华中科技大学
姓名：韦振兴
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：杨家军
2011
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘要
行星滚柱丝杠副以其高速、重载、效率高、工作寿命长等特点，被广泛的应用到各种精密直线传动及大
推力传动的场合，将逐步代替滚珠丝杠成为高精重载直线传动的首选零部件。但是由于国内对行星滚柱丝杠副的研制尚处于起步阶段，很多基础理论还不完善，本文主要针对行星滚柱丝杠副的刚度、摩擦力及效率等性能进行分析，并对其主要影响因素进行了探讨，为产品结构优化设计及系列化研制提供了理论基础。 本文首先分别采用赫兹理论和分形理论对行星滚柱丝杠副的接触变形进行了数学
建模及数值分析计算，并对两种理论的计算结果进行了对比；其次在考虑丝杠的扭转变形与轴向拉压变形、丝杠副组件的轴向拉压变形、接触变形、螺纹变形等因素的情况下，对行星滚柱丝杠副的载荷分布进行了数学建模及计算，并对其轴向静刚度进行了分析计算，同时对影响轴向静刚度的各种因素如预紧力的施加方式及大小、螺旋升角、接触角等进行了分析；然后对行星滚柱丝杠副的摩擦力产生机理进行了研究，同时对其影响因素如预紧载荷、加工制造误差、润滑特性等进行了探讨，最后对其效率进行了数学建模及计算，同时对其主要影响因素如螺旋升角、接触角等进行了分析。
本文的创新点在于：应用分形理论实现对行星滚柱丝杠副接触刚度的数学建模与分析计算，并与基于赫兹理论的接触刚度模型计算结果进行了对比；对行星滚柱丝杠副的轴向静刚度、摩擦力及效率分别进行了数学建模及数值计算，并对其影响因素进行了探讨。本文的研究成果为行星滚柱丝杠副的结构优化分析、产品研制及应用提供了一定的理论基础与借鉴价值，为行星滚柱丝杠副的基础理论深入研究奠定了基础。
关键词：行星滚柱丝杠赫兹接触分形理论轴向静刚度摩擦力效率
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Abstract
Planetary roller screw with its characteristics of high speed、overloading、high efficiency、long life and so on, has been widely applied to a variety of the occasion of precision transmission linear and high-thrust, gradually has been the first choice of heavy and high precision line-transmission parts instead of ball screw. However, due to the basic theory of the Planetary roller screw was still in the initial stage in the domestic, and there weren’t appropriate theoretical basis and c alculation model on the importent performance indicators such as stiffness、friction、efficiency and so on. This paper mainly analyzed on these performance, and then studied on its main influencing factors. These all provides a good theoretical basis for the structure optimization and research and development of products of the planetary roller screw.
Firstly, This paper built the mathematical model and numerical analysised on the contact deformation of the planetary roller screw followed by the Hertz theory and Fractal theory, and then the computing result were compared; Secondly, taken into consideration the factors of the torsional and axial tensio
冬瓜去皮机n and compression deformation of the screw, the axial tension and compression deformation、contacting deformation、thread deformation of the vice assembly, the mathematical model of load distribution for the planetary roller screw have been built and calculated, and then the axial static stiffness were analyzed and calculated, the influencing factors of the the axial static stiffness such as the manner and size of the preload、helix angle、contacting angle and so on were discussed and analyzed simultaneously; Then the generation mechanism of the f riction for planetary roller screw, and the influencing factors such as preload、Processing error、Lubrication characteristics and so on were discussed and analyzed simultaneously; Lastly, the mathematical model of efficiency were built and calculated, the influencing factors such as helix angle、contacting angle were analyzed.
The innovation is that as followed:built the mathematical modeling of the contact stiffness f or planetary roller screw with the fractal theory, and then compared with the hertz theory. Then built numerical molding of the axial static stiffness、friction and efficiency for the planetary roller screw, and the influencing factors were analyzed and discussed. The result of the research provided a basis theory and reference value for the structure optimization, products research & development and application, and also laied a certain foundation for the
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further basic theory research of planetary roller screw.
滚珠丝杠副安装Keywords: Planetary roller screw Hertz contact theory Fractal Theory Axial static stiffness Friction Efficiency
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t梁预制独创性声明
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1. 绪论
1.1课题来源
本课题来源于华中科技大学机械学院与山东博特精工股份有限公司的合作项目“行星滚柱丝杠副基础理论研究”。针对目前国内行星滚柱丝杠副基础理论研究工作存在的严重不足，本文主要对行星滚柱丝杠的轴向静刚度、摩擦力及工作效率等进行了数学建模分析并对其影响因素进行了分析研究。
1.2课题研究的目的和意义
行星滚柱丝杠起源于二十世纪四十年代左右，并于1942年获得了发明专利，但是直到二十世纪中叶，美国人将其应用于军用直升飞机上，才得到真正的使用和大规模的推广。由于其相比滚珠丝杠承载能力更强、速度更快、精度更高、寿命更长等特点，使其成为航空机械、数控机床、精密仪器和仪表等精密机械设备中最为关键的基础部件之一，并得到了相当广泛的应用[1]。
苒苒草随着高速高精加工技术的不断发展，数控机床传统的“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”传动方式的缺陷不断表现出来：滚珠丝杠副为点接触，其承载能力和轴向接触刚度不足，以致直线传动系统的刚度不足；由于滚珠丝杠副中有循环返回装置，因此当直线速度很高时，必然会带来噪声过大、温升快和寿命低等一系列的问题等等，严重制约了滚珠丝杠副高速化的发展，满足不了重载高速高精的数控机床要求[2, 3]。
机器人电主轴
近些年，虽然出现了一种全新的非接触式精密直线传动单元——直线电机，其传动效率高、系统刚度高、负载可直接作用于电机上，因而当电机带动负载运动时，与一般的滚珠丝杠副相比，直线电机显示出极高的动态刚度以及传动精度。但到目前为止其推动力仍较小，不适合在重载场合采用；且由于其自身结构的齿槽效应和端部效应致使其在高速运行时不平稳，再加之控制系统复杂、价格高、对周围的工作环境要求高以及安装维修不方便等缺陷使之不能在重型切削机床中得到广泛的应用[4]。
行星滚柱丝杠副作为一种新型的直线传动单元，其主要由滚柱、丝杠、螺母组成，三者之间多点接触，安装维修简单，且由于其高速高精、重载、可在恶劣工况下长时间工作等显著的特点，广泛应用于精密仪器、数控机床、加工中心、工业机器人、注塑机、光电设备、医疗器械和航空航天等精密传动场合[5]，并作为大推力电动缸的主要关键部件之一广泛应用于冶金、矿山、武器设备等重载场合[6]。并得到越来越得到
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