数控机床滚珠丝杠副摩擦力矩研究进展

梁玉鹏，李梦奇，邓霜梅，王 斌

（邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳 422000）

1 滚珠丝杠副摩擦力矩来源

滚珠丝杠副中的摩擦力矩按照产生机理的不同主要来源于滚珠与丝杠及螺母滚道之间的摩擦（包括弹性滞后、差动滑动和自旋滑动）、滚珠之间的滑动摩擦、滚珠在反向器中的摩擦以及润滑剂的粘滞阻力。其中，楔紧效应所产生的摩擦力矩是滚珠螺旋副中摩擦力矩的主要因素，它的大小和变化直接影响滚珠螺旋副总的摩擦力矩大小及稳定性。

1.1 润滑剂产生的粘性摩擦

在有润滑剂作用下的滚珠丝杠副中，滚珠运动需要克服润滑剂产生的黏性摩擦力。阻力大小取决于润滑剂的量。根据弹流润滑理论求得润滑剂引起的阻力为8。

1.2 滚珠与滚道接触产生的摩擦

（1）弹性滞后引起的摩擦力矩

滚珠丝杠副理想模型下的滚压接触不会产生阻力，但事实上不存在绝对的弹性体，即使在弹性极限范围内，一个加载到卸载的过程中也有能量的消耗，从而产生弹性滞后。

早在1958年，Greenwood和Tabor估算了弹性滞后引起的滚动阻力。在1962年，Drutowski通过实验证明，滚动摩擦力与受力材料体积呈线性关系。文献对滚动摩擦机理从摩擦学观点进行了探讨，得出了滚动阻力来自微观滑动和弹性滞后，但并未对其进行进一步的数学验证；文献通过对承受预加载荷的滚动直线导轨副的分析，建立了弹性滞后摩擦力矩损失数学模型；

图1 滚珠丝杠副摩擦机理分解图

（2）差动滑动引起的摩擦力矩

滚珠丝杠副滚珠在滚道中滚动时，由于外加预紧力的作用，接触点处将发生弹性接触变形，其接触处为一椭球面。存在滚动差动滑动和自转差动滑动所带来的差动滑动摩擦。

文献依据Hertz理论求解出差动滑动摩擦损失数学模型，该模型承受预加载荷并假定钢球处于匀速运动状态，结合Hertz理论，简化了分析和计算，容易得到稳定解，用于差动滑动摩擦力矩分析。文献分析了高速球轴承接触区内的差动滑动状态，结合弹流润滑状态下润滑油的流变特性，得到了差动滑动速度、滚滑比、摩擦因数等在接触区内的分布状态，进而确定了高速球轴承的差动滑动摩擦热量。

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