加工有小模数外齿轮和圆柱光轴；两端小模数外

20、齿轮与内齿圈2啮合，确保滚柱之间保持轴向平行，内尺圈2与螺母4安装后固定为一体，圆柱光轴安装在保持架1均布加工的孔内，保证各滚柱之间等距离。2. 行星滚柱丝杠副工作原理电动机通过减速箱驱动主丝杠轴5转动，滚柱3围绕主丝杠5做行星运动，由于滚柱3与螺母4通过螺纹啮合，所以此时螺母4做轴向运动，这就实现了将主丝杠的旋转运动变为了螺母的轴向运动。在整个运动过程中，保持架1保证了滚柱在运动过程中始终沿圆周方向均布。内齿圈2与滚柱3外齿的啮合保证了滚柱在运转过程中不会发生轴向的偏斜，滚柱与滚柱在围绕主丝杠5做行星运动时始终保证轴线相互平行。滚柱的齿形为曲率半径较大的圆弧截面，与丝杠及螺母的接触为点接触（

21、见图3），这样在转动过程中滚柱就可以等效为众多的滚珠在运行，因此行星滚柱丝杠副的承载能力较传统的滚珠丝杠副有很大提高。3. 行星滚柱丝杠副与滚珠丝杠副性能对比（1）承载 由于滚柱齿形能加工出较大曲率半径的圆弧凸齿形，并且所有滚柱都参与工作，工作接触点多，所以行星滚柱丝杠副具有很高的承载能力。由赫兹定律我们可以计算出，在同等规格条件图1 行星滚柱丝杠副1.保持架 2.内齿圈 3.滚柱 4.螺母 5.主丝杠下，行星滚柱丝杠副的动态载荷约为滚珠丝杠副的3倍以上。（ 2 ） 速度与加速度 行星滚柱丝杠副的结构形式决定了滚柱不需要额外的循环装置，滚柱只需绕丝杠轴作旋转运动。这种特点使得行星滚柱丝杠副可以

22、达到传统滚珠丝杠副所不能达到的高速度和高加速度。目前，行星滚柱丝杠副已达到100m/s的直线运动速度和超过3.5g的加速度。（3）运行寿命 通常丝杠的寿命按行程或实际工作时间计算，在载荷为1t工作条件下，对于直径20mm、导程6mm同等规格的滚珠丝杠副和行星滚柱丝杠副，行星滚柱丝杠副的运行寿命约为滚珠丝杠副的15倍。（4）工作环境 一般滚珠丝杠副需要洁净和有润滑的工作环境，当外界杂质进入或润滑不良时，将影响滚珠丝杠副的正常工作。而行星滚柱丝杠副在较差的（如冰、脏或润滑差等）环境中，均能保持良好的性能。（5）噪声 对滚珠丝杠副和行星滚柱丝杠副进行各种对比测试，由于没有额外的滚柱循环装置，在同等工

23、作条件下行星滚柱丝杠副的噪声明显低于传统滚珠丝杠。在2 000r/min的转速条件下，直径32mm、导程20mm的滚珠丝杠副噪声为7278dB，而直径30mm、导程20mm规格的行星滚柱丝杠副噪声仅为68dB。（6）可靠性 由于独特的结构设计，使行星滚柱丝杠副有出色的抗冲击性，不必担心因循环结构损坏而造成的丝杠及螺母的损坏。同时其对粉尘等有害物质的敏感性差，其对行星滚柱丝杠副的传动影响很小。4. 行星滚柱丝杠副参数计算（1）动态载荷 载荷通过接触点由螺母传递到丝杠，接触点的形状和数量决定了行星滚柱丝杠副的动态承载能力。下面这一公式为动态载荷的计算公式（来自于滚动轴承的动态评级公式）Ca=fc（

24、cos ）0.86（ Z12/3Dw1.8tan （cos ）1/3Dw=(2.5P)d21/21/2式中，Ca为额定动载荷（N）；f c为和系统相关的一个因素； 为丝杠齿形半角，一般取45； Z1为有效接触点数量；Dw为滚柱圆弧凸齿形的曲率半径（mm）； 为螺旋升角；P为滚柱螺纹的导程（mm）；d为滚柱的公称直径（mm）。（2）理论寿命 行星滚柱丝杠副的理论寿命计算公式为L10=( Ca/Fm)3106式中，L10为理论寿命（r）；Fm为平均轴向负载（N）。（3）效率 行星滚柱丝杠副的效率取决于其工作条件，它在任何条件下都不会自锁，丝杠和螺母都可以作为主动件。因此，其效率有正效率（将旋转运动

25、转化为直线运动）和逆效率（将直线运动转化为旋转运动），其计算公式如下正效率： =1/(1+ cot )逆效率： =1 cot式中， 为效率； 为摩擦系数。（4）临界转速 行星滚柱丝杠副的临界转速公式为ncr=（490105f1d1）/L20式中，ncr为临界转速（r/min）；f1为支承系数；d 1为丝杠的外径（m m） ； L 0为丝杠支承距离（mm）。5. 行星滚柱丝杠副的应用由于行星滚柱丝杠副的结构特点，使其应用领域非常广泛。行星滚柱丝杠副能适应恶劣环境下的大负荷或高速运行工作场合的要求，多应用在注塑机设备、轧钢设备、金切设备的拉床和军事装备中。1.4 产品现状行星滚柱丝杠力学体系建立：

26、行星滚柱丝杠的结构参数较多，丝杠直径，滚柱直径，滚柱数量，螺纹导程等都对行星滚柱丝杠的传动性能有很大影响，并且参数匹配具有复杂性。例如：行星滚柱的数量越多那么将会有更多的接触点，也就是能够提高承载力，但是同时也意味着更大摩擦，同时增加行星滚柱数量也将改变作用在端盖上的倾斜力矩方向发生变化。同样的丝杠直径与滚柱直径的匹配，丝杠滚柱间的接触角等对行星滚柱丝杠传动性能的影响也需要建立力学体系进行研究。但是目前对于行星滚柱丝杠寿命、效率、承载能力的研究都是根据滚柱丝杆，滚动轴承的方法进行等效和类似，但是由于行星滚柱丝杠的传动是同时存在着滚动与啮合，受力情况更为复杂，这种等效和类似在一定的条件下可能无法

27、真实反映行星滚柱丝杠的力学特性。从啮合特性入手对行星滚柱丝杠的力学特性进行分析有着重要的意义，通过理论和实验和研究明确行星滚柱丝杠各种参数对传动性能的影响有助于建立科学的行星滚柱丝杠参数选择和结构设计体系。目前国内外都没有见到相关力学分析体系的建立 。行星滚柱修形问题：在齿轮设计制造过程中要对齿面进行修形，在齿面上修圆弧可以避免边缘接触，提高轮齿的啮合性能。行星滚柱丝杠同样存在这样的问题，由于制造和安装过程中的误差，在啮合过程也很可能出现边缘接触，很多文献中提出滚柱修形成为圆弧轮廓，但滚柱螺纹具有螺旋升角，修形的一致性（包括单根滚柱修形一致和行星滚柱间修形一致）的保证对传动性能有着特别重要的意

28、义。由于行星滚柱丝杠传动是多点同时啮合，行星滚柱修形不一致将导致在啮合过程中啮合点位置混乱，带来相应的运动学和力学的问题；单根滚柱修形问题可能会导致滚柱轴线与丝杠不平行，造成啮合不均甚至滚柱部分空转或干涉。所以行星滚柱丝杠要不要修形，如何修形，怎么保证修形的一致性都是有待解决的重要问题。行星滚柱丝杠牙型角对传动性能的影响：行星滚柱丝杠的牙型角关系到倾斜力矩的方向和行星滚柱丝杠副的传动效率。目前大多数文献中，行星滚柱丝杠都采取90牙型角，但是并没有对牙型角的选取方法进行计算和分析。分析牙型角影响传动的机理，确定牙型角对运动特性和力学特性的影响，制定在不同工作情况的牙型角选择体系，对于行星滚柱丝杠

29、的发展和应用很有意义。行星滚柱丝杠的制造、检测、装配问题：行星滚柱丝杠的制造加工过程中，不仅需要保证加工精度满足要求，同时要保证丝杠、螺母和滚柱的匹配性，还需要同一行星滚柱丝杠的滚柱间加工和安装具有一致性，传统的制造、装配、检测方法在这种情况下效率较低，而要做到不同行星滚柱丝杠间的零件可互换就对制造和检测提出了更高要求。开发出可以兼顾制造精度和匹配性的制造、检测、装配系统对于行星滚柱丝杠的生产和广泛应用有着重要的意义。研究意义：行星滚柱丝杠作为一种新型的传动装置，具有摩擦小、效率高、寿命长、体积小、承载能力强等特点，被广泛的应用于精密仪器、数控机床、武器装备、工业机器人、医疗器械的制造和航空航

30、天等领域。性能优势：滚柱丝杠与滚珠丝杠的传动原理类似，但是用螺纹滚柱代替了滚珠丝杠中的滚珠作为丝杠和螺母之间的传动体，增加了接触点的数量，所以比滚珠丝杠具有更优越的性能。行星滚柱丝杠的中心丝杠与螺母分别与滚柱啮合，在滚柱与丝杠和螺母螺旋升角相同的情况下，传动过程中没有相对滑动，与滚柱丝杠副一样，各部件之间的摩擦都为滚动摩擦，将大大减小传动摩擦阻力，传动效率将得到很大提高，传动部件经过表面工艺处理后，滚动摩擦产生的磨损极小，因此将大大提高使用寿命。（滚动摩擦的优点、与滚珠丝杠共有）滚柱丝杠副较滚珠丝杠副有更多的接触点，可以提供更高的额定动载和静载，并且接触点的增多将大幅提高刚度和抗冲击能力。在相

31、同载荷条件下，滚柱丝杠相对于滚珠丝杠占用更小的空间，并且使用寿命延长了10倍以上。（多接触点的优点）滚柱丝杠副的螺纹滚柱两端通过齿轮啮合，这可以保证滚柱与丝杠和螺母间啮合传动的同步性，避免个别滚柱打滑造成干涉。这种滚柱周向相对固定的结构使得滚柱丝杠相对滚珠丝杠可以提供更大的速度和加速度。（滚柱周向相对固定优点）由于滚柱丝杠用螺纹滚柱代替了滚柱，克服了滚珠直径对传动机构的限制。由于没有了滚柱直径的限制，滚柱丝杠可以采用比滚珠丝杠更小的导程，实现在小导程下的高速传动，振动小，噪音低。丝杠是小导程角的非圆弧螺纹，有利于提高导程精度，实现精密微进给，提高传动精度。（小导程的优点）应用前景：行星滚柱丝杠

32、以上诸多优点给其带来了广阔的应用前景。滚柱丝杠具有较高承载能力和较快速度，除了可以代替梯形丝杠，滚珠丝杠外，在一定情况下可以代替气缸和液压缸的作用。其配置简单，不需要诸如阀门、泵、过滤器、传感器等复杂的配套系统。并且其体积小，工作寿命长，维护简单，不存在液压缸的液体渗漏情况，噪音显著减小。滚柱丝杠传动机构可以应用于机械加工机床、检测设备、钣金加工机床和弯曲加工机床(替代滚珠轴承传动机构)、医药、激光加工机床制造、半导体和注塑机床制造业(替代液压油缸)等领域。高性能行星滚柱丝杠机构在舰艇的舱门开闭及推进装置、战斗机起落架及制动装置、导弹发射架、坦克火控系统、航天设备等领域也有很大的发挥空间。研究

33、现状瑞士Rollvis是世界上著名的行星滚柱丝杠专业生产厂家，市场占有率近40 ，其产品广泛应用于航空航天、机床、武器装备、机器人等行业，丝杠直径从1 mm到150 mm，导程从0.1 mm到50 mm，速度最高达到2 ms，精度可达0.1 pm，而且能够加工各种非标准的丝杠螺母。此外，其他国家近年来也致力于行星滚柱丝杠的生产和研制，并推出了各自的产品型号。国内的一些企业具有行星滚柱丝杠制造能力，研制的行星滚柱丝杠具有承载能力强、抗冲击性和直线速度高等特点，但国内企业产品大多精度不能满足要求，其性能和寿命均远落后于国外产品。随着未来高速、高精度和大推力直线作动的发展需要，以及螺纹加工工艺、制造

34、水平和材料科学的发展，行星滚柱丝杠以其特有的结构特点和传动性能，适应了国内外的发展趋势，将会逐步取代其他类型丝杠传动，成为航空、航天、武器装备等军事领域和数控机床、食品包装等民用领域机械设备直线伺服系统的主要传动元件。因此，加快对行星滚柱丝杠的研制势在必行。第2章 设计内容2.1 设计任务通过本课题，使学生更加深刻地理解机械制造领域中的相关知识点（机械产品设计、结构分析等），锻炼学生综合分析问题的能力以及软件应用能力、外文阅读能力与自己查阅资料的能力。针对该具体课题，希望学生能了解国内外当前该领域的研究现状，在此基础上做出一些成果，使大学学到的知识得到综合应用，为进一步深造或走向工作岗位打下良

35、好的基础。 2.2 设计要求根据设计要求，完成行星滚柱丝杠副的电动加载机构设计；1）设计要求：加载速度 2mm/s负载 30吨行程 200mm整体高度小于1m2） 实现功能： 负载30吨2.3 设计方案的构想 1）导柱形式负载机构； 2）行星滚柱丝杆做力矩传递0 第3章 设计实现3.1 设备工况及要求 1）假设条件已知伺服电机扭矩8.2NM，减速比58.3，滚柱丝杆直径D=60mm.导程L=9mm 螺纹升角=3.65度，运动方式为：旋转运动改直线运动，一、 输出扭矩T8.2X58.3=478.06N.MT= FL / 23.14159260.9F=478.066.280.910009=3002

36、21N=300KN300KN为30吨施加荷载，2）刚度验算及精度选择=3.5，Z15，（1） 代入前面所算数据得 代入前面所算数据得已知800N, =0.2, =160N:静摩擦力，：静摩擦系数，：正压力（2）验算传动系统刚度；已知反向差值或重复定位精度为103025.6（3）传动系统刚度变化引起得定位误差（），代入5（4）确定精度：任意300mm内行程变动量对系统而言0.8定位精度定位精度为20/30014.3,丝杠精度取为3级1225.6（3）传动系统刚度变化引起得定位误差（），代入5（4）确定精度：任意300mm内行程变动量对系统而言0.8定位精度；定位精度为20/30014.3,丝杠精

37、度取为3级；12=150012）验算临界压缩载荷丝杠所受大轴向载荷小于丝杠预拉伸力F不用验算13）验算临界转速：临界转速n/min f：与支承形式有关的系数 ：丝杠底径：临界转速计算长度mm由现代机床设计手册得f21.9, =40, =可得5028=15006. 滚珠丝杆的临界转速计算 N1 : 临界转速 （min-1) Lb 安装间距 E ：杨氏模量 （2.06*105N/mm2) I : 螺杆轴的最小断面二次矩 ( mm4) I=d41 /64 (d1螺杆轴沟槽直径） r : 密度 (7.85*106kg/mm3) A: d: 丝杆轴沟槽直径 （mm) ：安装方式系数 D : 滚珠中心径

38、N1 =*(d/ L2b）*107=3.4*（17.2/1502)* 107=51078.6 rpm N2 =7000/D=7000/20.75=3373.5 rpm 由于N21/5J=0.856*10-4 Kg/m211.联轴器选型： K1 负载系数 K2 运转时间系数 K3 起停频率系数 T联轴器 T电机 * K1 * K2* K3 =15.76 N/m V(mm/s) 250mm/s L4 35mm/s L3 L2 L1 L5 t(s) L8 L6 -250mm/s0.2790.1930.250.4870.4370.3290.050.15 L7设计计算及校核（1） 螺纹副耐磨性计算滑动螺

39、旋的磨损多发生在螺母并且与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力p。 滑动螺旋传动用梯形、矩形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损，而螺杆的直径和螺母的高度也常由耐磨性要求决定。传力较大时，应验算有螺纹部分的螺杆或其他危险部位以及螺母或螺杆螺纹牙强度。要求自锁时，应验算螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺旋，应验算其稳定性，其直径也常由稳定性要求决定。螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，因此取；该螺旋机构为人力

40、驱动，因此P提高20%，P=13MPa。取 因此选用的螺杆，其参数为：公称直径d螺距P中径大径 小径32629332526表：滑动螺旋副材料的许用压力 P螺杆螺母的材料 滑动速度 许用压力 钢青铜 低速 1825 3.0 1118 612 710 15 12 钢钢低速1013 钢铸铁 2.4 1318 612 47 注：当2.5或人力驱动时，p值可提高20；若为剖分螺母时则p值应降低1520。 （2） 螺纹牙强度计算螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。 螺纹牙底宽 许用压应力 许用切应力 许用弯曲应力 相旋合螺纹圈数 剪切强度条件 弯曲强度条件 滑动螺旋副材料的许用应力螺旋副材料 许用应力(M

41、Pa) b 螺杆 钢 s/(35) 螺母 青铜 4060 3040 铸铁 4055 40 钢 (1.01.2) 0.6 （3） 螺纹副自锁条件 梯形螺纹的牙型斜角，其当量摩擦角对于螺旋传动，为保证自锁可靠，实际应取。本设计满足这一条件，因此能够自锁。上式中；y为螺纹升角；fV为螺旋副的当量摩擦系数；f为摩擦系数见下表。 表： 滑动螺旋副的摩擦系数f 螺杆螺母的材料 摩擦系数f 钢青铜 0.080.10 淬火钢青铜 0.060.08 钢钢 0.110.17 钢铸铁 0.120.15 （4） 螺杆稳定性计算对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Q大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性

42、。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力Q必须小于临界载荷Q。则螺杆的稳定性条件为 表: 螺杆的长度系数 ：端 部 支 撑 情 况 长度系数 两端固定 0.50 一端固定，一端不完全固定 0.60 一端铰支，一端不完全固定 0.70 两端不完全固定 0.75 两端铰支 1.00 一端固定，一端自由 2.00 所以，该螺杆是稳定的。1.确定滚柱丝杠副的导程Ph 由传动关系图，工作台最高移动速度Vmax，电机最高转速nmax，传动比i等确定Ph 当电机与滚柱丝杠副直联时i=1 计算出的Ph要取较大值圆整。2.滚柱丝杠副的载荷及转速计算l 最小载荷Fmin机器空载时滚柱丝杠副的传动力，如工作台重量引起

43、的摩擦力。l 最大载荷Fmax选机器承受最大负荷时滚柱丝杠副的传动力。如机床切削时，切削力滚柱丝杠轴向的分力与导轨磨擦力之和即为Fmax（这时导轨磨擦力是由工作台、工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同引起）。l 滚柱丝杠副的当量转速nm及当量载荷Fm滚柱丝杠副在n1, n2, n3, nn各种转速下，各转速工作时间占总时间的百分比分别为t1%, t2%, t3% tn%,所承受的载荷分别是F1, F1, F1 Fn。 当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算： 3.确定预期额定动载荷l 按滚柱丝杠副的预期工作时间Lh(小时)计算： l 按滚柱丝

44、杠副的预期运行距离Ls(千米)计算： l 有预加负荷的滚柱丝杠副还需按最大轴向负荷Fmax计算： 式中Lh预期工作时间（小时）（见表-5）。Ls预期运行距离（km）,一般取250km。fa精度系数。根据初定的精度等级（见表-6）选。fc可靠性系数。一般情况下fc=1。在重要的场合，要求一组同样的滚柱丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90%以上时fc（见表-7）选。fw负荷系数。根据负荷性质（见表-8）选。fe预加负荷系数（见表-9）表-6 精度系数fa精度等级1，2，34，5710fa1.00.90.80.7表-7 可靠性系数fc可靠性%909596979899fc1.00.620.53

45、0.440.330.21表-8 负荷性质系数fw负荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动fw11.21.21.51.52表-9 预加负荷系数fe预加负荷类型轻预载中预载重预载fe6.74.53.4以上3种计算结果中选择较大值为滚柱丝杠副的Cam。4.按精度要求确定允许的滚柱丝杠的最小螺纹底径d2ml 估算滚柱丝杠的最大允许轴向变形量一般情况下，影响死区间隙的主要因素按影响程度自大到小排列顺序是：a. 滚柱丝杠本身的拉压刚度; b. 支承轴承的轴向刚度; c. 滚柱丝杠副中滚柱与滚道的接触刚度; d. 折合到滚柱丝杠上伺服系统的刚度; e. 联轴节的刚度; f. 滚柱丝杠副的扭转刚度; g

46、. 螺母座，轴承座的刚度所以滚柱丝杠副传动系统的刚度K可按下式计算：其中前三项最主要，而又占总量的(1/31/2)。所以一般情况下可按下式计算：机械装置中移动部件处在不同位置时第统刚度K是不同的的刚度最小处用表示。当滚柱丝杠副轴向有工作载荷作用时，传动系统中便产生弹性变形,且=F/K。从而影响系统的传动精度，而处系统受影响最大。机床或机械装置的伺服系统精度大多在空载下检验。空载时作用在滚柱丝杠副上最大轴向工作载荷是静摩擦力。移动部件在处起动和返回时，由于方向变化将产生误差2/(又称摩擦死区误差)。它是影响重复定位精度的主要因素。一般占重复定位精度的（1/21/3）。所以规定滚柱丝杠副允许的最大

47、轴向变形： 影响定位精度最主要因素是滚柱丝杠副的精度，其次是滚柱丝杠本身的拉压弹性变形（因这各弹性变形随滚柱螺母在滚柱丝杠上位置变而变化）。以及滚柱丝杠副摩擦力矩的变化等。一般估算是定位精度。以上两种方法估算出的小值取为值（单位m）。l 估算滚柱丝杠的底径a. 滚柱丝杠副安装方式为一端固定，一端自由或游动时（见图-3）式中:E 杨氏弹性模量; 估算的滚柱丝杠最大允许轴向变形量（m） 导轨静摩擦力 (N) ; L 滚柱螺母至滚柱丝杠固定端支承的最大距离（mm）b. 滚柱丝杠副安装方式为两端支承或两端固定(见图-3) 式中： L 两个固定支承之间的距离（mm） 行程+安全距离+两个余程+螺母长度+

48、一个支承长度 5.确定滚柱丝杠副的规格代号 根据传动方式及使用情况，按照样本可以确定滚柱螺母型式。按照已估算出的Ph，Cam可在样本中查出对应的滚柱丝杠底径d2,额定的动载荷Ca应注意d2d2m，CaCam但不宜过大，否则会使滚柱丝杆副的转动惯量偏大，结构尺寸也偏大。接着再确定公称直径。循环圈数，滚柱螺母的规格代号及有关的安装连接尺寸。6.对预紧滚柱丝杠副，确定其预紧力Fp当选择预紧螺母型式的滚柱丝杠副时需定预紧力Fp。当最大轴向工作载荷Fmax确定时： 当最大轴向载荷不能确定时： 式中值按表-10选择，Ca是额定动载荷，可在样本上查到。表-10预加负荷类型轻预载中预载重预载0.050.075

49、0.17.对预拉伸的滚柱丝杠副，计算行程补偿值C和预拉伸力Ft对于两端固定支承，需要预拉伸的滚柱丝杠副应规定目标行程补偿值C,并计算预拉伸力 式中：C行程补偿值（m） t温度变化值25 丝杠的线膨胀系数11.8X10-6/度 Lu滚柱丝杠副的有效行程(mm) Lu工作台行程+螺母长度+两个安全行程行程+（814）Ph 式中：Ft预拉伸力（N），d2滚柱螺纹底径(mm)，E杨氏弹性模量2.1X105（N/mm2） t 滚柱丝杠的温升258.确定滚柱丝杠副支承所用的轴承规格型号l 计算轴承所受的最大轴向载荷,有预拉伸的滚柱丝杠副应考虑到预拉伸力Ftl 按滚柱丝杠副的要求选择轴承的型号。l 确定轴承内径：为便于丝杠加工，轴承内径最好不大于滚柱丝杠的大径。在选用内循环浮动式滚柱丝杠副时必髯有一端轴承内径略小于丝杠底径d2，其次轴承样本上规定的预紧力应大于轴承所承受最大载荷的1/3l 有关轴承的其它验算项目可查轴承样本9.滚柱丝杠副工作图设计l 滚柱丝杠副的螺纹长度 余程见P67页表-3中，=行程+螺母长度l 滚柱螺母的安装连接尺寸可查样本。l 滚柱螺母不应该承受径向载荷及颠覆力矩，应使作用在螺母上的轴向合力通过丝杠轴心。l 可以用螺母的外圆柱面及法兰凸缘的内侧作安装基准，同时要求螺母座孔与丝杠轴承孔同心。螺母座孔端面与螺母座孔轴线