如何盡可能提高滾珠絲杠速度：限制因素

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)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(wěn)定運(yùn)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(yōu)化滾珠絲杠組件在各種應(yīng)用（包括從小型實(shí)驗(yàn)室流體泵、大型高架龍門到高性能機(jī)械）中的性能。

滾珠絲杠基礎(chǔ)知識(shí)

滾珠絲杠組件由絲杠和帶循環(huán)滾珠軸承的螺母構(gòu)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(nèi)以配對形式滾動(dòng)。這可實(shí)現(xiàn)將力分配到多個(gè)滾珠上，使每個(gè)滾珠承受的負(fù)載相對較低并降低摩擦系數(shù)，從而有助于提高運(yùn)行速度（圖1）。

圖1. 滾珠絲杠的摩擦系數(shù)較低，這是因?yàn)槠湄?fù)載分布在多個(gè)滾珠上，這些滾珠會(huì)隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而循環(huán)滾動(dòng)。

絲杠和螺母通常有獨(dú)特的最大轉(zhuǎn)速限制，因此選擇高效的滾珠絲杠組件需要同時(shí)注意這兩個(gè)限制。

限制最大轉(zhuǎn)速（RPM）的滾珠絲杠設(shè)計(jì)

影響最大轉(zhuǎn)速的絲杠軸設(shè)計(jì)參數(shù)主要有末端固定、絲杠導(dǎo)程和絲杠直徑。

每個(gè)滾珠絲杠都有一個(gè)固有諧振頻率，并會(huì)在該頻率下發(fā)生過度振動(dòng)，這被稱為滾珠絲杠的臨界速度。當(dāng)應(yīng)用速度與臨界速度一致時(shí)，絲杠會(huì)發(fā)生諧振（圖2）。然后，絲杠固有的不平衡會(huì)與之共振，導(dǎo)致過度彎曲、弓拱、振動(dòng)并最終導(dǎo)致故障。

圖2. 絲杠軸可能在高轉(zhuǎn)速下發(fā)生振動(dòng)。

末端固定

末端固定選項(xiàng)包括：一端固定在推力軸承中；兩端使用浮動(dòng)軸承支撐；一端固定同時(shí)另一端使用浮動(dòng)軸承支撐；兩端固定在推力軸承中。當(dāng)滾珠絲杠兩端固定時(shí)，可以達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。固定末端可以承受彎矩載荷，因此滾珠絲杠會(huì)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?yàn)檫M(jìn)行兩端固定時(shí)，支架之間的距離是不可調(diào)的，從而使安裝孔難以對準(zhǔn)。

絲杠導(dǎo)程

假設(shè)輸入速度恒定，則較高的導(dǎo)程將使螺母更快地沿絲杠移動(dòng)，從而提高線速度。當(dāng)比較線速度恒定的兩個(gè)不同導(dǎo)程的絲杠時(shí)，導(dǎo)程越高則輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速就越低。但是，較高的絲杠導(dǎo)程會(huì)增大轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠所需的扭矩。

絲杠直徑 

絲杠直徑越大，負(fù)載能力和額定最大轉(zhuǎn)速（RPM）就越高。反之，絲杠直徑越小，則最大轉(zhuǎn)速（RPM）就越低。當(dāng)絲杠導(dǎo)程相同時(shí)，較大直徑的絲杠的額定轉(zhuǎn)速更大。

限制最大轉(zhuǎn)速（RPM）的滾珠螺母特點(diǎn)

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

滾珠循環(huán)系統(tǒng)主要有三種類型：內(nèi)循環(huán)、單循環(huán)和外循環(huán)（圖3）。滾珠返回的目的是實(shí)現(xiàn)滾珠在螺母中的循環(huán)。循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)影響螺母的速度限值。外循環(huán)系統(tǒng)通常使用伸入滾珠溝槽的撿拾齒將滾珠導(dǎo)入循環(huán)路徑中。當(dāng)高速運(yùn)行時(shí)，由于滾珠軸承的持續(xù)撞擊，該撿拾齒會(huì)彎曲并最終斷裂。單循環(huán)和內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)通常更加穩(wěn)固，且運(yùn)行速度要高于外循環(huán)系統(tǒng)。

圖3. 滾珠循環(huán)系統(tǒng)的比較（從左到右）：內(nèi)循環(huán)、單循環(huán)和外循環(huán)。

結(jié)論

系統(tǒng)的速度優(yōu)化可通過以下幾點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)：

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

然而，許多其他因素也會(huì)對速度造成影響，例如負(fù)載特性、位置精度、可重復(fù)性、所需預(yù)期壽命、尺寸限制、輸入功率要求、環(huán)境條件和可用預(yù)算等。

大多數(shù)因素對速度的影響都是可以計(jì)算的。滾珠絲杠制造商通常會(huì)指定其產(chǎn)品的建議最大速度，并提供有助于精確進(jìn)行物理權(quán)衡計(jì)算的工具。

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