一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置的制作方法

本发明属于滚珠丝杠副性能提高领域，特别是一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置。

背景技术：

滚珠丝杠副包含丝杠、螺母、滚珠和循环系统等组件。其主要功能是将旋转运动转换为直线运动，或将扭矩转换为轴向往复作用力，具有高精度、高效率、节省能源、零间隙高刚度传动、跟随灵敏、不污染环境且对周边环境的适应性强等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域，且始终占据直线运动应用领域的绝大部分市场。

近年来，数控机床高速、高精以及高寿命的发展趋势使得定位精度、高承载性能以及可靠性成为评价滚珠丝杠副的重要指标。就提高滚珠丝杠的承载能力而言，目前，市面上用来提高滚珠丝杠副最大轴向载荷只有通过增大丝杠副的预紧力的方法。但过大的预紧力会导致发热增加、磨损增大，从而直接影响滚珠丝杠副的定位精度、动态刚性、温升、效率以及摩擦磨损等一系列性能。所以这种依靠增大预紧力的方式增大最大轴向载荷的方法并不能显著增大滚珠丝杠副最大轴向载荷，其实际应用价值不大。因此，如何在不增大预紧力的前提下大幅提高丝杠最大轴向载荷，增大其承载性能就成为急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种提高双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置，包括滚珠丝杠副、螺母套筒、弹性元件以及固定装置，其中，滚珠丝杠副包括丝杠、第一滚珠螺母以及第二滚珠螺母；

所述第一滚珠螺母、第二滚珠螺母嵌于螺母套筒中，并与丝杠同轴设置，且均通过滚珠滚道与丝杠配合安装；弹性元件与第二滚珠螺母的外圆配合安装，用于将最大轴向载荷提高η倍；弹性元件通过固定装置固定。

该装置最大轴向载荷提高的倍数η为：

式中，f1为普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷，f2为该装置的最大轴向载荷。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)装置结构简单，成本低，安装简单，无需拆卸原有滚珠丝杠副；2)该装置能极大程度的提高双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷，但不会影响原滚珠丝杠副的结构和性能；3)该装置增大的最大轴向载荷倍数可以通过更换不同弹性元件如不同低刚性的垫片(或者其他具有相同效果的弹性元件)来调节，从而使得同样的滚珠丝杠可以适应不同轴向载荷的工程场合，如注塑机、打桩机等。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷装置示意图。

图2为本发明实施例中提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷实验验证装置示意图。

图中：1、丝杠2、第一滚珠螺母3、螺母套筒4、弹性元件5、固定装置6、第二滚珠螺母7、载荷加载装置8、防转机构9、键10、轴向固定机构11、支撑面12、力传感器。

具体实施方式

结合图1，本发明一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置，包括滚珠丝杠副、螺母套筒3、弹性元件4以及固定装置5，其中，滚珠丝杠副包括丝杠1、第一滚珠螺母2以及第二滚珠螺母6；

第一滚珠螺母2、第二滚珠螺母6嵌于螺母套筒3中，并与丝杠1同轴设置，且均通过滚珠滚道与丝杠1配合安装；弹性元件4与第二滚珠螺母6的外圆配合安装，用于将最大轴向载荷提高η倍；弹性元件4通过固定装置5固定。

进一步地，第一滚珠螺母2、第二滚珠螺母6与丝杠1初始配合安装时，施加了初始预紧力fp。

示例性优选地，弹性元件4具体采用低刚性垫片。

示例性优选地，固定装置5具体采用螺母，第二滚珠螺母6的外圆有螺纹，固定装置5与第二滚珠螺母6的外圆通过螺纹安装固定。

进一步地，所述η为：

式中，f1为普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷，f2为该装置的最大轴向载荷。

其中，普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷f1，具体为：

求取普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的预紧力fp：

式中，mtest为通过摩擦力矩测量系统检测的普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副空载摩擦力矩，α0为接触角，μ为滚珠丝杠副摩擦系数，rm为丝杠轴的半径，rb为滚珠的半径；

根据预紧力fp求取普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷f1：

f1＝2.83fp。

本发明装置的最大轴向载荷f2，具体为：

当滚珠丝杠副受到最大轴向载荷时，第一滚珠螺母2中滚珠变形量、第二滚珠螺母6中滚珠变形量以及弹性元件4的轴向变形量之间的关系为：

δδa＝δδb+δδ'

式中，δδ'为弹性元件4的变形恢复量，δδa为第一滚珠螺母2中滚珠的轴向变形量，δδb为第二滚珠螺母6中滚珠的轴向变形量；普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的δδ'等于零；

则该装置的最大轴向载荷f2为：

其中，

式中，ck表示丝杠赫兹接触系数，ce表示材料常数，针对滚珠轴承钢，ce＝0.4643；yn和ys分别为螺母和丝杠在赫兹理论中对于第一类和第二类椭圆积分的辅助值；ρn和ρs分别为滚珠-螺母滚道和滚珠-丝杠滚道接触点处的曲率半径倒数。

本发明相较普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的区别为：当一个加载装置沿第一滚珠螺母2处丝杠施加轴向力时，第一滚珠螺母2中滚珠与滚道之间的压缩变形量不仅要抵消第二滚珠螺母6中滚珠的弹性恢复量，还要抵消外加弹性元件4以及螺纹连接等的弹性恢复量。正是由于弹性元件4的初始变形量，从而极大的提高了达到卸载状态所需的最大轴向载荷。且弹性元件4刚性越低其初始变形量越大，则达到卸载状态所需的最大轴向载荷也越大。

实施例

结合图2，本发明实施例的实验验证装置是在图1装置上加装载荷加载装置7、防转机构8、键9、轴向固定机构10、支撑面11、力传感器12，用以获取实验数据，进行验证。其关系如下：

载荷加载装置7的力通过防转机构8传递给丝杠1的轴向，载荷加载装置7的加载方向是自上向下加载的；防转机构8内壁开有键槽，通过键9与丝杠1开有键槽的轴段配合。

轴向固定机构10包括4个螺钉，该4个螺钉90度均布安装在螺母套筒3上，力传感器12数量为2个，以180度均布在螺母套筒3与弹性元件4之间，螺母套筒3通过轴向固定机构10和支撑面11固定。

特别说明，本实施例为了测得真实的最大轴向载荷，进而对本发明装置的效果进行验证，在弹性元件4处安装力传感器12，并没有改变本发明装置的实质结构。

本实施例中，提高双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷实验测量过程，包括以下测量步骤：

步骤1、根据图2所示装置的结构关系装配各个零件；

步骤2、启动载荷加载装置7，加载读数校准清零，自上向下给丝杠1加载轴向力，螺母套筒3受到竖直向下的轴向载荷，此时第一滚珠螺母2中滚珠与滚道之间的压力逐渐增大，而第二滚珠螺母6中滚珠与滚道之间的压力逐渐减小；

步骤3、继续增大加载力，当轴向载荷增大到一定程度时，第二滚珠螺母6中滚珠与滚道将出现完全脱开的状态，即达到卸载状态。在此过程中观察力传感器12的示数，当力传感器12示数逐渐减小直至变为零时，立即停止载荷加载装置7的加载；

步骤4、读取载荷加载装置7上的力的大小，该力即为双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷f2；

步骤5、普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷f1依据传统的2.83倍理论求得：

f1＝2.83fp

则本发明理论最大轴向载荷增大倍数为η＝f2/f1。

说明：本次试验选取的预紧力水平分别为：1000n、2000n、3000n和4000n。假设螺母套筒3、低刚性垫片4、力传感器12的刚性值分别以kt、kd、kc表示，则三者的综合刚性kz为：

通过计算以及查找厂家手册可知，螺母套筒3、低刚性垫片4、力传感器12的刚性值分别为29296n/μm、82307n/μm以及117n/μm，所以三者的综合刚性kz为345n/μm。

特别说明，本实施例中力传感器12的刚性值117n/μm远远小于低刚性垫片4的刚性值82307n/μm，将图2实验验证装置中力传感器12和低刚性垫片4整体等效为一个刚性极低的低刚性垫片4。实验结果如下表1所示：

表1不同预紧力水平下最大轴向载荷的试验值与理论值与增大倍数η

由上述实验实例可以看出，本发明装置的最大轴向载荷比普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副2.83倍理论(2.83倍理论：目前国内外普遍采用滚珠丝杠副的预紧力的2.83倍来表示滚珠丝杠副最大轴向载荷)的最大轴向载荷大很多，能够验证本发明装置的可行性和正确性。

本发明的装置能在不影响滚珠丝杠副结构和性能的前提下极大提高滚珠丝杠副的最大轴向载荷，通过更换不同弹性元件如不同低刚性的垫片(或者其他具有相同效果的弹性元件)来调节增大提高倍数，可以使同样的滚珠丝杠能适应不同轴向载荷的工程场合，如注塑机、打桩机等。该装置为双螺母垫片式滚珠丝杠副提供了新的设计思路，对滚珠丝杠的性能提升具有重要的意义。