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1、第20卷第3期机械设计Vol.20No.32003年3月JOURNALOFMACHINEDESIGNMar.2003X滚柱丝杠副的啮合计算赵英,倪洁,吕丽娜(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)摘要:滚柱丝杠副是近年来发展起来的新型传动部件,它的工艺性和使用性能均高于滚珠丝杠。介绍了滚柱丝杠的结构。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。关键词:滚柱丝杠副;曲面方程;啮合;仿真计算中图分类号:TH132文献标识码:A文章编号:1001-2354(2003)0
2、3-0034-02与滚珠丝杠相比较,滚柱丝杠具有以下优点:轮参数及齿向相同,形成一个轴向尺寸较长的齿轮。内齿轮圈3(1)使用三角螺纹,加工工艺性好;压入螺母9内,螺母7内也压入参数相同的内齿轮圈。由于平键(2)滚柱作平行行星运动,故没有滚动体返回装置;4的联接作用,使两端内齿轮齿向相同,也形成一轴向尺寸较长(3)装配简单,啮合副之间间隙可调整;的内齿轮。当上述内齿轮副啮合时,能保证滚柱轴线平行于螺(4)在使用性能上,滚柱丝杠承载能力高,刚度好,允许高母轴线。速。丝杠螺纹为多头三角螺纹,它具有螺纹升角,而滚柱螺纹2啮合仿真计算为没有升角的三角形圆
3、环。它们啮合时,要求丝杠螺纹曲面和滚柱均匀接触,以保证滚柱丝杠副有较大的承载能力与耐磨为便于加工,丝杠螺纹法面牙槽的主要参数是设定值。啮性。通过建立曲面方程和计算机仿真,研究两空间曲面的接触合仿真计算的目标是:通过调整滚柱螺纹牙的有关参数,尽可情况,并讨论有关设计参数对啮合的影响,为滚柱丝杠设计提能填充丝杠螺纹牙槽空间,进而确定这些参数。供依据。2.1丝杠螺纹曲面方程丝杠使用螺纹磨床加工,刀具为直母线双锥面。砂轮轴截1行星滚柱丝杠的结构[1,2]面为切削平面,加工时切削平面垂直于螺纹螺旋线。设直角坐标系x、y、z轴,丝杠轴线置于z轴上(如图2)
4、。为建模方便,先将切削平面置于平面x=0内。沿螺纹中径d2/2滚柱丝杠由螺母7和9、丝杠6、滚柱5和保持架2组成(如方向,砂轮宽为s=p/2(p为螺距),牙型半角为A。图1)。丝杠、螺母和滚柱均开有三角形螺纹,其中螺母的内螺纹砂轮切削平面内母线为切削母线,考虑到对称性,仅建立和滚柱的外螺纹是没有升角的三角形圆环,丝杠的头数为n(n右母线方程。切削母线与丝杠中径交点A(0,d2/2,p/4),以A3)的多头螺纹。为保证啮合,滚柱的个数与丝杠螺纹的头数为基点,切削母线上一点T的参数方程为:一致,由保持架保证滚柱沿周向均匀分布。螺母为两体式对开xT
5、=0结构,中间夹有调整片8(两个半圆环),经修磨调整垫片厚度,yT=d2/2+tcosA(1)在预紧力F作用下,螺母和滚柱螺纹为单侧接触,即右螺母7zT=p/4+tsinA的螺纹牙槽右侧面,左螺母9的螺纹牙槽左侧面和滚柱螺纹接参数t的几何意义为切削母线上一点T至基点A的位移。触,并产生滚柱与丝杠之间的径向压力。由于保持架2只对滚切削时,切削平面绕y轴旋转螺纹升角K(如图3),切削母柱周向定位(保持架孔为长孔),在径向压力的作用下,滚柱和线方程为:丝杠之间螺纹为双侧面接触。由于螺纹牙面间存在接触应力,x(t)=(p/4+tsinA)sinK传动中
6、由于摩擦力使滚柱做平面行星运动。滚柱与螺母、滚柱y(t)=d2/2+tcosA(2)与丝杠之间采用多牙啮合,在预紧力作用下产生平均弹性效z(t)=(p/4+tsinA)cosK应。切削母线沿z轴作螺旋运动,即形成丝杠螺纹牙槽曲面。由于丝杠螺纹具有螺旋升角,丝杠螺纹与滚子螺纹的接触螺旋运动为切削母线在绕z轴匀速旋转的同时,沿z轴作匀速点不在丝杠轴线与滚柱轴线决定的平面内,因此丝杠对滚柱产平移运动。生倾斜力矩。为保证滚子轴线平行于丝杠轴线,滚子两端设置设:切削母线绕z轴匀速运动的圆周角为H,螺纹曲面牙槽有内齿轮。在滚子两端三角形圆环上加工直齿轮,要
7、求两端齿右侧面方程为:X收稿日期:2002-01-23;修订日期:2002-09-13;基金项目:天津市自然科学基金资助项目(983604811)作者简介:赵英(1944-),男,天津市人,教授,主要从事精密机械设计及测量的研究。2003年3月赵英,等:滚柱丝杠副的啮合计算35x(t,H)=x(t)cosH-y(t)sinH=p+tsinAsinKcosH-2.3螺纹曲面啮合仿真计算4用解析法计算一对空间螺旋曲面的啮合问题是复杂的。为d22+tcosAsinH(3a)简化计算,在两曲面啮合区间设置相互平行的剖面,将空间螺p纹曲面转化为平面曲线。
8、根据所有剖面内两条曲线的接触情y(t,H)=x(t)sinH+y(t)cosH=+tsinAsinKsinH+4况,可确定滚柱螺纹的主要参数:牙宽e,
