精密滚珠丝杠副摩擦力矩的研究

精密滚珠丝杠副摩擦力矩的研究

滚珠丝杠的摩擦力矩是指各种摩擦因素对滚珠丝杠运动的阻力矩，反映了滚珠丝杠摩擦的系统响应，是滚珠丝杠的重要性能参数。随着滚珠丝杠性能的不断提高，摩擦力矩已成为其高精度、高速发展的主要障碍。过大的摩擦力不仅会降低传动效率，还会影响滚珠丝杠，的定位精度，直接导致能耗增加和温升。温升引起的热变形会影响定位精度，加剧滚珠丝杠的磨损，降低润滑效果，缩短其使用寿命。

作为滚珠丝杠变速器的关键部件，对其摩擦力矩的研究远不如滚珠轴承。滚珠丝杠轴承和滚珠轴承在结构上有一些相似之处，很多理论可以借鉴。但由于其滚道是螺旋的，滚珠丝杠的运动与几何的关系和摩擦机理比滚珠轴承更复杂。主要介绍滚珠丝杠，滚珠与滚道之间的摩擦机理、计算模型以及测量和减小摩擦力矩的方法。

虽然滚珠丝杠的接触面是滚动界面，但滚动接触引起的滚动摩擦损失很小，损失主要来自滚动过程中的滑动行为。这些滑移发生在滚珠和丝杠滚道，之间的接触界面、滚珠和螺母滚道，之间的接触界面以及滚珠和返回器滚道之间的接触界面和滚珠接触界面之间，滚珠和滚道之间的滑动摩擦是损失的主要来源。此外，高速进出返回器时润滑剂与滚珠的碰撞力也是不可忽视的因素。

实验结果表明，滚珠丝杠副中滚珠和滚道接触产生的滑动摩擦主要来自螺旋结构引起的楔入滑动。从运动学角度研究了滚珠和滚道接触界面的行为，推导了滚珠和滚道接触界面滑动速度的表达式。指出由于螺旋角的存在，法平面内的滑动，即楔入滑动总是存在的。

由于滚珠丝杠滚珠与滚道接触点的变形不在同一平面，各接触点与瞬时旋转轴的距离在轧制方向上不同，导致接触点与差动滑动的速度差，认为滚珠在高密度滚道，轧制时仅在两个窄带内不产生差动滑动，其余接触部位滑移，接触区有两个区域：黏着区和滑动区。

由于接触角的存在，滚珠丝杠对中的滚珠绕瞬轴转动，接触点处的角速度矢量不仅产生滚动角速度，还产生垂直于接触平面的角速度分量，产生绕纯滚动点的自旋接触运动，自旋运动扭曲接触界面的倾向也会导致滑动。因此，差动滑动摩擦系数应该包括滚动差动滑动摩擦系数和自旋差动滑动摩擦系数，但它们之间的定量关系尚不清楚。作用在滚珠上的惯性力会随着螺杆转速的增加而增加，从而导致滚珠丝杠副滑动摩擦的增加。指出当转速大于1 000 r/min时，惯性力不能忽略。

但由于其结构的复杂性和实验手段的限制，研究内容主要集中在生成机理、挥发度、计算模型和摩擦引起的热变形等方面，其中热变形是热点，生成机理和计算模型有待完善，对挥发度的研究仍存在较大分歧。