滾珠絲杠副動力學分析

滾珠絲杠副是精密移動單元最常使用的傳動元件之一，是以滾珠的滾動代替絲杠螺母滑動的螺旋運動副。由于滾珠絲杠的摩擦損失小，其傳動效率可達90%~98%約為滑動旋轉機構效率的2~3倍。滾珠絲杠副中，當絲杠與螺母承受軸向載荷發(fā)生相對運動時，滾珠分別與絲杠滾道及螺母滾道面接觸。目前國內(nèi)應用最廣泛的滾道型面有單圓弧型和雙圓弧型兩種，滾珠在雙圓弧滾珠絲杠副中有四個接觸區(qū)域，而在單圓弧滾珠絲杠副中有兩個接觸區(qū)域。隨著滾珠在接觸區(qū)域的受力和方向不同，滾珠的運動形式也有所不同，主要有滾動、轉動、滑動運動等。
滾珠絲杠副的摩擦包含滾動摩擦與滑動摩擦，但摩擦力產(chǎn)生機理較復雜，是多種因素綜合作用的結果。它不僅與絲杠本身的結構尺寸、幾何精度、材料及熱處理性能有關，還與工作載荷、裝配精度、調整預緊方法、反向器選擇、潤滑條件及環(huán)境參數(shù)有關。滾珠絲杠副的摩擦主要來自以下幾個方面：材料彈性滯后所引起的純滾動摩擦；在滾動接觸面上的差動滑動所引起的摩擦；滾動體沿接觸面中心法線的自旋滑動所引起的摩擦；滑動接觸部位的純滑動摩擦；潤滑劑的粘性摩擦。
當滾珠沿著螺旋面運動，滾珠中心的運動軌跡為一過滾珠中心圓的螺旋線，當兩法向力相等時，絲杠與螺母保持靜止。當滾珠運動時，由于兩個法向力作用，兩摩擦力可分解成使?jié)L珠滾動的兩摩擦分力（方向沿滾珠中心運動）,以及使?jié)L珠產(chǎn)生滑移的兩分力。滾珠在摩擦力的滑移分力作用下，在滾道的法平面內(nèi)產(chǎn)生滑移運動。另一方面，滾珠的側滑移方向隨著絲杠旋轉方向而改變，當絲杠傳動使螺母移動方向與軸向載荷相反時，則滾珠向螺母滾道側滑移；反之，滾珠就向絲杠滾道側滑移。由于滾珠在滾珠絲杠副中的運動復雜，研究滾珠在螺旋傳動中的運動受力特性和滑移特性是滾珠絲杠副動力學及設計分析的難點和基礎。
日本學者Yoshida等基于套圈控制理論對滾珠絲杠副滾道中滾珠的運動和受力進行了分析，Miyaguchi等則詳細論述了滾珠螺旋副中滾珠接觸點的變化與摩擦力矩變換的關系；美國學者Lin等對滾珠絲杠副的運動學和動力學進行了理論分析研究，Huang等在分析滾珠運動的基礎上對不同接觸狀態(tài)下的差動滑動摩擦力等一系列公式進行了推導，Mundo等則對滾珠絲杠副進行了運動學優(yōu)化；我國臺灣學者Wei等從接觸角和彈性變形方面對滾珠絲杜副進行了運動學分析，馮虎田等對滾珠絲杠副摩擦力矩動態(tài)測量系統(tǒng)進行了設計，并對HJG-S系列滾珠絲杠副動態(tài)摩擦力矩進行了測試。