一种超声激励滚珠丝杠副减摩方法及装置

本发明涉及一种超声激励滚珠丝杠副减摩方法及装置，适用于机械传动。

背景技术：

1、在机械传动系统中，滚珠丝杠副是一种常见的精密传动装置，用于将旋转运动转换为直线运动。然而，滚珠丝杠副在工作过程中容易产生摩擦，导致传动效率下降、温度升高以及寿命缩短等问题。为了解决这些问题，人们提出了各种改进方法，其中包括使用润滑油来减少摩擦，调整预紧力来优化传动性能，以及应用振动技术来改善滚珠与滚道之间的润滑状态等。在传统的滚珠丝杠副中，常常使用预紧垫片来提供预紧力，以确保滚珠与丝杠和螺母之间的接触贴合。然而，这种方法存在着调整不便、维护困难以及摩擦力难以控制等问题。近年来，压电陶瓷技术得到了广泛的应用，其具有驱动力强、响应快、能耗低等优点。利用压电陶瓷的逆压电效应，可以实现对滚珠丝杠副的动态预紧控制，从而在不同工况下实现最佳的传动性能。此外，通过应用超声振动技术，可以改善滚珠与滚道之间的润滑状态，减小摩擦力，提高传动效率，并延长滚珠丝杠副的使用寿命。综上所述，结合压电陶瓷技术和超声振动技术，可以有效地解决传统滚珠丝杠副存在的摩擦和传动效率问题，提高其性能和可靠性，从而推动机械传动系统的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超声激励滚珠丝杠副减摩方法及装置。

2、为了实现上述目的，本发明设计了一种超声激励滚珠丝杠副减摩方法及装置，所述装置主要包括主螺母(1)、电极片(2)、副螺母(3)、丝杠(4)、绝缘垫片(5)以及环形叠堆型压电陶瓷(6)。

3、环形叠堆型压电陶瓷(6)的两端分别连接一个铜质电极片(2)，电极片(2)外接导线，连接电源给环形叠堆型压电陶瓷(6)施加电场。电极片(2)与主螺母(1)和副螺母(3)端面用绝缘垫片(5)隔开，防止丝杠(4)、主螺母(1)和副螺母(3)带电。

4、压电陶瓷片(6)具有较大的抗压强度，可允许的拉应力小，通过预先调节压电陶瓷片(6)厚度，一方面提供初始预紧力，另一方面确保工作时压电陶瓷片(6)始终处于压缩状态，避免压电陶瓷片因受拉而破裂。

5、由于逆压电效应，环形叠堆型压电陶瓷(6)在外电场的作用下，成比例地产生几何形变，为双螺母滚珠丝杠副提供动态预紧力，预紧力大小由电压大小决定。

6、在轻载状态下减小预紧力以减小滚珠与滚道之间的法向接触压力，从而达到减小摩擦力的目的。

7、当给压电陶瓷片(6)施加高频电压时，对螺母产生超声振动激励，通过改善滚珠与滚道接触润滑状态来减小摩擦力。

8、通过压电材料的逆压电效应为滚珠丝杠副提供超声激励，并且选用具有低介电损耗、高机电耦合系数、温度稳定性等优点的压电陶瓷pzt。

9、环形叠堆型压电陶瓷(6)代替预紧垫片为双螺母滚珠丝杠副提供预紧力。环形叠堆型压电陶瓷(6)沿厚度方向极化，通过控制电压的方向控制压电陶瓷片的伸缩变形。当需要增大预紧力来提高双螺母滚珠丝杠副轴向刚度时，可使压电陶瓷片(6)沿厚度方向伸长。当需要降低预紧力来减小摩擦力时，可使压电陶瓷片(6)沿厚度方向收缩，并通过电压的大小控制形变量。

10、当给压电陶瓷片(6)施加高频电压时，对螺母产生超声振动激励，通过改善滚珠与滚道接触润滑状态来减小摩擦力。所产生的高频微幅振动的频率一般大于20khz，幅值一般小于1微米。通过高频微幅振动激励对滚珠丝杠螺母施加抖动信号，改善运行稳定性，缓解滚珠在滚道内的卡顿现象。

11、通过瞬态弹流润滑理论验证超声振动减摩方法的有效性。具体而言，通过分析在高频变化载荷下，滚珠与滚道接触微区的润滑油膜厚度的变化趋势，并进行仿真验证，证明了超声振动激励力导致油膜挤压和分离作用下油膜厚度的增加，从而验证了所提出的减摩方法的正确性。

12、对比现有技术，本发明所述的超声激励滚珠丝杠副减摩方法及装置具有以下优点：利用压电陶瓷试下滚珠丝杠副预紧力的主动控制；通过产生超声激励力改善滚珠丝杠副润滑状态，具有减摩效果好、控制方便、节能且无污染等优点；可对现有产品进行升级改造，节约成本。

技术特征：

1.一种超声激励滚珠丝杠副减摩装置，其特征在于：超声激励滚珠丝杠副减摩装置由主螺母(1)、电极片(2)、副螺母(3)、丝杠(4)、绝缘垫片(5)以及环形叠堆型压电陶瓷(6)组成；所述环形叠堆型压电陶瓷(6)的两端分别连接一个铜质电极片(2)，电极片(2)与主螺母(1)和副螺母(3)端面用绝缘垫片(5)隔开，防止丝杠(4)、主螺母(1)和副螺母(3)带电；由于逆压电效应，环形叠堆型压电陶瓷(6)在外电场的作用下，成比例地产生几何形变，为双螺母滚珠丝杠副提供动态预紧力，预紧力大小由电压大小决定；在轻载状态下减小预紧力以减小滚珠与滚道之间的法向接触压力减小摩擦力；当给压电陶瓷片(6)施加高频电压时，对螺母产生超声振动激励，通过改善滚珠与滚道接触润滑状态来减小摩擦力。

2.根据权利要求1所述的超声激励滚珠丝杠副减摩装置，其特征在于：通过压电材料的逆压电效应为滚珠丝杠副提供超声激励，并且选用压电陶瓷pzt。

3.根据权利要求1所述的超声激励滚珠丝杠副减摩装置，其特征在于：环形叠堆型压电陶瓷(6)代替预紧垫片为双螺母滚珠丝杠副提供预紧力；环形叠堆型压电陶瓷(6)沿厚度方向极化，通过控制电压的方向控制压电陶瓷片的伸缩变形；当需要增大预紧力来提高双螺母滚珠丝杠副轴向刚度时，使压电陶瓷片(6)沿厚度方向伸长；当需要降低预紧力来减小摩擦力时，使压电陶瓷片(6)沿厚度方向收缩，并通过电压控制形变量。

4.根据权利要求1所述的超声激励滚珠丝杠副减摩装置，其特征在于：当给压电陶瓷片(6)施加高频电压时，对螺母产生超声振动激励，通过改善滚珠与滚道接触润滑状态来减小摩擦力；所产生的高频微幅振动的频率大于20khz，幅值小于1微米；通过高频微幅振动激励对滚珠丝杠螺母施加抖动信号，缓解滚珠在滚道内卡顿。

5.实现如权利要求1所述超声激励滚珠丝杠副减摩装置的方法，其特征在于：通过瞬态弹流润滑理论验证超声振动减摩方法的有效性；分析在高频变化载荷下，滚珠与滚道接触微区的润滑油膜厚度的变化趋势，并进行仿真验证，证明超声振动激励力导致油膜挤压和分离作用下油膜厚度的增加，从而验证所提出的减摩方法的正确性。

技术总结本发明公开了一种超声激励滚珠丝杠副减摩方法及装置，所述装置主要包括丝杠、主螺母、环形叠堆型压电陶瓷、电极片、绝缘垫片以及副螺母。环形叠堆型压电陶瓷在外电场的作用下产生几何形变，从而为双螺母滚珠丝杠副提供动态预紧力。在轻载状态下，可以减小预紧力以降低滚珠与滚道之间的摩擦力。施加高频电压于压电陶瓷片，对螺母施加超声振动激励，从而改善滚珠与滚道接触润滑状态，减小摩擦力。通过瞬态弹流润滑理论验证了超声振动减摩方法的有效性。本发明实现了滚珠丝杠副预紧力的动态调节，并通过施加轴向超声振动激励力改善了滚珠丝杠副的润滑条件，解决了滚珠在滚道内产生的摩擦力大、传动效率低、易卡顿等问题。技术研发人员：王民,张明亮受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25