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          滾珠絲杠和梯形絲杠的區別(一)

          信息來源于:滾珠絲桿 發布于:2023-08-15

          滾珠絲杠和梯形絲杠的區別(一)

          機械設計中,我們經常用到滾珠絲杠和梯形絲杠,它們是兩種常用的,將旋轉運動變為直線運動的方法。其中,滾珠絲杠因為摩擦小,可逆,還可將直線運動,變成旋轉運動,我們稱這種傳動為逆效率傳動。
          那么,這兩者有什么區別?什么時候用滾珠絲杠?什么時候用梯形絲杠?如何根據精度,速度,載荷等要求,選擇滾珠絲杠(或者梯形絲杠)和電機?常用的兩端支撐結構形式是什么?(固定-支撐)長行程時,螺母解耦的結構設計是什么樣子?漢藝精工為你科普滾珠絲杠趣知識。

           

          1. 結構不同

          首先,我們來看看結構,因為結構決定特性。
          滾珠絲杠,從字面上也很好理解,就是用滾珠來滾動,滾珠在哪里滾動,當然是在滾珠絲杠軸上滾動。
          所以,絲杠軸上有圓弧輪廓,此輪廓在軸上按照一定的升角(導程角)盤旋在軸上。
          而滾球被設計在螺母里,在絲杠軸圓弧輪廓里滾動,所以是滾動摩擦。
          其運動原理,就是螺旋副,簡單理解,就是類似于擰螺釘,我們知道,擰螺釘時,如果在螺釘端部限制螺釘移動,那么被螺紋嵌入部件,就會沿著螺釘軸線移動。

          滾珠絲杠,也是同樣的道理,把絲杠軸一端或者兩端沿軸向固定,用馬達驅動絲杠旋轉,那么,帶鋼球的螺母,就會沿絲杠軸線方向運動。

          梯形絲杠和滾珠絲杠的運動原理相同,不同之處在于,梯形絲杠里沒有滾珠,那么螺母和絲杠軸之間的運動,完全靠機械接觸產生滑動,是滑動摩擦,所以梯形絲杠也叫滑動絲杠。
          所以兩者的結構區別,用一句話概括就是: 滾珠絲杠是滾動摩擦,梯形絲杠是滑動摩擦。


          2. 傳動效率不同

          很顯然,滾動摩擦的摩擦系數遠遠低于滑動摩擦系數。
          比如,NSK和THK都顯示,滾珠絲杠的摩擦系數在0.003到0.01之間,而梯形絲杠的摩擦系數在0.1到0.2之間。
          再比如,REXROTH顯示,滾珠絲杠的摩擦系數在0.005到0.01之間,而梯形絲杠的摩擦系數在0.2到0.3之間。
          這也是為什么大多數滾珠絲杠的傳動效率高達90%,有的甚至達到95%以上,而大多數梯形絲杠的傳動效率低于70%。
          比如,知名的絲杠供應商Thomson linear顯示,滾珠絲杠的傳動效率在85%-95%之間,而梯形絲杠的傳動效率在30%-70%之間。
          而另一家供應商Helix linear則顯示,其梯形絲杠的傳動效率在15%-85%之間。
          梯形絲杠的傳動效率低下,從能量的角度來看,是因為滑動摩擦,特別是高速運動,產生了大量的熱,如果絲杠或者螺母受不了,就會“燒著了”,所以,梯形絲杠不太適合高速運行要求,其最高轉速一般不超過3000RPM。
          而滾珠絲杠,因為是滾動摩擦,所以沒有那么多熱量產生,速度可以達到很高,比如10000RPM。
          但是,兩種絲杠,由外部負荷引起的摩擦扭矩,計算公式一樣,都是Ta=Fa*L/2πη,Fa表示由外部負荷產生的軸向力,L表示導程,η表示效率。
          這個公式用功和能量原理很好理解,因為公式可以寫成Ta*2πη=Fa*L,很明顯,左邊表示轉一圈時,扭矩的有效功,右邊表示克服載荷移動一個導程,需要的能量。
          所以,在導程相同的情況下,就扭矩計算而言,選擇的主要區別就在于效率。
          因為滾珠絲杠的效率是梯形絲杠的2-4倍,所以一般而言,用同樣的導程,來驅動相同的負載時,滾珠絲杠更有優勢。


          3. 自鎖性不同理論顯示,當絲杠傳動效率大于50%時,沒有自鎖性,當傳動效率小于35%時才有自鎖性。
          所以,滾珠絲杠沒有自鎖性,而梯形絲杠有一定的自鎖性。
          所以,就Z向應用來說,梯形絲杠有自鎖的優勢,當然,實際情況,還需要考慮精度速度等因素。
          如果將滾珠絲杠,應用于豎直方向,則需要考慮斷電時,無法自鎖,需要加額外的結構或者器件,來保證停電時,絲杠螺母停留在原來的位置,而不會滑落下來,這對安全起著重要的作用。
          現在很多電機自帶剎車模塊,就是斷電時,可以抱住電機軸,不讓它旋轉,起到保護作用,當然,剎車能提供的扭矩是有限的,可以根據需要選擇合適的型號。
          4. 制作材料不同滾珠絲杠軸一般是用不銹鋼或者合金鋼,而螺母一般用銅制,因為銅可以承受較大的載荷,同時摩擦系數小,有一定的自潤滑作用,正如我們常見的一些直線軸承,或者平面滑板,也用銅,正是這個原因。
          梯形絲杠軸也用不銹鋼或者合金鋼。而對于螺母,則和滾珠絲杠有一點不同,很多時候,梯形絲杠螺母會使用非金屬材料。

          比如低載荷時,一般用低摩擦系數,耐高溫的合成工程材料,如在尼龍,賽鋼,PEEK,VESPEL,PET,PPS等材料中,混入特富龍(PTFE),來實現低摩擦系數,同時有一定的耐熱性能。
          很多時候,PEEK材料本身就被用來做動態接合面的密封,而PTFE和尼龍也經常被用來做涂層,起到潤滑的作用,比如上一篇文章《機械設計中,重力平衡有哪些方法?》中提到的鋼繩氣缸,鋼繩上就有尼龍涂層,達到降低摩擦的作用。

          再比如,我們常用的用來做螺母的熱塑性材料,有Turcite A和Turcite X,這是兩種耐磨,自潤滑材料。
          數據顯示,Turcite A,抗拉強度為52.4Mpa,抗彎強度75.84Mpa,抗壓強度89.63Mpa,這些強度都高于Turcite X(三種強度值分別為40.68Mpa,55.16Mpa,82.74Mpa),而且其PV值僅有7500psi-fpm,大約是TurciteX的一半,所以它用于中度至重負荷,而且適用于中度速度。同時,Turcite A比Turcite X有較高的耐磨性,顏色為藍色,通常是圓棒材料。
          Turcite X比Turcite A有更低的滑動摩擦系數,摩擦系數為0.22(Turcite A為0.3),而且,其極限PV值為Turcite A的兩倍多,達到16000psi-fpm,但是其抗拉強度和抗彎曲強度都比Turcite X低,所以適用于輕載荷,高速度的應用,其顏色為紅色。
          當然,高載荷時,梯形絲杠也用銅做螺母。
          為什么降低摩擦在這里變得如此重要?
          因為梯形絲杠有PV(PressureVelocity)極限的問題,也就是說載荷一定時,速度有限制,如果載荷偏大,那么速度需要變得低一點,載荷小速度可以高些。
          因為對于特定材料,摩擦產生熱量,如果這個熱量的耗散速度太低,跟不上熱量的產生速度,那么就會導致材料永久變形,通俗理解就是“燒著了”。
          漢藝精工將在下一篇文章繼續幫您介紹滾珠絲杠和梯形絲杠的區別。

          以上就是滾珠絲杠和梯形絲杠的區別(一)的詳細介紹,有需要 國產滾珠絲桿的老板可以 聯系我們

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