通过罗伯特·利普塞特,汤姆森工业公司现场负责人和工程经理
在这里,我们解释了丝杠在线性运动应用中占优势的地方。然后我们解释如何应用它们。
滚珠丝杠通常是线性运动应用的首选,因为循环滚珠轴承的使用提供了高效率,负载能力和定位精度。然而,通过仔细的选择和应用,丝杠可以在许多应用中提供接近滚珠丝杠的效率,以及高负载能力和定位精度。更重要的是,由于灵活的配置和形状因素,工程师可以更容易地定制丝杠的应用,无需润滑,更安静的操作和更低的成本。
丝杠利用螺纹的螺旋角将旋转运动转换为直线运动。丝杠的性能在很大程度上取决于螺母和丝杠之间的摩擦系数,而摩擦系数又取决于螺母和丝杠的材料。丝杠通常使用由内部润滑塑料或轴承级青铜制成的螺母。塑料螺母通常在不锈钢螺钉上运行,而青铜螺母通常在碳钢螺钉上运行。轴承级青铜螺母,不锈钢螺钉是一种选择。
工程师可以在几个简单的步骤中确定丝杠是否适合应用(并选择最合适的丝杠特性)。
导螺杆负载能力
在考虑丝杠或滚珠丝杠是最好的应用,首先看所需的负载能力。塑料螺母适用于小于100磅的轻负荷,尽管塑料螺母设计为300磅或以上是可能的。另一方面,青铜螺母用于重量超过几千磅的场合。滚珠丝杠一般提供相同或更好的负载能力比丝杠,所以是一个更好的选择,如果负载要求超过丝杠能力。
导螺杆效率
滚珠丝杠提供更高的效率,因为滚动接触比滑动接触提供更低的摩擦系数。滚珠丝杠的效率相对稳定,一般优于90%。相比之下,丝杠的效率通常在20 - 80%之间,高度依赖于螺旋角。螺旋角是引脚的反正切值除以螺距直径。这是线程前进的角度。一般来说,螺旋角越大,效率越高。更高的螺旋角是更有效的,因为较少的能量驱动丝杠克服摩擦。这是因为螺杆必须旋转的次数,以得到一个给定的线性位移较低的高螺旋螺杆。高螺旋角的一个缺点是它需要更多的扭矩来转动螺钉。
请注意,当丝杠的效率超过50%时,丝杠就变成了可向后驱动,这意味着它可以通过负载向后驱动。在许多应用中,反向驱动是一个缺点,因为它迫使工程师加入刹车来支持负载,特别是当螺钉垂直安装时。
另一方面,在某些应用中,可反向驱动性是一个加分项。例如,许多客运列车车门的一个要求是允许乘客强行打开车门。在这里,门工程师可以配置一个高螺旋角的丝杠驱动,这样电机就可以迅速关闭门,乘客可以在紧急情况下逃生。
导螺杆速度
滚珠丝杠通常用于0.200到0.500英寸之间的介质引线。/rev,虽然高螺旋产品存在。丝杆的引线范围很广,从小于0.050英寸到2.00英寸。/牧师或更多。广泛的引线的使用可以提供广泛的变化,慢跑速度高达70英寸/秒。这种丝杠特性可以在许多应用中提供优势。例如,必须精确定位载荷的设备可以使用低螺旋角的丝杠来获得高定位分辨率。其他应用受益于快速慢跑速度和低螺杆转速,提供安静的操作和长寿命。丝杠的最大转速受丝杠临界转速的限制,即发生共振的转速。丝杠螺母可以驱动在非常高的转速,但取决于应用的负载,热积聚可能发生,这反过来限制了占空比。
螺旋轴的临界速度也限制了滚珠丝杠,这些线性运动装置也受限于滚珠通过螺母返回而不损坏组件的速度。这就是DN评级。
导螺杆工作周期
滚珠丝杠很容易在负载下提供恒定的运动……而且由于它们产生的摩擦热低,它们的占空比几乎是无限的。相比之下,塑料丝杠和不锈钢丝杠组件在额定负载下的占空比通常限制在50%。使用青铜螺母的丝杠组件具有更高的负载能力,但这些更重的负载会增加摩擦热,因此它们的占空比必须更低,通常低至10%。这可以使用PV关系更精确地计算出来。(更多信息请参阅本文标题为“关于压力-速度因子的最后注意事项”的部分。)丝杠可以在轻负荷和中速下以100%的占空比运行,也可以在高负荷和低转速或低负荷和高转速下运行,但不能两者兼有。相对于给定的螺纹尺寸和螺母设计,高负载和高转速会导致过热和故障。
导螺杆反应
在定位精度很重要的应用中,齿隙是一个重要的考虑因素。标准滚珠丝杠和丝杠配置通常有从0.002到0.010英寸的间隙。防侧隙铅螺母消除自由发挥和增加重复性。大多数设计在两个半螺母之间放置一个压缩弹簧或其他顺应构件,以消除径向间隙。两半螺母之间的预紧力必须等于或超过通过卷取机构加载组件方向上的轴向载荷,以防止失去运动。结果是一个更高的扭矩要求,这通常需要一个更大的电机。
一些专有的防反弹螺母去除螺母和螺钉之间的自由发挥,而不会引入过多的阻力扭矩。偏置垫片上的凸轮表面让它相对于配合螺母转动和平移,容纳螺母螺纹磨损产生的间隙。凸轮表面的角度让两个部分自锁,防止斜坡下降或在负载下产生反弹。在半螺母之间的凸轮内部有一个扭转弹簧,为螺母偏置提供足够的扭矩。只有当螺母螺纹接口的磨损产生间隙时,凸轮才会前进以消除间隙。自锁动作防止凸轮运动,除非在负载逆转期间。
导螺杆噪声
由于滚珠轴承的循环,滚珠丝杠容易产生一定的噪声。另一方面,丝杠是安静的……尽管在没有润滑的情况下,滑动产生的摩擦阻抗会产生颤振或尖叫。
导螺杆耐腐蚀
碳钢材质的滚珠丝杠(常用选择)可能对某些腐蚀性环境敏感。另一方面,丝杠采用不锈钢螺丝和塑料螺母或耐腐蚀。然而,塑料螺母的使用温度可能限制在30 - 150°f之间。不锈钢螺钉和青铜螺母的丝杠抗腐蚀性能也很好。
丝杠设计自由度和成本
滚珠丝杠具有相对刚性的形状系数。相比之下,丝杠给了工程师更多的设计自由。设计师可以从无数的形状因素和螺旋角度中挑选,以优化它们的应用需求。此外,一个新的滚珠丝杠设计的成本通常为1万至2万美元,而类似的丝杠设计的成本为3,000至5,000美元。
导螺杆寿命的计算
由于摩擦磨损可能是非线性的,因此没有可靠的封闭形式的解决方案来计算丝杠的寿命。单一的磨损系数往往不足以预测丝杠组件整个寿命的性能。在受控操作条件下,通过案例研究估算寿命。在载荷、速度和占空比的组合超过一定极限的情况下,故障是可以预测的,并将迅速发生。对于在超过500转/分的推荐设计负载附近运行的应用程序,请与您的丝杠供应商的应用工程部门进行检查。他们可以计算压力速度(PV)系数,这是一个关键的设计因素,以适当的尺寸和选择丝杠组件使用聚合物螺母。
关于压力-速度系数的最后一点说明
PV系数是螺母和螺钉之间的压力和速度的乘积。它有助于确定负载,速度和占空比,螺母可以处理。塑料材料有一个固有的PV额定值,即摩擦热引起塑料永久变形的点。因此,更多的负载应用到丝杠组件,它必须更慢,以避免超过螺母的PV限制。同样,螺母旋转得越快,可用负载能力越低。塑料螺母的主要失效形式是磨损和PV。磨损失效比PV失效发生得更慢,可以通过应用案例研究和测试来解释。
导螺杆润滑
所有的滚珠丝杠都需要润滑,以提供合理的寿命。使用青铜螺母的丝杠机构也需要润滑剂,通常是厚厚的阻尼润滑脂。相比之下,带塑料螺母的丝杠组件可以在没有润滑剂的情况下运行,因为螺母材料内部有润滑剂,但使用凝胶型润滑剂可以通过减少螺母和螺钉之间的摩擦增加允许载荷和延长寿命。对于中等负载,速度和工作周期的办公环境,润滑应持续50万至250万英寸。恶劣的环境会降低润滑脂的使用寿命。给终端用户的提示:如果有颗粒,请在重新涂抹润滑剂之前清洁螺丝。当螺纹侧面没有可见的膜残留时,重新涂一次。
更多的指导原则:不要在有明显的颗粒或碎片的环境中使用润滑脂,这些颗粒或碎片可能会加载润滑脂,并将其变成研磨性泥浆。在这种类型的应用中,使用干膜润滑剂代替。聚四氟乙烯涂层是一种干膜,可在金属基材和聚合物套管或铅螺母之间形成润滑屏障。适合与塑料螺母、不锈钢丝杠配合使用。这种配对消除了润滑维护的需要,涂层不会像凝胶润滑剂那样吸引微粒。
在线选择和调整尺寸
今天,在线工具大大减少了工程师需要花在挑选合适丝杠上的时间。在某些情况下,用户需要输入关键的应用参数,包括安装配置、加载条件、寿命要求、方向、速度和行程。然后,这个在线软件会通过全面的计算来筛选选择。然后给出了满足应用要求的产品列表,按最小到最大的螺杆尺寸排序。用户可以根据精度、重复性、环境和螺母样式等参数进一步过滤结果。输出产品规格,尺寸,3D模型,报价请求表和订购信息。
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