滚珠丝杠和梯形丝杠的区别（一）

机械设计中，我们经常用到滚珠丝杠和梯形丝杠，它们是两种常用的，将旋转运动变为直线运动的方法。其中，滚珠丝杠因为摩擦小，可逆，还可将直线运动，变成旋转运动，我们称这种传动为逆效率传动。
那么，这两者有什么区别？什么时候用滚珠丝杠？什么时候用梯形丝杠？如何根据精度，速度，载荷等要求，选择滚珠丝杠（或者梯形丝杠）和电机？常用的两端支撑结构形式是什么？（固定－支撑）长行程时，螺母解耦的结构设计是什么样子？汉艺精工为你科普滚珠丝杠趣知识。

1. 结构不同

首先，我们来看看结构，因为结构决定特性。
滚珠丝杠，从字面上也很好理解，就是用滚珠来滚动，滚珠在哪里滚动，当然是在滚珠丝杠轴上滚动。
所以，丝杠轴上有圆弧轮廓，此轮廓在轴上按照一定的升角（导程角）盘旋在轴上。
而滚球被设计在螺母里，在丝杠轴圆弧轮廓里滚动，所以是滚动摩擦。
其运动原理，就是螺旋副，简单理解，就是类似于拧螺钉，我们知道，拧螺钉时，如果在螺钉端部限制螺钉移动，那么被螺纹嵌入部件，就会沿着螺钉轴线移动。

滚珠丝杠，也是同样的道理，把丝杠轴一端或者两端沿轴向固定，用马达驱动丝杠旋转，那么，带钢球的螺母，就会沿丝杠轴线方向运动。

梯形丝杠和滚珠丝杠的运动原理相同，不同之处在于，梯形丝杠里没有滚珠，那么螺母和丝杠轴之间的运动，完全靠机械接触产生滑动，是滑动摩擦，所以梯形丝杠也叫滑动丝杠。
所以两者的结构区别，用一句话概括就是: 滚珠丝杠是滚动摩擦，梯形丝杠是滑动摩擦。

2. 传动效率不同

很显然，滚动摩擦的摩擦系数远远低于滑动摩擦系数。
比如，NSK和THK都显示，滚珠丝杠的摩擦系数在0.003到0.01之间，而梯形丝杠的摩擦系数在0.1到0.2之间。
再比如，REXROTH显示，滚珠丝杠的摩擦系数在0.005到0.01之间，而梯形丝杠的摩擦系数在0.2到0.3之间。
这也是为什么大多数滚珠丝杠的传动效率高达90%，有的甚至达到95%以上，而大多数梯形丝杠的传动效率低于70%。
比如，知名的丝杠供应商Thomson linear显示，滚珠丝杠的传动效率在85%-95%之间，而梯形丝杠的传动效率在30%-70%之间。
而另一家供应商Helix linear则显示，其梯形丝杠的传动效率在15%-85%之间。
梯形丝杠的传动效率低下，从能量的角度来看，是因为滑动摩擦，特别是高速运动，产生了大量的热，如果丝杠或者螺母受不了，就会“烧着了”，所以，梯形丝杠不太适合高速运行要求，其最高转速一般不超过3000RPM。
而滚珠丝杠，因为是滚动摩擦，所以没有那么多热量产生，速度可以达到很高，比如10000RPM。
但是，两种丝杠，由外部负荷引起的摩擦扭矩，计算公式一样，都是Ta=Fa*L/2πη，Fa表示由外部负荷产生的轴向力，L表示导程，η表示效率。
这个公式用功和能量原理很好理解，因为公式可以写成Ta*2πη=Fa*L，很明显，左边表示转一圈时，扭矩的有效功，右边表示克服载荷移动一个导程，需要的能量。
所以，在导程相同的情况下，就扭矩计算而言，选择的主要区别就在于效率。
因为滚珠丝杠的效率是梯形丝杠的2-4倍，所以一般而言，用同样的导程，来驱动相同的负载时，滚珠丝杠更有优势。

3. 自锁性不同理论显示，当丝杠传动效率大于50%时，没有自锁性，当传动效率小于35%时才有自锁性。
所以，滚珠丝杠没有自锁性，而梯形丝杠有一定的自锁性。
所以，就Z向应用来说，梯形丝杠有自锁的优势，当然，实际情况，还需要考虑精度速度等因素。
如果将滚珠丝杠，应用于竖直方向，则需要考虑断电时，无法自锁，需要加额外的结构或者器件，来保证停电时，丝杠螺母停留在原来的位置，而不会滑落下来，这对安全起着重要的作用。
现在很多电机自带刹车模块，就是断电时，可以抱住电机轴，不让它旋转，起到保护作用，当然，刹车能提供的扭矩是有限的，可以根据需要选择合适的型号。
4. 制作材料不同滚珠丝杠轴一般是用不锈钢或者合金钢，而螺母一般用铜制，因为铜可以承受较大的载荷，同时摩擦系数小，有一定的自润滑作用，正如我们常见的一些直线轴承，或者平面滑板，也用铜，正是这个原因。
梯形丝杠轴也用不锈钢或者合金钢。而对于螺母，则和滚珠丝杠有一点不同，很多时候，梯形丝杠螺母会使用非金属材料。

比如低载荷时，一般用低摩擦系数，耐高温的合成工程材料，如在尼龙，赛钢，PEEK，VESPEL，PET，PPS等材料中，混入特富龙(PTFE)，来实现低摩擦系数，同时有一定的耐热性能。
很多时候，PEEK材料本身就被用来做动态接合面的密封，而PTFE和尼龙也经常被用来做涂层，起到润滑的作用，比如上一篇文章《机械设计中，重力平衡有哪些方法？》中提到的钢绳气缸，钢绳上就有尼龙涂层，达到降低摩擦的作用。

再比如，我们常用的用来做螺母的热塑性材料，有Turcite A和Turcite X，这是两种耐磨，自润滑材料。
数据显示，Turcite A，抗拉强度为52.4Mpa，抗弯强度75.84Mpa，抗压强度89.63Mpa，这些强度都高于Turcite X(三种强度值分别为40.68Mpa，55.16Mpa，82.74Mpa)，而且其PV值仅有7500psi-fpm，大约是TurciteX的一半，所以它用于中度至重负荷，而且适用于中度速度。同时，Turcite A比Turcite X有较高的耐磨性，颜色为蓝色，通常是圆棒材料。
而Turcite X比Turcite A有更低的滑动摩擦系数，摩擦系数为0.22（Turcite A为0.3），而且，其极限PV值为Turcite A的两倍多，达到16000psi-fpm，但是其抗拉强度和抗弯曲强度都比Turcite X低，所以适用于轻载荷，高速度的应用，其颜色为红色。
当然，高载荷时，梯形丝杠也用铜做螺母。
为什么降低摩擦在这里变得如此重要？
因为梯形丝杠有PV（PressureVelocity）极限的问题，也就是说载荷一定时，速度有限制，如果载荷偏大，那么速度需要变得低一点，载荷小速度可以高些。
因为对于特定材料，摩擦产生热量，如果这个热量的耗散速度太低，跟不上热量的产生速度，那么就会导致材料永久变形，通俗理解就是“烧着了”。
汉艺精工将在下一篇文章继续帮您介绍滚珠丝杠和梯形丝杠的区别。