行星滚柱丝杠效率

华中科技大学硕士学位论文行星滚柱丝杠副刚度及效率的分析与研究姓名：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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文　AbstractPlanetary 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 tension 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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文　further basic theory research of planetary roller screw.Keywords: Planetary roller screw Hertz contact theory Fractal Theory Axial static stiffness Friction Efficiency华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文　独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

研究意义：行星滚柱丝杠作为一种新型的传动装置，具有摩擦小、效率高、寿命长、体积小、承载能力强等特点，被广泛的应用于精密仪器、数控机床、武器装备、工业机器人、医疗器械的制造和航空航天等领域。

性能优势：滚柱丝杠与滚珠丝杠的传动原理类似，但是用螺纹滚柱代替了滚珠丝杠中的滚珠作为丝杠和螺母之间的传动体，增加了接触点的数量，所以比滚珠丝杠具有更优越的性能。

行星滚柱丝杠的中心丝杠与螺母分别与滚柱啮合，在滚柱与丝杠和螺母螺旋升角相同的情况下，传动过程中没有相对滑动，与滚柱丝杠副一样，各部件之间的摩擦都为滚动摩擦，将大大减小传动摩擦阻力，传动效率将得到很大提高，传动部件经过表面工艺处理后，滚动摩擦产生的磨损极小，因此将大大提高使用寿命。

（滚动摩擦的优点、与滚珠丝杠共有）滚柱丝杠副较滚珠丝杠副有更多的接触点，可以提供更高的额定动载和静载，并且接触点的增多将大幅提高刚度和抗冲击能力。

在相同载荷条件下，滚柱丝杠相对于滚珠丝杠占用更小的空间，并且使用寿命延长了10倍以上。

（多接触点的优点）滚柱丝杠副的螺纹滚柱两端通过齿轮啮合，这可以保证滚柱与丝杠和螺母间啮合传动的同步性，避免个别滚柱打滑造成干涉。

这种滚柱周向相对固定的结构使得滚柱丝杠相对滚珠丝杠可以提供更大的速度和加速度。

（滚柱周向相对固定优点）由于滚柱丝杠用螺纹滚柱代替了滚柱，克服了滚珠直径对传动机构的限制。

由于没有了滚柱直径的限制，滚柱丝杠可以采用比滚珠丝杠更小的导程，实现在小导程下的高速传动，振动小，噪音低。

丝杠是小导程角的非圆弧螺纹，有利于提高导程精度，实现精密微进给，提高传动精度。

（小导程的优点）应用前景：行星滚柱丝杠以上诸多优点给其带来了广阔的应用前景。

滚柱丝杠具有较高承载能力和较快速度，除了可以代替梯形丝杠，滚珠丝杠外，在一定情况下可以代替气缸和液压缸的作用。

其配置简单，不需要诸如阀门、泵、过滤器、传感器等复杂的配套系统。

并且其体积小，工作寿命长，维护简单，不存在液压缸的液体渗漏情况，噪音显著减小。

行星滚柱丝杠工作原理
1.输入运动：由电机或其他动力源提供动力，经过传动装置将转动运动传递给滚柱组件。

通常，传动装置是由电动机通过齿轮、链条或直线传动系统与滚柱组件相连的。

2.滚动运动：滚柱组件由悬臂支撑，通过滚动方式进行运动。

在传动环的周围，有许多滚动的滚柱，它们的作用类似于滚珠轴承。

通过滚动运动，滚柱可以将输入运动转化为输出运动。

3.输出运动：输出运动通过滚柱组件传递给负载。

负载可以是各种机械部件，例如工作台、搬运机构等。

由于滚动运动的特性，行星滚柱丝杠可以提供较高的运动精度和刚性。

1.传递运动：通过传动装置将输入运动传递给滚柱组件，滚柱组件通过滚动运动将输入运动转化为输出运动。

2.滚动运动：滚柱组件由滚柱和传动环组成，滚球通过滚动方式进行运动，从而实现运动传递。

3.高效传动：行星滚柱丝杠具有较高的传动效率，可以提供较高的转矩和负载能力，适用于高负载和高精度运动的应用。

4.精度控制：由于滚动运动的特性，行星滚柱丝杠具有较高的运动精度和刚性。

通过控制滚柱的尺寸和数量，可以实现不同的精度要求。

总结起来，行星滚柱丝杠是一种高效、精确、稳定的传动装置，通过滚动运动将输入运动转化为输出运动。

它广泛应用于需要高速、高负载和高精度运动的领域，如数控机床、自动化生产线等。

1mm导程行星滚柱丝杠【最新版】目录1.1mm 导程行星滚柱丝杠的概述2.1mm 导程行星滚柱丝杠的结构和原理3.1mm 导程行星滚柱丝杠的特点与优势4.1mm 导程行星滚柱丝杠的应用领域5.1mm 导程行星滚柱丝杠的市场前景正文一、1mm 导程行星滚柱丝杠的概述1mm 导程行星滚柱丝杠，是一种将转动运动转化为线性运动的机械传动装置。

它主要由滚柱、丝杠螺纹、行星架、太阳轮等部件组成，通过行星架与太阳轮的啮合，实现丝杠螺纹的转动与线性运动之间的传递。

二、1mm 导程行星滚柱丝杠的结构和原理1.结构：1mm 导程行星滚柱丝杠主要由滚柱、丝杠螺纹、行星架、太阳轮、承载座等部件组成。

2.原理：行星滚柱丝杠的工作原理是利用行星架与太阳轮的啮合，将丝杠螺纹的转动转化为线性运动。

当丝杠螺纹旋转时，行星架随之旋转，并带动太阳轮一起旋转。

由于太阳轮与行星架的啮合，使得太阳轮的转速低于丝杠螺纹的转速，从而实现转动与线性运动的传递。

三、1mm 导程行星滚柱丝杠的特点与优势1.高精度：1mm 导程行星滚柱丝杠采用滚柱来实现转动与线性运动之间的传递，具有较高的精度。

2.高承载能力：由于采用行星架与太阳轮的啮合结构，使得 1mm 导程行星滚柱丝杠具有较高的承载能力。

3.高效率：行星滚柱丝杠的传动效率较高，能够满足高速、高负载的工况需求。

4.紧凑结构：1mm 导程行星滚柱丝杠结构紧凑，体积小，便于安装和使用。

四、1mm 导程行星滚柱丝杠的应用领域1mm 导程行星滚柱丝杠广泛应用于各种工业设备、机床、自动化生产线等领域，如数控机床、机器人、自动化装配线等。

五、1mm 导程行星滚柱丝杠的市场前景随着我国制造业的快速发展，对高精度、高效率、高承载能力的传动装置需求不断增加。

1mm 导程行星滚柱丝杠具有诸多优点，市场前景广阔。

一．载荷计算行星滚柱丝杠在实际使用中, 很多情况下丝杠的速度及所承受的轴向载荷都是变化的。

为计算当量动载荷, 首先须计算出丝杠所受的平均载荷。

当速度不变时, 所受载荷也是固定不变的，而当速度改变时, 载荷也随之而变。

此时作用在丝杠上的平均载荷可由下式计算：若速度及载荷方向不变, 而载荷大小在其最大值及最小值之间变化, 此时平均载荷可由下式计算：从而可计算出当量动载荷：根据计算出的当量动载荷, 就可以选取合适的丝杠。

此外, 还应进行静载荷计算。

二．驱动力矩丝杠加速时所需总的驱动力矩可由下式计算：行星滚柱丝杠的效率取决于其工作条件：它在任何条件下都不会自锁, 丝杠和螺母都可以作为主动件，因此,其效率有正效率，将旋转运动变为直线运动，和逆效率 直线运动，变为旋转运动, 其计算公式如下：三．临界速度行星滚柱丝杠的临界转速由下式计算：高速切削技术在我国尚处于起步阶段, 行星滚柱丝杠作为一种新型的高效丝杠将会逐步得到实际应用。

.------- 【一种新型的高速进给传动机构--行星滚柱丝杠】滚柱丝杠副具有较大接触半径的滚动体(图1, R 可看作为等效滚珠半径) , 这样在导程小到只有1 或2mm 时仍可获得很高的承载能力(约为滚珠丝杠副的20 倍) ,并且强度高, 可靠性好。

此外, 和滚珠丝杠副相比, 行星式滚柱丝杠副还具有寿命长、振动小、噪声低、螺母和螺杆易分离等优点行星式滚柱丝杠副的工作原理是螺杆转动, 推动滚柱沿螺杆和螺母组成的滚道作行星式运动。

当将螺杆、滚柱和螺母的接触半径及头数控制到一定的数值时, 螺母与滚柱在轴向近似无相对运动, 螺母与滚柱同步地沿螺杆的轴线运动。

滚柱与螺杆及螺母的接触为点接触, 滚柱两端有外齿轮; 内齿环4 安装于螺母的两端, 与滚柱两端的齿轮相啮合。

这两个齿轮副的啮合保证螺母与滚柱协调工作, 减小导向螺杆的滑动, 保持滚柱工作时的一致性; 导环5 保证各滚柱间有相同的间距, 避免相互间摩擦, 改善受力状态。

1、传动效率。

滚珠丝杠的传动效率可高大90~96%，梯形丝杠的传动效率大约是26~46%。

即在相同大小的复杂下，采用滚珠丝杠可以使用更小的驱动功率，这样可以有效的降低生产成本，也能够降低损耗，给企业增加更多的效益。

2、传动速度。

滚珠丝杠是滚动摩擦，梯形丝杠是滑动摩擦，这样在工作的时候前者的升温远低于后者，因此可以承担高速传动任务。

3、使用寿命。

滚珠的滚动摩擦的表面摩擦力小，在各种清洁保养合理操作的前提下，滚珠丝杠比普通丝杠的使用寿命要更长一些。

4、自锁性。

自锁性一般与传动效率成反比，因此，滚珠丝杠几乎没有自锁性，而梯形丝杠具有一定的自锁性(视乎导程角的大小和工作面粗糙度)。

5、经济性。

滚珠丝杠较普通丝杠要复杂一些，因此价格要比普通丝杠的价格更高一些。

因为滚珠丝杠副具有上述优点，所以在各类中、小型数控机床的直线进给系统中普遍采用滚珠丝杠，但是由于滚珠丝杠副的摩擦因数小、不能自锁，所以当作用于垂直位置时. 为防止因突然停电而造成主轴箱自动下滑，必须加有制动装置。

行星滚柱丝杠效率1. 引言行星滚柱丝杠是一种常用于机械传动系统中的关键部件，其效率直接影响着整个系统的运行性能和能源消耗。

本文将深入探讨行星滚柱丝杠的工作原理、效率计算方法以及影响效率的因素，以期为相关领域的研究和应用提供参考。

2. 工作原理行星滚柱丝杠由外套、内套、滚子和导轨组成。

当外套旋转时，内套相对静止，通过滚子与导轨之间的摩擦力传递转矩。

其工作原理可简化为以下步骤：1.外套旋转：外套通过电机等动力源旋转。

2.滚子运动：外套的旋转驱使滚子沿导轨周向移动。

3.转矩传递：滚子与导轨之间产生摩擦力，将外套的旋转转化为内套上的转矩。

3. 效率计算方法行星滚柱丝杠的效率是指输入功率与输出功率之比。

在实际应用中，为了减小能源消耗和提高工作效率，需要对其进行效率计算。

行星滚柱丝杠的效率计算方法如下：效率=输出功率输入功率×100%其中，输出功率可通过测量内套上的转矩和转速来计算得到；输入功率则可以通过电机的额定功率来估算。

在实际应用中，还需要考虑传动系统的损耗等因素，以获得更准确的效率值。

4. 影响效率的因素行星滚柱丝杠的效率受多种因素影响，下面将介绍其中几个重要因素：4.1 摩擦力摩擦力是行星滚柱丝杠转换能量时产生的一种能量损失。

摩擦力与导轨表面质量、润滑方式、工作温度等因素密切相关。

为了降低摩擦力对效率的影响，可以采用优质导轨、合适的润滑方式以及适当控制工作温度。

4.2 滚子形状和数量滚子形状和数量直接影响行星滚柱丝杠的承载能力和效率。

通常情况下，滚子数量越多，承载能力越大，但摩擦力也会增加，从而降低效率。

因此，在设计和选择行星滚柱丝杠时需要综合考虑承载能力和效率的平衡。

4.3 导轨材料和硬度导轨材料的选择对行星滚柱丝杠的效率有着重要影响。

一般来说，导轨应选择硬度高、耐磨损的材料，以减小摩擦力和磨损。

同时，导轨表面的光洁度也会影响效率，因为较粗糙的表面容易产生额外摩擦。

5. 应用领域行星滚柱丝杠广泛应用于各种工业机械设备中，如机床、自动化生产线、航空航天设备等。

行星滚柱丝杠概述：行星滚柱丝杠是一种可以将旋转运动与直线运动相互转化的机械传动装置，用滚珠作为中间传动体，用滚动摩擦取代滑动摩擦，这种传动方式与滚珠丝杠类似。

行星滚柱丝杠作为一种新型的传动装置，具有摩擦小、效率高、寿命长、体积小、承载能力强等特点。

行星滚柱丝杠按照结构的不同可以大致分为三类：标准型1、循环型2、轴承环型3。

标准型行星滚柱丝杠主要传动装置有丝杠、螺母和螺纹滚柱，丝杠具有90°牙型角的多头螺纹，螺母是和丝杠头数牙型角都相同的内螺纹，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，多个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，传动过程中滚柱既绕着丝杠轴线公转同时又绕自身轴线自转，丝杠和螺母分别与滚柱啮合，由于三者具有相同的牙型和螺旋升角，所以在啮合过程中可以保证丝杠及螺母与滚柱之间的纯滚动，并且确保螺母与滚柱没有轴向相对位移。

在螺纹滚柱的两端加工直齿，与带有内齿圈的端盖啮合，用以消除螺旋升角对滚柱产生的倾斜力矩，并使滚柱沿圆周方向相对位置固定，保证所有滚柱的轴线都与丝杠轴线平行。

在标准型行星滚柱丝杠的基础上，根据不同性能要求进行修改形成了其他结构类型的行星滚柱丝杠。

循环型行星滚柱丝杠的丝杠和螺母与标准型行星滚柱丝杠相同都是牙型角为90°并且具有相同螺旋升角的多头螺纹，但是行星滚柱不再采用单头螺纹而是加工成没有螺旋升角的沟槽状结构，端盖的内齿圈被复位凸轮环取代，作用是使滚柱在完成一个循环后可以回到初始位置重新与丝杠啮合，作用与滚珠丝杠副中的滚珠返回装置相似，在螺母上加工有一个凹槽，当滚柱完成一个循环后被凸轮推入凹槽，凹槽中的螺纹引导滚柱回到开始啮合的位置。

这种改变使得滚柱的加工难度降低，这样就可以采用更小的螺纹导程，提高位置精度，并且有更多的接触点，增强了承载能力。

在啮合过程中滚柱周期性的与丝杠接触分离，频繁的加载卸载，影响使用寿命，并且高速时凸轮结构会产生较大的振动和噪音。

轴承环型行星滚柱丝杠的丝杠也是90°牙型角的多头螺纹，滚柱与循环型行1Strandgren C B. Roller screw: Us, 3182522(A) [P]. 1965-05-11.2Cornelius C C , Lawlor S P .Roller screw system: US, 7044017(B2) [P]. 2006-05-16.3Saari O. Anti-Friction Nut/Screw Drive: US, 4576057[P]. 1986-05-18.星滚柱丝杠相似采用同牙型的沟槽结构，而螺母不再与滚柱进行啮合，螺母通过轴承环与滚柱轴向固定，轴承环两端安装有推力轴承并与壳体固定。

一．载荷计算行星滚柱丝杠在实际使用中, 很多情况下丝杠的速度及所承受的轴向载荷都是变化的。

为计算当量动载荷, 首先须计算出丝杠所受的平均载荷。

当速度不变时, 所受载荷也是固定不变的，而当速度改变时, 载荷也随之而变。

此时作用在丝杠上的平均载荷可由下式计算：若速度及载荷方向不变, 而载荷大小在其最大值及最小值之间变化, 此时平均载荷可由下式计算：从而可计算出当量动载荷：根据计算出的当量动载荷, 就可以选取合适的丝杠。

此外, 还应进行静载荷计算。

二．驱动力矩丝杠加速时所需总的驱动力矩可由下式计算：行星滚柱丝杠的效率取决于其工作条件：它在任何条件下都不会自锁, 丝杠和螺母都可以作为主动件，因此,其效率有正效率，将旋转运动变为直线运动，和逆效率 将直线运动，变为旋转运动, 其计算公式如下：三．临界速度行星滚柱丝杠的临界转速由下式计算：高速切削技术在我国尚处于起步阶段, 行星滚柱丝杠作为一种新型的高效丝杠将会逐步得到实际应用。

.------- 【一种新型的高速进给传动机构--行星滚柱丝杠】滚柱丝杠副具有较大接触半径的滚动体(图1, R 可看作为等效滚珠半径) , 这样在导程小到只有1 或2mm 时仍可获得很高的承载能力(约为滚珠丝杠副的20 倍) ,并且强度高, 可靠性好。

此外, 和滚珠丝杠副相比, 行星式滚柱丝杠副还具有寿命长、振动小、噪声低、螺母和螺杆易分离等优点行星式滚柱丝杠副的工作原理是螺杆转动, 推动滚柱沿螺杆和螺母组成的滚道作行星式运动。

当将螺杆、滚柱和螺母的接触半径及头数控制到一定的数值时, 螺母与滚柱在轴向近似无相对运动, 螺母与滚柱同步地沿螺杆的轴线运动。

滚柱与螺杆及螺母的接触为点接触, 滚柱两端有外齿轮; 内齿环4 安装于螺母的两端, 与滚柱两端的齿轮相啮合。

这两个齿轮副的啮合保证螺母与滚柱协调工作, 减小导向螺杆的滑动, 保持滚柱工作时的一致性; 导环5 保证各滚柱间有相同的间距, 避免相互间摩擦, 改善受力状态。

行星滚珠丝杆原理
行星滚珠丝杆原理，是发展自传统的摆线针轮传动的一种新型高
效率、低噪音的传动原理。

它将摆线针轮传动的扭矩传递效率从60%提
升到90%，同时减少了传动过程中的噪声产生，节省了很多维护和维修
的费用。

行星滚珠丝杆原理是基于以下原理而发明的：
首先，滚珠可以沿径向方向滚动，同时可以在一定范围内沿轴向
方向进行倾斜，从而形成滚珠丝杆。

其次，行星滚珠丝杆由中心轴、行星轮、丝杆和滚珠及其它部件
组成，该机构的作用是利用滚珠轨道的偏转来实现输出轴的转动。

通
过在行星轮上安装滚珠，使滚珠丝杆机构可以将扭矩从输入轴传至输
出轴。

此外，行星滚珠丝杆传动也有许多优点，如高效率、低损失、结
构紧凑、重量轻等。

滚珠的滚动径向力与摆线针轮传动的摆线力相比，具有更小的摩擦，能够实现高效率的传动。

此外，滚珠丝杆比摆线针
轮传动更加的紧凑、重量轻，且对环境要求较低。

综上所述，行星滚珠丝杆传动原理是一种新型的高效率、低噪音
的传动原理，它能够将传动效率从60%提升到90%，同时能够有效减少
传动过程中的噪声产生，满足不同精度高速传动要求，从而极大地节
省维护和维修的费用。