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滾珠絲杠和梯形絲杠的區(qū)別（一）

機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常用到滾珠絲杠和梯形絲杠，它們是兩種常用的，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的方法。其中，滾珠絲杠因?yàn)槟Σ列?，可逆，還可將直線運(yùn)動(dòng)，變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們稱這種傳動(dòng)為逆效率傳動(dòng)。
那么，這兩者有什么區(qū)別？什么時(shí)候用滾珠絲杠？什么時(shí)候用梯形絲杠？如何根據(jù)精度，速度，載荷等要求，選擇滾珠絲杠（或者梯形絲杠）和電機(jī)？常用的兩端支撐結(jié)構(gòu)形式是什么？（固定－支撐）長行程時(shí)，螺母解耦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是什么樣子？漢藝精工為你科普滾珠絲杠趣知識(shí)。

1. 結(jié)構(gòu)不同

首先，我們來看看結(jié)構(gòu)，因?yàn)?/span>結(jié)構(gòu)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(dòng)，滾珠在哪里滾動(dòng)，當(dāng)然是在滾珠絲杠軸上滾動(dòng)。
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(dǎo)程角）盤旋在軸上。
而滾球被設(shè)計(jì)在螺母里，在絲杠軸圓弧輪廓里滾動(dòng)，所以是滾動(dòng)摩擦。
其運(yùn)動(dòng)原理，就是螺旋副，簡(jiǎn)單理解，就是類似于擰螺釘，我們知道，擰螺釘時(shí)，如果在螺釘端部限制螺釘移動(dòng)，那么被螺紋嵌入部件，就會(huì)沿著螺釘軸線移動(dòng)。

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(dá)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，那么，帶鋼球的螺母，就會(huì)沿絲杠軸線方向運(yùn)動(dòng)。

梯形絲杠和滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，完全靠機(jī)械接觸產(chǎn)生滑動(dòng)，是滑動(dòng)摩擦，所以梯形絲杠也叫滑動(dòng)絲杠。
所以兩者的結(jié)構(gòu)區(qū)別，用一句話概括就是: 滾珠絲杠是滾動(dòng)摩擦，梯形絲杠是滑動(dòng)摩擦。

2. 傳動(dòng)效率不同

很顯然，滾動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
比如，NSK和THK都顯示，滾珠絲杠的摩擦系數(shù)在0.003到0.01之間，而梯形絲杠的摩擦系數(shù)在0.1到0.2之間。
再比如，REXROTH顯示，滾珠絲杠的摩擦系數(shù)在0.005到0.01之間，而梯形絲杠的摩擦系數(shù)在0.2到0.3之間。
這也是為什么大多數(shù)滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高達(dá)90%，有的甚至達(dá)到95%以上，而大多數(shù)梯形絲杠的傳動(dòng)效率低于70%。
比如，知名的絲杠供應(yīng)商Thomson linear顯示，滾珠絲杠的傳動(dòng)效率在85%-95%之間，而梯形絲杠的傳動(dòng)效率在30%-70%之間。
而另一家供應(yīng)商Helix linear則顯示，其梯形絲杠的傳動(dòng)效率在15%-85%之間。
梯形絲杠的傳動(dòng)效率低下，從能量的角度來看，是因?yàn)榛瑒?dòng)摩擦，特別是高速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了大量的熱，如果絲杠或者螺母受不了，就會(huì)“燒著了”，所以，梯形絲杠不太適合高速運(yùn)行要求，其最高轉(zhuǎn)速一般不超過3000RPM。
而滾珠絲杠，因?yàn)槭菨L動(dòng)摩擦，所以沒有那么多熱量產(chǎn)生，速度可以達(dá)到很高，比如10000RPM。
但是，兩種絲杠，由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩，計(jì)算公式一樣，都是Ta=Fa*L/2πη，F(xiàn)a表示由外部負(fù)荷產(chǎn)生的軸向力，L表示導(dǎo)程，η表示效率。
這個(gè)公式用功和能量原理很好理解，因?yàn)楣娇梢詫懗?/span>Ta*2πη=Fa*L，很明顯，左邊表示轉(zhuǎn)一圈時(shí)，扭矩的有效功，右邊表示克服載荷移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，需要的能量。
所以，在導(dǎo)程相同的情況下，就扭矩計(jì)算而言，選擇的主要區(qū)別就在于效率。
因?yàn)闈L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(dǎo)程，來驅(qū)動(dòng)相同的負(fù)載時(shí)，滾珠絲杠更有優(yōu)勢(shì)。

3. 自鎖性不同理論顯示，當(dāng)絲杠傳動(dòng)效率大于50%時(shí)，沒有自鎖性，當(dāng)傳動(dòng)效率小于35%時(shí)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(yīng)用來說，梯形絲杠有自鎖的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然，實(shí)際情況，還需要考慮精度速度等因素。
如果將滾珠絲杠，應(yīng)用于豎直方向，則需要考慮斷電時(shí)，無法自鎖，需要加額外的結(jié)構(gòu)或者器件，來保證停電時(shí)，絲杠螺母停留在原來的位置，而不會(huì)滑落下來，這對(duì)安全起著重要的作用。
現(xiàn)在很多電機(jī)自帶剎車模塊，就是斷電時(shí)，可以抱住電機(jī)軸，不讓它旋轉(zhuǎn)，起到保護(hù)作用，當(dāng)然，剎車能提供的扭矩是有限的，可以根據(jù)需要選擇合適的型號(hào)。
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?yàn)殂~可以承受較大的載荷，同時(shí)摩擦系數(shù)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(gè)原因。
梯形絲杠軸也用不銹鋼或者合金鋼。而對(duì)于螺母，則和滾珠絲杠有一點(diǎn)不同，很多時(shí)候，梯形絲杠螺母會(huì)使用非金屬材料。

比如低載荷時(shí)，一般用低摩擦系數(shù)，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(shí)現(xiàn)低摩擦系數(shù)，同時(shí)有一定的耐熱性能。
很多時(shí)候，PEEK材料本身就被用來做動(dòng)態(tài)接合面的密封，而PTFE和尼龍也經(jīng)常被用來做涂層，起到潤滑的作用，比如上一篇文章《機(jī)械設(shè)計(jì)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(dá)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(shù)據(jù)顯示，Turcite A，抗拉強(qiáng)度為52.4Mpa，抗彎強(qiáng)度75.84Mpa，抗壓強(qiáng)度89.63Mpa，這些強(qiáng)度都高于Turcite X(三種強(qiáng)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(fù)荷，而且適用于中度速度。同時(shí)，Turcite A比Turcite X有較高的耐磨性，顏色為藍(lán)色，通常是圓棒材料。
而Turcite X比Turcite A有更低的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)為0.22（Turcite A為0.3），而且，其極限PV值為Turcite A的兩倍多，達(dá)到16000psi-fpm，但是其抗拉強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度都比Turcite X低，所以適用于輕載荷，高速度的應(yīng)用，其顏色為紅色。
當(dāng)然，高載荷時(shí)，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?yàn)樘菪谓z杠有PV（PressureVelocity）極限的問題，也就是說載荷一定時(shí)，速度有限制，如果載荷偏大，那么速度需要變得低一點(diǎn)，載荷小速度可以高些。
因?yàn)閷?duì)于特定材料，摩擦產(chǎn)生熱量，如果這個(gè)熱量的耗散速度太低，跟不上熱量的產(chǎn)生速度，那么就會(huì)導(dǎo)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(xù)幫您介紹滾珠絲杠和梯形絲杠的區(qū)別。