本研究在滚珠丝杠副中B母与垫片之间增加4个定位销，通过4个定位销，限制了垫片的径向自由度，解决了由于磨损，滚珠丝杠间隙增大，影响重载轨道使用寿命的问题。
引 言
通过在丝杠与螺母之间，增加适当的滚珠，将运动副由滑动摩擦转换为滚动摩擦，从而形成了一种螺旋运动副，即滚珠丝杠副。
滚珠丝杠副不但具有低的摩擦系数且可以实现传动设备的往复换向运动。
随着机械行业的发展，工业自动化技术的不断提高，滚珠丝杠副作为一种典型的线性运动副，滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、钢球、返向器等组件组成的滚动功能部件，是各种设备中不可或缺的传动部件，其相对于传统的梯形丝杠副具备着传动效率高、启动扭矩小、重复定位精度高、传动精度高、稳定性高、负载能力强、成本低，摩擦系数低、噪声低、高负载运转、温变低、寿命长等优势。
近年来，滚珠丝杆副已大面积陆续取代传动液压缸的传动方式，如大型车床、磨床、铣床、锻压机等重型设备制造领域，航天、 航空、抛物面天线方位、俯仰传动电子传动设备领域得到了广泛的应用。
目前滚珠丝杠副虽然在国内取得了一定的进步发展，但是在滚珠丝杠副的产品设计、生产工艺，以及产品的可靠性等方面仍与国外先进水平存在一定的差距，如滚珠丝杠传动效率问题，尤其对于重载运行设备的稳定性、寿命等方面仍需进一步研究提高。
为了提高滚珠丝杠副传动效率及重载运行设备的使用寿命，国内外不少学者做了大量的研究工作，其中影响滚珠丝杠副传动效率和寿命的主要有摩擦系数、摩擦力矩、磨损系数及精度一致性，摩擦系数越小，磨损量越低;摩擦力矩越小，精度一致性越高，滚珠丝杠副的传动效率及寿命越高。
其中滚珠丝杠副传动效率计算公式如公式(1)所示：公式(1)中f为当量摩擦系数，表示滚珠丝杠副接触面上各种摩擦合成的摩擦力与接触载荷的比值，L为滚珠丝杠副导程(mm)，Fa为滚珠丝杠副负载力(N)，Mc与Mf分别为承载力矩和摩擦力矩(N·m)，rm与rb分别为丝杠名义半径与滚珠半径(mm)，α0是初始接触角(°)。
由公式(1)可知，负载和输入力矩的比值与导程L与2π的比值的乘积即为传动效率，其中输入力矩由承载力矩Mc与摩擦力矩Mf组成，承载力矩Mc与负载有直接联系，而摩擦力矩Mf是能量损耗的来源。
因此，摩擦力矩影响因素即为传动效率的主要影响因素，摩擦力矩Mf的变化则是与滚珠丝杠副接触面上各种摩擦合成的摩擦力与接触载荷的比值有关，接触载荷越大，滚珠丝杠副接触面上各种摩擦合成的摩擦力越小，当量摩擦系数越小，摩擦力矩越小，传动效率越高。
其中赵哲等通过试验结果分析得出：负载和转速对滚珠丝杠副的摩擦系数的变化规律，周长光等研究发现：在不同载荷下，滚珠丝杠副的摩擦系数最小 0.0032， 最大为0.0045。
但目前在摩擦力矩、磨损量一定的情况下，通过滚珠丝杠副丝杠结构形式的变化，提高滚珠 丝杠副的稳定性仍能保证丝杠传动机构设备优异性能的研究较少。
本研究以某抛物面天线俯仰传动丝杠为例，利用定位销结构方式固定，通过限制滚珠丝杠副径向自由度，研究定位销对滚珠丝杠副径向自由度的影响规律，为后续提高滚珠丝杠副传动效率，运动执行机构的稳定性及寿命提供技术支持。
定位销对滚珠丝杠径向自由度的影响分析
在丝杠、螺母精加工后，进行装配时，滚珠丝杠副存在一定的间隙，该间隙是无法避免的，一般间隙在0.01～0.1(根据钢球大小不同)。
为了消除加工装配产生的间隙，提高运行机构的可靠性，常用双螺母双螺纹式、单螺母变位导程自预紧方式、双螺母齿差式和双螺母垫片式等预紧方式消除间隙。
双螺母双螺纹式预紧方式是一种通过螺纹结构设计消除轴向间隙的机械预紧技术，其特点是结构简单、调整方便，但由于预紧力需要人工手动调节，不易控制，可靠性与准确性较差，主要应用于刚度要求低，可需随时调节预紧力的滚珠丝杠副。
单螺母变位导程自预紧方式是在一个滚珠螺母内的两组循环圈之间，通过螺母内螺纹变位导程产生变位移动来实现预紧调隙的，结构简单，成本低，适用于预紧力要求低且不需要多次调整间隙的滚珠丝杠副。
双螺母齿差预紧方式是通过在螺母A与B的凸轮上分别切出只相差一个齿的外齿轮，然后装入螺母座中与模数相同的相应内齿轮相啮合，由于相差一个齿差，两螺母在圆周方向相互错动产生移动相位，该方式间隙调整精度高，可实现2μm以下的精密微调，适用于高精密滚珠丝杠副。
双螺母垫片式是通过垫片的厚薄使滚珠丝杠产生轴向位移，以达到预紧目的，该预紧方式，虽然调整精度低，但结构简单，可靠性高，被广泛应用高刚度、重载荷传动领域。
本研究选取的某抛物天线，该天线要求滚珠丝杠刚度大，承载高且结构简单，能够实现该天线副俯仰功能，该传动系统中的滚珠丝杠副采用双螺母垫片式预紧方式，减小间隙，增强预紧力。
传统滚珠丝杠副的结构主要由螺母座、A母、B母及垫片组成，如图1所示，在整个运行过程中A、B母不同时受力，即当螺母向左运行时A母受力，B母不受力，可通过垫片的厚度消除滚珠丝杠副间隙，反之同理可得，采用垫片可实现减小间隙，增强预紧力，保证设备的稳定性。
图1 滚珠丝杠副组成示意图
但该天线俯仰滚珠丝杠副与上述不同，主要区别在于垫片不在螺母座内。实物图如图2所示。
图2 某天线滚珠丝杠副组成实物图
但随着该天线常年的运行，在设备检修时，发现当俯仰丝杠通过俯仰电机驱动时，出现传动不稳定，有随时抱死的可能性。
通过将俯仰丝杠进行拆除发现，由于滚珠丝杠副在设备上长时间运行，丝杠、螺母轨道出现磨损情况，导致丝杠副出现间隙，预紧力变小或丧失。
为此通过分析发现，当滚珠丝杠副水平使用，会出现换向间隙，影响重复定位(见图3)。
图3 滚珠丝杠副水平使用组成示意图
如果丝杠副垂直使用，只有A母受力，B母不受力，虽不存在换向间隙，但由于设备长时间运转，出现了一定的磨损量，在设备运行时，会出现径向间隙增大，但是由于常规双螺母垫片式滚珠丝都有螺母座的存在，即使出现径向间隙垫片也不存在掉落的可能(见图4)。
图4 滚珠丝杠副垂直使用组成示意图
由于该天线结构中的滚珠丝杠副结构形式与常规的滚珠丝杠有所区别，垫片不在螺母座内，天线俯仰的往复运动过程中，丝杠受力为变载荷，长期使用过后，当磨损量积累到一定程度，垫片就有可能在外力作用下掉下来并卡死在A、B母中间，从而出现该天线俯仰丝杠发出异响，产生抱死可能，降低了整个俯仰滚珠丝杠的传动效率。
为了避免出现这种情况，在B母与垫片间加装4个定位直销子(滚珠丝杠副使用的是GB/T119.1 6m6×12直销)，该定位销，尺寸公差为M6mm，直径 ϕ6mm，长度12mm，其尺寸示意图如图5所示。
图5 定位销尺寸示意图
通过4个定位直销增加垫片的径向约束，从而起到限制垫片的径向自由度，即使存在大的磨损量，由于定位销对垫片径向自由度的约束，即不会出现垫片移动掉落，也不会影响传动效率，可确保设备的正常运行。
结束语
本研究在滚珠丝杠副中B母与垫片之间增加4个定位销，通过4个定位销，限制了垫片的径向自由度，解决了由于滚珠丝杠副由于磨损引起传动效率降低的问题，并成功应用于天线结构系统俯仰传动丝杠副领域，为后期，滚珠丝杠副磨损量引起的传动效率降低问题，提供技术支持。参考文献：略
第一作者简介：陶熙，男，1987年7月生，汉族，陕西商洛人，本科，工程师，研究方向：机械动力学。