精密滾珠絲杠副摩擦力矩的研究

滾珠絲杠的摩擦力矩是指各種摩擦因素對滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的阻力矩，反映了滾珠絲杠摩擦的系統(tǒng)響應(yīng)，是滾珠絲杠的重要性能參數(shù)。隨著滾珠絲杠性能的不斷提高，摩擦力矩已成為其高精度、高速發(fā)展的主要障礙。過大的摩擦力不僅會(huì)降低傳動(dòng)效率，還會(huì)影響滾珠絲杠，的定位精度，直接導(dǎo)致能耗增加和溫升。溫升引起的熱變形會(huì)影響定位精度，加劇滾珠絲杠的磨損，降低潤滑效果，縮短其使用壽命。

作為滾珠絲杠變速器的關(guān)鍵部件，對其摩擦力矩的研究遠(yuǎn)不如滾珠軸承。滾珠絲杠軸承和滾珠軸承在結(jié)構(gòu)上有一些相似之處，很多理論可以借鑒。但由于其滾道是螺旋的，滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)與幾何的關(guān)系和摩擦機(jī)理比滾珠軸承更復(fù)雜。主要介紹滾珠絲杠，滾珠與滾道之間的摩擦機(jī)理、計(jì)算模型以及測量和減小摩擦力矩的方法。

雖然滾珠絲杠的接觸面是滾動(dòng)界面，但滾動(dòng)接觸引起的滾動(dòng)摩擦損失很小，損失主要來自滾動(dòng)過程中的滑動(dòng)行為。這些滑移發(fā)生在滾珠和絲杠滾道，之間的接觸界面、滾珠和螺母滾道，之間的接觸界面以及滾珠和返回器滾道之間的接觸界面和滾珠接觸界面之間，滾珠和滾道之間的滑動(dòng)摩擦是損失的主要來源。此外，高速進(jìn)出返回器時(shí)潤滑劑與滾珠的碰撞力也是不可忽視的因素。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滾珠絲杠副中滾珠和滾道接觸產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦主要來自螺旋結(jié)構(gòu)引起的楔入滑動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度研究了滾珠和滾道接觸界面的行為，推導(dǎo)了滾珠和滾道接觸界面滑動(dòng)速度的表達(dá)式。指出由于螺旋角的存在，法平面內(nèi)的滑動(dòng)，即楔入滑動(dòng)總是存在的。

由于滾珠絲杠滾珠與滾道接觸點(diǎn)的變形不在同一平面，各接觸點(diǎn)與瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸的距離在軋制方向上不同，導(dǎo)致接觸點(diǎn)與差動(dòng)滑動(dòng)的速度差，認(rèn)為滾珠在高密度滾道，軋制時(shí)僅在兩個(gè)窄帶內(nèi)不產(chǎn)生差動(dòng)滑動(dòng)，其余接觸部位滑移，接觸區(qū)有兩個(gè)區(qū)域：黏著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。

由于接觸角的存在，滾珠絲杠對中的滾珠繞瞬軸轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸點(diǎn)處的角速度矢量不僅產(chǎn)生滾動(dòng)角速度，還產(chǎn)生垂直于接觸平面的角速度分量，產(chǎn)生繞純滾動(dòng)點(diǎn)的自旋接觸運(yùn)動(dòng)，自旋運(yùn)動(dòng)扭曲接觸界面的傾向也會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)。因此，差動(dòng)滑動(dòng)摩擦系數(shù)應(yīng)該包括滾動(dòng)差動(dòng)滑動(dòng)摩擦系數(shù)和自旋差動(dòng)滑動(dòng)摩擦系數(shù)，但它們之間的定量關(guān)系尚不清楚。作用在滾珠上的慣性力會(huì)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增加，從而導(dǎo)致滾珠絲杠副滑動(dòng)摩擦的增加。指出當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時(shí)，慣性力不能忽略。

但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)手段的限制，研究內(nèi)容主要集中在生成機(jī)理、揮發(fā)度、計(jì)算模型和摩擦引起的熱變形等方面，其中熱變形是熱點(diǎn)，生成機(jī)理和計(jì)算模型有待完善，對揮發(fā)度的研究仍存在較大分歧。