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運動系統設計人員經常使用滾珠絲杠而不是梯形絲杠,其原因之一是滾珠絲杠能夠在更高的速度下穩定運行。然而,滾珠絲杠本身也有速度限制,了解這些限制將有助于優化滾珠絲杠組件在各種應用(包括從小型實驗室流體泵、大型高架龍門到高性能機械)中的性能。

滾珠絲杠基礎知識

滾珠絲杠組件由絲杠和帶循環滾珠軸承的螺母構成。絲杠與螺母之間通過滾珠軸承連接,其中滾珠在螺母和絲杠軸內以配對形式滾動。這可實現將力分配到多個滾珠上,使每個滾珠承受的負載相對較低并降低摩擦系數,從而有助于提高運行速度(圖1)。

圖1. 滾珠絲杠的摩擦系數較低,這是因為其負載分布在多個滾珠上,這些滾珠會隨著軸的轉動而循環滾動。

絲杠和螺母通常有獨特的最大轉速限制,因此選擇高效的滾珠絲杠組件需要同時注意這兩個限制。

限制最大轉速(RPM)的滾珠絲杠設計

影響最大轉速的絲杠軸設計參數主要有末端固定、絲杠導程和絲杠直徑。

每個滾珠絲杠都有一個固有諧振頻率,并會在該頻率下發生過度振動,這被稱為滾珠絲杠的臨界速度。當應用速度與臨界速度一致時,絲杠會發生諧振(圖2)。然后,絲杠固有的不平衡會與之共振,導致過度彎曲、弓拱、振動并最終導致故障。

圖2. 絲杠軸可能在高轉速下發生振動。

末端固定

末端固定選項包括:一端固定在推力軸承中;兩端使用浮動軸承支撐;一端固定同時另一端使用浮動軸承支撐;兩端固定在推力軸承中。當滾珠絲杠兩端固定時,可以達到最高轉速。固定末端可以承受彎矩載荷,因此滾珠絲杠會與支撐軸承的平面保持垂直。

然而,相比于其他固定方式,兩端固定可能成本更高且難以安裝。因為進行兩端固定時,支架之間的距離是不可調的,從而使安裝孔難以對準。

絲杠導程

假設輸入速度恒定,則較高的導程將使螺母更快地沿絲杠移動,從而提高線速度。當比較線速度恒定的兩個不同導程的絲杠時,導程越高則輸入電機轉速就越低。但是,較高的絲杠導程會增大轉動絲杠所需的扭矩。

絲杠直徑 

絲杠直徑越大,負載能力和額定最大轉速(RPM)就越高。反之,絲杠直徑越小,則最大轉速(RPM)就越低。當絲杠導程相同時,較大直徑的絲杠的額定轉速更大。

限制最大轉速(RPM)的滾珠螺母特點

滾珠螺母的最大轉速(RPM)受限于滾珠循環通過滾珠螺母的速度。如果轉速超過滾珠螺母的最大轉速,則可能對滾珠循環部件造成永久性損壞。滾珠軸承可能會脫離或堵塞循環系統,從而可能導致裝置完全失效。

滾珠循環系統主要有三種類型:內循環、單循環和外循環(圖3)。滾珠返回的目的是實現滾珠在螺母中的循環。循環系統的設計會影響螺母的速度限值。外循環系統通常使用伸入滾珠溝槽的撿拾齒將滾珠導入循環路徑中。當高速運行時,由于滾珠軸承的持續撞擊,該撿拾齒會彎曲并最終斷裂。單循環和內循環設計通常更加穩固,且運行速度要高于外循環系統。

圖3. 滾珠循環系統的比較(從左到右):內循環、單循環和外循環。

結論

系統的速度優化可通過以下幾點來實現:

  • 使用末端支撐來固定滾珠絲杠組件
  • 使用更高的導程來提高線速度
  • 使用大直徑絲杠來提高負載能力和額定最大轉速(RPM)
  • 滾珠螺母采用內循環系統

然而,許多其他因素也會對速度造成影響,例如負載特性、位置精度、可重復性、所需預期壽命、尺寸限制、輸入功率要求、環境條件和可用預算等。

大多數因素對速度的影響都是可以計算的。滾珠絲杠制造商通常會指定其產品的建議最大速度,并提供有助于精確進行物理權衡計算的工具。

類似圖示這種直徑1”的絲杠的最大轉速會因長度不同而有很大差異:從長度36”時的2938 RPM,到長度144”時的184 RPM(額定轉速為臨界轉速的80%,簡單支撐)。數值可參考Machinery Handbook(機械手冊)。圖片由Motion Industries提供。

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