CN105485282A - 一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构，属于滚珠丝杠副振动控制领域。包括鼠笼式弹性套筒(1)、金属橡胶垫片(2)、金属橡胶圈(3)、外套筒(4)。该结构与滚珠丝杠副的螺母和螺母座连接，在保证轴向刚度的前提下，降低螺母与工作台的径向连接刚度，通过合理设计弹性支承结构的径向刚度，达到提高丝杠径向固有频率和减小螺母移动导致的丝杠径向固有频率变动范围，改善丝杠径向动态特性，提高滚珠丝杠副临界转速。通过在弹性支承结构中内置金属橡胶阻尼材料，进一步抑制滚珠丝杠副的径向振动。并合理选择金属橡胶的密度、刚度使抑振效果达到最优，提高滚珠丝杠副的工作性能，降低工作噪音。该发明适用于不同型号及工况下的滚珠丝杠副。

Description

一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构
技术领域
本发明涉及一种滚珠丝杠副减振弹性支承结构，属于滚珠丝杠副振动控制领域。
背景技术
滚珠丝杠副是数控机床伺服进给系统中应用最广泛的机械传动部件，其精度与可靠性直接影响工件的加工质量。随着数控机床向着高速化、精密化发展，对滚珠丝杠副的性能要求也越来越高。在大型数控机床中，由于工作台行程较长，丝杠也相应变长，导致进给系统刚度、抗阵性能下降，影响滚珠丝杠的使用寿命。
滚珠丝杠副结构包括丝杠和螺母，螺母通过与螺母座连接，带动工作台往复运动，滚珠丝杠副细长轴的结构形式容易发生振动，导致其高速性难以实现。滚珠丝杠副在工作过程中会产生弯曲、轴向及扭转振动，其中径向弯曲振动较为明显，丝杠的工作临界转速受到径向固有频率的限制而难以提高，并且随着螺母位置的移动，滚珠丝杠副的动态性能也是不断变化的，振动控制难以实现。
振动控制方法国内外学者已经进行了大量的研究，目前比较成熟的振动控制方法，是通过在系统中加入阻尼吸振部件来达到减振抑振的效果。本发明采用一种鼠笼式弹性支承结构并利用一种阻尼材料金属橡胶有效抑制滚珠丝杠副的径向振动。
发明内容
本发明为了有效控制滚珠丝杠副的振动、提高滚珠丝杠的性能、降低噪音、提高其临界转速，设计了一种减振弹性支承结构，并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。在满足轴向刚度要求的前提下，通过合理设计弹性支承的径向刚度，提高滚珠丝杠副的临界转速，通过合理设计金属橡胶的密度，使其刚度最优化，有效抑制丝杠的径向振动，起到减振降噪的作用。
一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构：包括鼠笼式弹性套筒(1)、金属橡胶垫片(2)、金属橡胶圈(3)、外套筒(4)。鼠笼式弹性套筒(1)为鼠笼式结构，鼠笼式弹性套筒的一端为带有螺纹孔的法拉盘，另一端为带有U型通孔的法兰盘，U型通孔的U型开口指向所在法兰盘的径向边缘；在鼠笼式弹性套筒中间部分为桶式结构，桶式结构桶壁开有轴向长度条形通孔；外套筒为半套筒结构，两个外套筒对接构成套筒结构，外套筒的一端为同样开有U型通孔的法兰盘，另一端为半桶壁结构，在法兰盘上U型通孔正对并接触的桶壁部分开有通孔；两个外套筒对接套在鼠笼式弹性套筒(1)的中间部分的外侧，在鼠笼式弹性套筒的中间部分桶式结构与外套筒的桶壁结构之间设有金属橡胶圈(3)，鼠笼式弹性套筒带有U型通孔的法兰盘与外套筒开有U型通孔的法兰盘紧贴叠加在一起，且鼠笼式弹性套筒上的U型通孔与外套筒上U型通孔一一对应；在鼠笼式弹性套筒和外套筒之间具有空隙，在鼠笼式弹性套筒带有螺纹孔的法兰盘与外套筒半桶壁结构的顶端面之间设有金属橡胶垫片(2)。
鼠笼式弹性套筒能够在保证轴向刚度的前提下，降低其径向刚度，在应用时，有螺纹孔的一端法兰盘通过螺钉与滚珠丝杠副的螺母连接固定，另一端法兰盘通过螺钉与外套筒(4)及丝杠螺母座连接，外套筒(4)数量为2个。金属橡胶垫片(2)安装在鼠笼式弹性套筒(1)和两个外套筒(4)之间的轴向间隙处，金属橡胶圈(3)安装在鼠笼式弹性套筒(1)和两个外套筒(4)之间的径向间隙处，金属橡胶垫片(2)及金属橡胶圈(3)均为半圆形结构，数量均为两个，金属橡胶具有较大的阻尼系数，能够有效吸收滚珠丝杠副的振动能量。
通过设计鼠笼式弹性套筒的中间部分厚度、长度等尺寸，改变弹性支承的径向刚度，并通过选择金属橡胶的密度，设计金属橡胶在振动方向上的刚度。
根据滚珠丝杠副的结构尺寸、轴承径向支承刚度和螺母丝杠接触刚度，对弹性支承结构径向刚度进行优化，设计鼠笼式弹性套筒的结构尺寸，提高丝杠的临界转速。
根据滚珠丝杠允许径向振动幅值大小选择合适的金属橡胶密度，调整金属橡胶的刚度，以保证用于滚珠丝杠副的弹性支承达到最佳的抑振效果。
所述的一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构，其主要轴向刚度有鼠笼式弹性套筒的轴向刚度提供，并与金属橡胶垫片提供的小部分刚度并联，用于提高滚珠丝杠副的传动精度。通过合理设计鼠笼式弹性套筒的尺寸大小改变其径向刚度，提高滚珠丝杠的径向振动固有频率，减小丝杠径向振动固有频率的变动量，调节共振频域，提高滚珠丝杠副的临界转速，提高机床的工作效率。金属橡胶内部金属丝之间的干摩擦耗能能够有效吸收来自工作台的振动和冲击，通过合理设计金属橡胶的密度，优化金属橡胶的刚度，来适用于不同型号、工况及转速下的滚珠丝杠副的减振，降低工作噪音。
本发明具有如下有益作用：
本发明结构紧凑、可靠性强、可操作性强，通过合理设计弹性支承的径向支承刚度，降低螺母与工作台的径向连接刚度，增大螺母位于丝杠不同位置时丝杠的径向振动固有频率，达到调节共振频域的作用，提高滚珠丝杠副的临界转速，通过选择不同密度的金属橡胶，调整金属橡胶的刚度，最大限度的抑制滚珠丝杠副的径向振动。该结构与滚珠丝杠副的螺母和螺母座连接，在保证轴向刚度的前提下，降低螺母与工作台的径向连接刚度，通过合理设计弹性支承结构的径向刚度，达到提高丝杠径向固有频率和减小螺母移动导致的丝杠径向固有频率变动范围，改善丝杠径向动态特性，提高滚珠丝杠副临界转速。同时，通过在弹性支承结构中内置金属橡胶阻尼材料，进一步抑制滚珠丝杠副的径向振动。并合理选择金属橡胶的密度、刚度使抑振效果达到最优，提高滚珠丝杠副的工作性能，降低工作噪音。该发明适用于不同型号及工况下的滚珠丝杠副。
附图说明
图1为本发明一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构图。
图中：1、鼠笼式弹性套筒，2、金属橡胶垫片，3、金属橡胶圈，4、外套筒。
图2为弹性支承零件示意图。(a)为鼠笼式弹性套筒结构示意图，(b)为外套筒结构示意图。
图3为一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承安装示意图。
图中：5、滚珠丝杠螺母，6、螺钉，7、减振弹性支承，8、螺钉，9、螺母座。
图4为丝杠径向振动前三阶固有频率的变化量(螺母位于丝杠不同位置)随螺母位置支承刚度与两端轴承支承刚度之比的变化图。
图5为丝杠径向振动前三阶固有频率的最大值(螺母位于丝杠不同位置)随螺母位置支承刚度与两端轴承支承刚度之比的变化图。
图6为丝杠螺母位于丝杠同一位置时，有减振弹性支承结构和无减振弹性支承结构丝杠螺母位置处径向频响函数幅值对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
如图1所示，用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构包括包括鼠笼式弹性套筒1、金属橡胶垫片2、金属橡胶圈3、外套筒4。金属橡胶垫片2、金属橡胶圈3、外套筒4数量均为2个，且金属橡胶被压覆在鼠笼式弹性套筒与外套筒之间。如图3所示，鼠笼式弹性套筒有螺纹孔的一端法兰盘通过螺钉与滚珠丝杠副的螺母连接固定，另一端法兰盘通过螺钉与外套筒4及丝杠螺母座连接。
采用丝杠直径为40mm、长度为1000mm的滚珠丝杠副，两端轴承径向支承刚度为108N/m，按照该型号滚珠丝杠螺母及螺母座的标准尺寸设计弹性支承的法兰盘的基本尺寸大小。如图4、5所示，在一定范围内，随着螺母位置的变动，滚珠丝杠径向振动前三阶固有频率的变动量随螺母位置支承刚度与两端轴承支承刚度之比变小而变小，并且丝杠径向振动固有频率最大值基本不变，螺母位置径向支承刚度即弹性支承的径向刚度与轴承支承刚度的比值为0.1～0.2时，丝杠频率变化量最小。通过仿真设计出鼠笼式弹性套筒的厚度及长度，确定尺寸大小。此外，为了达到最佳吸振效果，通过丝杠的振动幅值大小，确定金属橡胶的密度为1.5g/cm3。通过优化设计，最小频率增加200Hz，丝杠前三阶固有频率变化量减小了200Hz左右，减小了丝杠的共振频域，提高丝杠的临界转速。如图6所示，丝杠径向振动幅值降低80％，降噪减振效果明显。

Claims (3)

1.一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构：包括鼠笼式弹性套筒(1)、金属橡胶垫片(2)、金属橡胶圈(3)、外套筒(4)。鼠笼式弹性套筒(1)为鼠笼式结构，鼠笼式弹性套筒的一端为带有螺纹孔的法拉盘，另一端为带有U型通孔的法兰盘，U型通孔的U型开口指向所在法兰盘的径向边缘；在鼠笼式弹性套筒中间部分为桶式结构，桶式结构桶壁开有轴向长度条形通孔；外套筒为半套筒结构，两个外套筒对接构成套筒结构，外套筒的一端为同样开有U型通孔的法兰盘，另一端为半桶壁结构，在法兰盘上U型通孔正对并接触的桶壁部分开有通孔；两个外套筒对接套在鼠笼式弹性套筒(1)的中间部分的外侧，在鼠笼式弹性套筒的中间部分桶式结构与外套筒的桶壁结构之间设有金属橡胶圈(3)，鼠笼式弹性套筒带有U型通孔的法兰盘与外套筒开有U型通孔的法兰盘紧贴叠加在一起，且鼠笼式弹性套筒上的U型通孔与外套筒上U型通孔一一对应；在鼠笼式弹性套筒和外套筒之间具有空隙，在鼠笼式弹性套筒带有螺纹孔的法兰盘与外套筒半桶壁结构的顶端面之间设有金属橡胶垫片(2)。
2.根据权利要求书1所述的一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构，其特征在于：金属橡胶垫片(2)及金属橡胶圈(3)均为半圆形结构，数量均为两个。
3.根据权利要求书1所述的一种用于滚珠丝杠副的减振弹性支承结构，其特征在于：在应用时，有螺纹孔的一端法兰盘通过螺钉与滚珠丝杠副的螺母连接固定，另一端法兰盘通过螺钉与外套筒(4)及丝杠螺母座连接。
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