滾珠絲杠和梯形絲杠的區(qū)別（一）

機械設計中，我們經常用到滾珠絲杠和梯形絲杠，它們是兩種常用的，將旋轉運動變?yōu)橹本€運動的方法。其中，滾珠絲杠因為摩擦小，可逆，還可將直線運動，變成旋轉運動，我們稱這種傳動為逆效率傳動。
那么，這兩者有什么區(qū)別？什么時候用滾珠絲杠？什么時候用梯形絲杠？如何根據精度，速度，載荷等要求，選擇滾珠絲杠（或者梯形絲杠）和電機？常用的兩端支撐結構形式是什么？（固定－支撐）長行程時，螺母解耦的結構設計是什么樣子？漢藝精工為你科普滾珠絲杠趣知識。

1. 結構不同

首先，我們來看看結構，因為結構決定特性。
滾珠絲杠，從字面上也很好理解，就是用滾珠來滾動，滾珠在哪里滾動，當然是在滾珠絲杠軸上滾動。
所以，絲杠軸上有圓弧輪廓，此輪廓在軸上按照一定的升角（導程角）盤旋在軸上。
而滾球被設計在螺母里，在絲杠軸圓弧輪廓里滾動，所以是滾動摩擦。
其運動原理，就是螺旋副，簡單理解，就是類似于擰螺釘，我們知道，擰螺釘時，如果在螺釘端部限制螺釘移動，那么被螺紋嵌入部件，就會沿著螺釘軸線移動。

滾珠絲杠，也是同樣的道理，把絲杠軸一端或者兩端沿軸向固定，用馬達驅動絲杠旋轉，那么，帶鋼球的螺母，就會沿絲杠軸線方向運動。

梯形絲杠和滾珠絲杠的運動原理相同，不同之處在于，梯形絲杠里沒有滾珠，那么螺母和絲杠軸之間的運動，完全靠機械接觸產生滑動，是滑動摩擦，所以梯形絲杠也叫滑動絲杠。
所以兩者的結構區(qū)別，用一句話概括就是: 滾珠絲杠是滾動摩擦，梯形絲杠是滑動摩擦。

2. 傳動效率不同

很顯然，滾動摩擦的摩擦系數遠遠低于滑動摩擦系數。
比如，NSK和THK都顯示，滾珠絲杠的摩擦系數在0.003到0.01之間，而梯形絲杠的摩擦系數在0.1到0.2之間。
再比如，REXROTH顯示，滾珠絲杠的摩擦系數在0.005到0.01之間，而梯形絲杠的摩擦系數在0.2到0.3之間。
這也是為什么大多數滾珠絲杠的傳動效率高達90%，有的甚至達到95%以上，而大多數梯形絲杠的傳動效率低于70%。
比如，知名的絲杠供應商Thomson linear顯示，滾珠絲杠的傳動效率在85%-95%之間，而梯形絲杠的傳動效率在30%-70%之間。
而另一家供應商Helix linear則顯示，其梯形絲杠的傳動效率在15%-85%之間。
梯形絲杠的傳動效率低下，從能量的角度來看，是因為滑動摩擦，特別是高速運動，產生了大量的熱，如果絲杠或者螺母受不了，就會“燒著了”，所以，梯形絲杠不太適合高速運行要求，其最高轉速一般不超過3000RPM。
而滾珠絲杠，因為是滾動摩擦，所以沒有那么多熱量產生，速度可以達到很高，比如10000RPM。
但是，兩種絲杠，由外部負荷引起的摩擦扭矩，計算公式一樣，都是Ta=Fa*L/2πη，Fa表示由外部負荷產生的軸向力，L表示導程，η表示效率。
這個公式用功和能量原理很好理解，因為公式可以寫成Ta*2πη=Fa*L，很明顯，左邊表示轉一圈時，扭矩的有效功，右邊表示克服載荷移動一個導程，需要的能量。
所以，在導程相同的情況下，就扭矩計算而言，選擇的主要區(qū)別就在于效率。
因為滾珠絲杠的效率是梯形絲杠的2-4倍，所以一般而言，用同樣的導程，來驅動相同的負載時，滾珠絲杠更有優(yōu)勢。

3. 自鎖性不同理論顯示，當絲杠傳動效率大于50%時，沒有自鎖性，當傳動效率小于35%時才有自鎖性。
所以，滾珠絲杠沒有自鎖性，而梯形絲杠有一定的自鎖性。
所以，就Z向應用來說，梯形絲杠有自鎖的優(yōu)勢，當然，實際情況，還需要考慮精度速度等因素。
如果將滾珠絲杠，應用于豎直方向，則需要考慮斷電時，無法自鎖，需要加額外的結構或者器件，來保證停電時，絲杠螺母停留在原來的位置，而不會滑落下來，這對安全起著重要的作用。
現在很多電機自帶剎車模塊，就是斷電時，可以抱住電機軸，不讓它旋轉，起到保護作用，當然，剎車能提供的扭矩是有限的，可以根據需要選擇合適的型號。
4. 制作材料不同滾珠絲杠軸一般是用不銹鋼或者合金鋼，而螺母一般用銅制，因為銅可以承受較大的載荷，同時摩擦系數小，有一定的自潤滑作用，正如我們常見的一些直線軸承，或者平面滑板，也用銅，正是這個原因。
梯形絲杠軸也用不銹鋼或者合金鋼。而對于螺母，則和滾珠絲杠有一點不同，很多時候，梯形絲杠螺母會使用非金屬材料。

比如低載荷時，一般用低摩擦系數，耐高溫的合成工程材料，如在尼龍，賽鋼，PEEK，VESPEL，PET，PPS等材料中，混入特富龍(PTFE)，來實現低摩擦系數，同時有一定的耐熱性能。
很多時候，PEEK材料本身就被用來做動態(tài)接合面的密封，而PTFE和尼龍也經常被用來做涂層，起到潤滑的作用，比如上一篇文章《機械設計中，重力平衡有哪些方法？》中提到的鋼繩氣缸，鋼繩上就有尼龍涂層，達到降低摩擦的作用。

再比如，我們常用的用來做螺母的熱塑性材料，有Turcite A和Turcite X，這是兩種耐磨，自潤滑材料。
數據顯示，Turcite A，抗拉強度為52.4Mpa，抗彎強度75.84Mpa，抗壓強度89.63Mpa，這些強度都高于Turcite X(三種強度值分別為40.68Mpa，55.16Mpa，82.74Mpa)，而且其PV值僅有7500psi-fpm，大約是TurciteX的一半，所以它用于中度至重負荷，而且適用于中度速度。同時，Turcite A比Turcite X有較高的耐磨性，顏色為藍色，通常是圓棒材料。
而Turcite X比Turcite A有更低的滑動摩擦系數，摩擦系數為0.22（Turcite A為0.3），而且，其極限PV值為Turcite A的兩倍多，達到16000psi-fpm，但是其抗拉強度和抗彎曲強度都比Turcite X低，所以適用于輕載荷，高速度的應用，其顏色為紅色。
當然，高載荷時，梯形絲杠也用銅做螺母。
為什么降低摩擦在這里變得如此重要？
因為梯形絲杠有PV（PressureVelocity）極限的問題，也就是說載荷一定時，速度有限制，如果載荷偏大，那么速度需要變得低一點，載荷小速度可以高些。
因為對于特定材料，摩擦產生熱量，如果這個熱量的耗散速度太低，跟不上熱量的產生速度，那么就會導致材料永久變形，通俗理解就是“燒著了”。
漢藝精工將在下一篇文章繼續(xù)幫您介紹滾珠絲杠和梯形絲杠的區(qū)別。