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1、第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集行星滚柱丝杠副研究现状与发展趋势孟德安，赵升吨，董渊哲 (西安交通大学模具与先进成形技术研究所，西安710049)摘要：行星滚柱丝杠(PRS)是一种承载力、传动速度、寿命均优于滚珠丝杠的传动部 件，本文介绍了3种主要的行星滚柱丝杠(标准式、反向式和循环式)，并就标准式PRS传 动原理进行了理论推导，最后对国内外研究现状和其关键技术作了简要分析。关键词：行星滚柱丝杠；研究现状；发展趋势The research status and development of planetary roller screwMENG Dean，ZHA
2、O Shendun，DONG Yuanzhe(School of Mechanical Engineering，Xian Jiaotong University,Xian 7 1 0049，Shanxi China)Abstract：Planemry roller screw(PRS)is a mechanical transmission device which is beaer than ball screw in capacity，speed and lifeThis paper introduced three kind of PRS(standard， reverse and ci
3、rcular)and analyzed the theoretical principle of the standard PRSFinally，the research status and its key technologies were analyzed brieflyKeywords：Planetary roller screw；Research Status；Development1引言发展，使得PRS重新受到了关注。本文分别 高档数控机床是国家十六个重点突破从结构形式、传动原理、国内外研究现状、 领域之一，是高端装备制造业的基础。滚动关键技术和未来发展趋势等方面对行星滚 功能部件
4、是高档数控机床的重要组成部分，柱丝杠进行了分析，旨在为丝杠的设计、研其发展水平一定程度上决定着数控机床的 究和国产化提供一定的研究基础。 先进程度和对市场的适用能力，成为制约我 国中高档数控机床国产化的瓶颈。同时，航2行星滚柱丝杠主要类型及传动特点 空、航天、兵器等国防工业的发展也越来越 21行星滚柱丝杠的分类需要大推力、高速度、高精度、低噪声的高行星滚柱丝杠的种类多样，按不同的分类方式主要可分为以下几种类型 ：性能、高寿命的滚动功能部件。1)按安装方式分行星滚柱丝杠(Planetary RollerScrew，PRS)作为一种新型的可将旋转运动可以分为法兰螺母式、圆柱式、螺纹式等类型，如图1
5、所示。和直线运动相互转化的传动部件，与传统的的滚柱丝杠相比具有承载能力高、寿命长、 加速度和速度高、导程小等优点。其中，中(a)法兰螺母式小直径行星滚柱丝杠特别适用于航空、车辆、武器等，大直径行星滚柱丝杠特别适用 于重型锻压设备、重型车铣镗床、船舶等。近年来，随着航空、兵器等国防工业和机床(b)圆柱式等传统工业向精密化方向发展，行星滚柱丝杠凭借自身的优势成为新的研究热点。由于PRS结构复杂，加工成本大，装配困难等原 因，早期国内一直没有得到推广和应用。近(c)螺纹式些年随着螺纹加工工艺的提高，以及装备制造技术的发展，尤其是交流伺服直驱技术的图1滚柱丝杠的安装方式155第七届锻压装备与制造技术论
6、坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集2)按丝杠、螺母的长短组合分所示，包括丝杠、滚柱、螺母、内齿圈和保 可以分为标准式和反向式，见图2。标持架5个部件。丝杠1与螺母4均为多头螺 准式PRS丝杠长、螺母短，滚柱与螺母之纹，牙型角均为三角形；滚柱3为单头螺纹， 间无轴向相对运动，一般用于丝杠旋转，驱球形轮廓，同时为了消除丝杠螺旋升角对滚 动螺母直线运动的场合；反向式PRS丝杠柱产生的倾斜力矩，在滚柱两端加工有直齿 短、螺母长，滚柱与丝杠之间无轴向相对运轮，与内齿圈2啮合，以确保滚柱轴线平行 动，一般用于螺母旋转，驱动丝杠直线运动于丝杠轴线而正常滚动，保持架4使滚柱沿 的场合。 圆周均匀分布。当
7、丝杠旋转时，滚柱既绕着 丝杠轴线公转，又绕自身轴线自转。为了保证传动比为常数，滚柱、丝杠与螺母三者螺 旋方向相同，且之间具有相同的螺旋升角， 滚柱与螺母啮合时能够确保纯滚动并且没 有相对轴向位移。标准式PRS是应用最广 泛的行星滚柱丝杠产品，基本上可以应用于 所有使用滚珠丝杠的场合。(b)图2滚柱丝杠的丝杠、螺母组合a标准式行星滚柱丝杠b反向式行星滚柱丝杠3)按滚道形式分图4标准PRS结构图可以分为圆环滚道式和螺旋滚道式。圆1丝杠2内齿圈3滚柱4螺母5保持架环滚道式滚柱丝杠，即对于长丝杠短螺母组反向式PRS部件组成与标准式PRS基合，滚柱及螺母采用无螺旋升角的圆环滚本一致，如图5所示，主要区别
8、是螺母5较 道，只有丝杠是螺旋滚道，此类丝杠副又称长，内齿圈2固定在丝杠上与滚柱两端齿牙 为循环式(图3)；螺旋滚道式，丝杠、滚柱、外啮合。在传动上，反向式PRS的长螺母 螺母均为螺旋滚道，又称为非循环式行星滚为主动件，由丝杠直线输出，滚柱与丝杠螺 柱丝杠(图2a)。这种丝杠副的丝杠、滚柱、旋升角相同，传动过程两者没有相对轴向位 螺母有相同的牙形角、螺距。移，螺母旋向与丝杠旋向相同且与滚柱旋向相反，丝杠在螺母内部运动。该种PRS主 要用于行星电动缸转子部分，螺母作为电机 转子使电动缸结构紧凑。图3圆环滚道式滚柱丝杠22结构形式及传动特点221行星滚柱丝杠的结构形式 典型的PRS主要由三部分组成
9、，即丝杠，滚柱和螺母，其中丝杠和螺母一般为牙图5反向式PRS结构图型角为90。的多头螺纹，且螺纹头数相等，I丝杠2内齿圈3滚柱4保持架5螺母滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，为了提循环式PRS滚柱丝杠由长丝杠、短螺 高承载力螺纹牙廓通常加工成球面。母、滚柱、辊道保持架和凸轮压盖等组成，其中，标准式PRS的基本结构如图4如图6所示。丝杠的螺纹为单头和双头，齿156第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届-&学术交流会议论文集形为三角形，为螺旋滚道；滚柱及螺母采用角为： 了无螺旋升角的圆环滚道。滚柱安装在辊道 =侠一oR(3) 和确保滚柱间距的保持架上，当丝杠和螺母在无滑动条件下丝杠和滚柱接触弧
10、长旋转时，滚柱轴向放置于螺母内，每旋转1相等，存在： 周，螺母端部的两个凸轮压盖使每个滚柱都咚=rRAoRf(4)回到初始位置。由于外形小加工精密，多用在机床等高精度定位场合，导程可以设计计当丝杠转过g时，滚柱公转角度嚷，算为整数或者小数，导程最小可以做成丝杠相对于滚柱转角艮，滚柱自转角度03mm。如下：foR=Osrs2(+)鲒=酞(咯+2)21r+)【0Re=B(七+2)b2(+rR)k设螺距为s，丝杠头数为协，螺母头数 为，丝杠旋转一周即9 s=2TT，滚柱相对 于螺母的轴向位移H1，丝杠相对于滚柱轴图6循环式PRS结构图向位移飓，其中：1丝杠2辊道保持架3菇柱4螺母5凸轮压盖222行星
11、滚柱丝杠的传动原理jHI=nNSOR 7叫陀兀(6)PRS传动原理(图7b)与行星齿轮传【H2=5站2冗动(图7a)原理相似，可以将丝杠和螺母看为使滚柱在螺母内不产生轴向移动，必 作是太阳轮，滚柱作为行星轮。当丝杠旋转须使目=0，又有飓=邸，则：且螺母固定时，滚柱围绕着丝杠做行星运=s=rs乍+2(7)动，同时通过螺旋传动的原理，将丝杠的转由上式可知PRS运动的一般规律为：动转化为螺母的的直线往复运动。匝螺母与丝杠头数相同；丝杠与滚子公称直径比值为整数；螺母、滚柱和丝杠的螺旋方向相同(紧限标准式PRS)。 223行星滚柱丝杠的传动优势行星滚柱丝杠功能与滚珠丝杠(BSM) 类似。与滚珠丝杠相比，
12、PRS采用带有螺纹 的滚子作为滚动单元，如图8所示，该滚子(a)(b)图7滚柱与丝杠无滑动转动关系图a丝杠b滚柱C螺母以标准式PRS为例，假设丝杠和滚柱之 间无滑动，保持纯滚动运动状态，丝杠作为 主动件，其中丝杠角速度为聪，滚柱公转角 速度滚柱自传角速度为。，丝杠角速 度聪与滚柱公转角速度存在以下关系：图8行星滚柱丝杠与滚珠丝杠啮合点分析监：!：i：塾型比滚珠拥有更多的接触点和接触面积，通过”7wR(p2)(rs+)_r s对比滚柱丝杠副和滚珠丝杠副的运动机理 由图7b可知，滚柱转角的计算公式为： 和受力状态(表1)，可以发现，行星滚柱丝具有高承载、体积小、高速度、高精度和长oR=0s 1。2
13、(2)吩寿命的显著优势【2】，其中，中小直径行星滚丝杠转角为B，则丝杠相对于螺母的转柱丝杠特别适用于航空、车辆、武器等；大157第七届锻压装备与制造技术论坛暨锻压设备委十届二次学术交流会议论文集直径行星滚柱丝杠特别适用于重型锻压设Mechanical Design)对丝杠的运动模型、接 备、重型车铣镗床、船舶等。 触元件的滑动模式、传动效率以及弹性变形 表1滚柱丝枉副和滚珠丝杠副的等进行了系统的研究，并分析了行星滚柱丝 运动机理和受力状态的对比杠副在理想状态以及存在滑动的条件下的圆周运动以及工作效率的不同，进一步完善 了行星滚柱丝杠的运动学理论。我国从70年代开始研制滚珠丝杠1 01， 对行星
14、滚柱丝杠的研究目前还处于原理性 研究的起步阶段。在结构及参数设计上，华 中科技大学的靳谦忠【llJ等对行星式滚柱丝 杠副的结构、工作原理、运动特性及几何关 系进行了介绍性研究，并推导出了运动关系 的表达方程及两端齿轮齿数的计算方法；于 兆勤【5l等对行星滚柱丝杠的结构特点及设 计选用方法进行了介绍，同时对相同尺寸的3国内外研究现状 行星滚柱丝杠与滚珠丝杠进行了静刚度、抗 滚柱丝杠最早起源于20世纪40年代，振性等方面的比较，发现滚柱丝杠具有明显 瑞典发明家Strangren发明了第一个循环式 优势；杨家军121等对行星滚柱丝杠副的几种 滚柱丝杠的专利。由于其结构复杂、加工难变形进行了研究，得出了整体静刚度的精确 度大和成本较高，最初并得到未广泛应用。计算值。在传动特性上，马尚君1 3J等针对行 从70年代起，随着武器装备技术的发展， 星滚柱丝杠副的动态运动特性进行了分析以及石油、化工、数控机床等对大推力、高 研究；天津大学的赵英等14】建立了滚柱曲面 精度、高效率、长寿命的机械装置的需求， 和丝杠螺纹曲面的方程，研究丝杠、滚柱间 国外主要国家开始对PRS进行深入研制。 的啮合承载关系；靳谦忠、杨家军等【l纠深入 前苏联ABTOBA3生产工艺研究所1987年 分析了行星滚柱丝杠副摩擦力的产生机理 便开始成批生产行星滚柱丝杠副，现已能生 和
