由Robert Lipsett，Thomson BSA / Thomson Industries，Inc。工程经理
虽然许多应用需要滚珠丝杠的高刚度，推力容量和绝对精度，但铅螺钉具有相对直直的几何形状和性能，并且可以适应许多应用的需求。
滚珠丝杠常被视为线性运动应用的首选，因为使用循环滚珠轴承使它们高效，能够处理大负荷，并使它们能够准确定位。然而，仔细注意选择和应用，丝杠可以作为一种选择，在许多应用中提供高效、功能和精确的运动。丝杆螺杆还具有其他优点，如更灵活的配置和形状因素，无需润滑剂的操作能力，更安静的操作，清洁的材料，和更低的成本。这些技巧将帮助您确定一个特定的应用是否适合丝杠，以及如何选择正确的丝杠。
丝杠利用螺纹的螺旋角将旋转运动转换为直线运动。丝杠的性能很大程度上取决于螺母和丝杠之间的摩擦系数，而摩擦系数又取决于用于螺母和丝杠的材料。丝杠通常使用内部润滑的塑料或轴承级青铜制成的螺母。塑料螺母通常安装在不锈钢螺丝上，而青铜螺母通常安装在碳钢螺丝上。当使用轴承级青铜螺母时，不锈钢螺钉是一种选择。
负载能力
要确定丝杠还是滚珠丝杠最适合某一用途，首先要查看所需的负载能力。塑料螺母通常用于重量低于100磅的轻型螺母，但也可以设计重量超过300磅的塑料螺母。另一方面，青铜螺母可用于数千磅以上的应用场合。滚珠丝杠通常提供与丝杠相同或更好的负载能力，所以如果负载要求超过丝杠的能力，则滚珠丝杠是更好的选择。
铅的精度低于0.0005英寸。/ft和微米的重复性，地面滚珠丝杠组件非常适合许多苛刻的定位要求。
效率
滚珠丝杠具有很高的效率，因为滚动接触比滑动接触提供更低的摩擦系数。滚珠丝杠的效率相对稳定，通常优于90%。另一方面，丝杠的效率通常在20%到80%之间。丝杠的效率很大程度上取决于它的螺旋角。一般来说，螺旋角越大，效率越高。更高的螺旋角更有效率，因为更少的能量用于驱动丝杠克服摩擦。一个高螺旋螺钉减少了螺钉必须旋转的次数，以实现相同的线性位移。螺旋角高的缺点是需要更多的扭矩来转动螺丝。
值得注意的是，当丝杠的效率超过50%时，丝杠就变成可反向驱动的，这意味着它可以被负载向后驱动。在许多应用中，后驱动性是一个缺点，因为如果丝杠是垂直安装的，可能需要一个制动器来支持负载。另一方面，在某些应用中，后置驾驶性能是一个加分项。例如，在客运轨道车应用中，许多门的要求之一是，它们可以在紧急情况下强行打开。该应用程序可以配置一个高螺旋角丝杆，以便门可以由电机快速关闭，但在紧急情况下由乘客推开。
速度
滚珠丝杠通常用于0.200 - 0.500-in之间的介质引线。每转，虽然一些高螺旋产品存在。丝杠螺丝的范围从0.050英寸以下。2.00。每转或更多。使用一系列引线可以提供慢跑速度变化高达70英寸。每秒。这种丝杠特性在许多应用中都具有优势。例如，需要高精度定位的设备可以使用低螺旋角的丝杠来获得高定位分辨率。其他应用得益于快速慢跑速度和每分钟低螺杆转数，提供安静的操作和长寿命。 The max rpm of a lead screw is limited by the critical speed of the screw—the speed at which resonance occurs. Lead screw nuts can be driven at very high rpm, but depending on the load applied heat buildup may limit duty cycle. Ball screws are limited by the critical speed of the screw shaft, and by how fast the balls can translate through the nut returns without damaging the components, also known as the “DN” rating.
标准滚珠丝杠和丝杠配置通常有从0.002英寸的间隙。0.010。防反弹的铅螺母消除自由发挥，增加重复性。大多数结构在两个半螺母之间放置一个压缩弹簧或其他顺应件，以消除径向间隙。
滚珠轴承螺钉可以反向驱动。螺母上的负载将驱动螺杆，因为固有的高效率(90%)。如果在特定的应用中需要反向驱动，则螺杆的引线应至少为螺杆直径的三分之一。理想情况下，引线应该等于螺杆直径。
占空比
滚珠丝杠容易在负载时提供恒定的运动。因为它们产生的摩擦热很低，所以它们的工作周期实际上是无限的。另一方面，塑料和不锈钢丝杠组件在额定负载下的占空比通常限制在50%。使用青铜螺母的丝杠组件具有更高的负载能力，但这些更重的负载增加了摩擦热，因此它们的工作周期必须更低，通常低至10%。这可以用压力速度(PV)关系更精确地计算出来。丝杠可以在轻负荷和中等转速下运行100%的占空比，也可以在低负荷和低转速或低负荷和高转速下运行，但不能两者同时运行。相对于给定的螺纹尺寸和螺母设计，高负载和高转速将导致过热和故障。
强烈反对
在定位精度非常重要的应用中，侧隙是另一个重要的考虑因素。标准滚珠丝杠和丝杠配置通常有从0.002英寸的间隙。0.010。防反弹的铅螺母消除自由发挥，增加重复性。大多数结构在两个半螺母之间放置一个压缩弹簧或其他顺应件，以消除径向间隙。螺母两半之间的预紧力必须等于或超过组件通过拾取机构加载方向上施加的轴向载荷，以防止失去运动。结果是更高的扭矩要求，这通常需要一个更大的电机。
一款新的专有防止齿齿螺母在螺母和螺钉之间卸下空闲拍摄，而不会引入过度阻力扭矩。偏置间隔物上的凸轮表面使其相对于配合螺母半部旋转并平移，容纳螺母螺纹磨损的间隙。凸轮表面的角度使两个部件自锁，防止“斜坡下降”或在负载下显影。半螺母之间的凸轮内的扭转弹簧为螺母偏置提供足够的扭矩。只有当螺丝界面的磨损时，才会创造间隙，凸轮进展将消除间隙。除了负载逆转期间，自锁动作防止凸轮运动。
噪音
由于滚珠轴承再循环，滚珠丝杠容易出现一定量的噪音。另一方面，铅螺钉通常产生很少的噪音，尽管沉默，滑动的摩擦阻抗，有时在没有润滑的情况下产生颤动或尖叫。
耐蚀性
由碳钢制成的滚珠丝杠，一种常见的选择，可能对某些腐蚀性环境敏感。另一方面，带不锈钢螺杆和塑料螺母的铅螺丝具有高度耐腐蚀性。然而，塑料螺母可能限于30º和150ºF之间的温度。带不锈钢螺杆和青铜螺母的铅螺钉也提供高水平的耐腐蚀性。
设计自由和成本
滚珠丝杠具有相对刚性的形状因素，因此限制了设计自由度。丝杠的设计自由度更高。丝杠的形状因子和螺旋角可以在很宽的范围内变化，使其能够根据许多应用的要求进行优化。丝杆螺钉也有显著的成本优势。一种新的滚珠丝杠设计的成本通常为5万至10万美元，而一种丝杠设计的成本为3000至8000美元。
生活
由于摩擦磨损是非线性的，因此没有可靠的封闭解来计算丝杠的寿命。单一的磨损系数往往不足以预测整个螺杆组件的使用寿命。在控制的操作条件下，通过案例研究估计寿命。当负载、速度和占空比的组合超过一定的极限时，故障是可预测的，并将迅速发生。对于在超过500rpm的推荐设计负载附近运行的应用程序，请与丝杠供应商的应用工程部门联系。他们可以计算PV系数，这是一个关键的设计因素，在适当的尺寸和选择使用聚合物螺母的丝杠组件。
压力速度
先前引用的PV因子是螺母和螺钉之间的压力和速度的乘积。它有助于确定螺母可以处理的负载，速度和占空比。塑料材料具有内在的PV等级，摩擦热导致塑料永久变形的点。因此，施加到铅螺钉组件的负荷越多，必须转动它的较慢，以避免超过螺母的光伏限制。同样，螺母转动速度越快，可用负载能力越低。塑料螺母的主要失效模式是磨损和光伏。通过在PV信封内设计，由于磨损而发生故障。磨损发生故障比光伏发生故障更慢，并且可以通过应用案例研究和测试来算作。
润滑
为了保证滚珠丝杠的合理使用寿命，总是需要润滑。使用青铜螺母的丝杠机构也需要润滑剂，通常是厚的阻尼润滑脂。然而，带塑料螺母的丝杠组件在没有润滑剂的情况下也可以很好地运行，因为螺母材料中有内部润滑剂，但使用凝胶型润滑剂将有助于增加允许负载，并通过减少螺母和螺钉之间的摩擦延长寿命。在办公室环境中，对于中等负荷、速度和负载周期，润滑时间应在500K至2500k英寸之间。恶劣的环境会降低润滑脂的使用寿命。如果有颗粒，应在重新涂润滑油前清洗螺丝。当螺纹侧面没有可见膜残留时，请重新涂敷。
润滑脂不应使用在有大量颗粒或碎屑的环境中，这些颗粒或碎屑会负载润滑脂并使其成为研磨性泥浆。在这种类型的应用中，应该使用干膜润滑剂。聚四氟乙烯涂层是一种干膜，在金属基体和聚合物套管或铅螺母之间形成润滑屏障。它非常适合与塑料螺母和不锈钢丝杠一起使用。润滑维护间隔时间可以消除，涂层不会像凝胶润滑剂那样吸引微粒。
丝杠是一种通用且经济的直线运动选择。丝杠具有相对直接的几何形状和性能，并提供了适应大多数应用需求的灵活性。虽然有许多应用需要高刚度、推力能力和滚珠丝杠的绝对精度，但在许多情况下，丝杠可以设计成满足性能要求，并以更低的成本提供比滚珠丝杠更优的优势。
汤姆森产业公司。
www.thomsonlinear.com
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