滚珠丝杠和梯形丝杠的区别是什么？适用于哪些场合？怎样选择？

滚珠丝杠和梯形丝杠是机械设计中常用的两种，把旋转运动转变为直线运动的方法。

其中，滚珠丝杠由于摩擦小、可逆，还能将直线运动，变为旋转运动，我们称之为逆效率传动。

那两者的区别是什么呢？何时使用滚珠丝杠？何时使用梯形丝杠？

怎样根据精度、速度、负荷等要求，选择滚珠丝杠或梯形丝杠和电动机？

两端支承的常用形式有哪些？(固定支承)

螺母在长行程下的解耦结构设计是什么样的？

今天，我结合我自己的设计经验，来对这些问题作一个小结，如有不适当之处，欢迎指正。

大体上从以下10个方面加以说明。

1.结构不同

我们先看一下结构，因为结构决定特性。

行星滚珠丝杠，从字面上也可以理解，那就是用滚珠来滚动，哪个地方会滚动，当然是在杠杆上滚动。

因此，丝杠轴上有圆弧轮廓，该轮廓在轴上绕成一定的上升角(导程角)。

与之配套的滚珠设计在螺母内，在杠轴的弧线内滚动，因此属于滚动摩擦。

它的运动原理，就是螺旋副，简单的理解，就像是拧螺钉一样，我们知道，如果螺钉端部限制螺钉移动，则所嵌入的部件将沿螺钉轴线移动。

滚珠丝杠，也是如此，把杠轴的一端或两端都固定在轴向上，用电机带动丝杆转动，然后，带钢球的螺母，沿丝杠轴线方向移动。

梯形丝杠与滚珠丝杠的运动原理相同，不同的是，梯形丝杠上没有滚珠，然后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。

因此二者的结构差异，用一句话来概括：滚珠丝杠是滚动摩擦，梯形丝杠是滑动摩擦。

2.传输效率不同

滚动摩擦的摩擦系数明显小于滑动摩擦系数。

例如， NSK和 THK都表明，滚珠丝杠的摩擦系数在0.003至0.01之间，而梯形丝杠的摩擦系数为0.1至0.2。

例如， REXROTH显示，滚珠丝杠的摩擦系数在0.005至0.01之间，而梯形丝杠的摩擦系数为0.2至0.3。

因此，多数滚珠丝杠的传动效率可达90%以上，有些甚至可达95%以上，而多数梯形丝杠的传动效率低于70%。

举例来说，著名的丝杠供应商 Thomsonlinear显示，滚珠丝杠的传动效率为85%-95%，而梯形丝杠的传动效率为30%-70%。

另外一家供应商 Helixlinear则显示它的梯形丝杆传动效率达到15%-85%。

从能量的角度来说，丝杠传动效率低，是由于滑动摩擦，尤其是高速运动，产生的热量很大，如果丝杠或螺母受不了，丝杠或螺母会“烧坏”，因此，梯形丝杠不太适合高速运行要求，其最高转速一般不超过3000 RPM。

还有滚珠丝杠，由于是滚动摩擦，所以没有那么多的热量产生，速度可以达到很高，比如10000 RPM。

但两种丝杠，由外载荷引起的摩擦力矩，计算公式为 Ta= Fa* L/2θ， Fa表示由外载产生的轴向力， L表示导程，而θ表示效率。

这一公式的用功和能量原理很好理解，因为公式可以写成 Ta*2π= 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的能量。

因此，对于同样的导程，对于扭矩的计算，选择最主要的差别是效率。

由于滚珠丝杠的效率是梯形丝杠的2-4倍，因此，在驱动相同负载时，使用相同的导程，滚珠丝杠更具优势。

3.自锁性不同

从理论上可以看出，丝杠传动效率在50%以上，无自锁性，当传动效率小于35%时，无自锁。

因此，滚珠丝杠不具有自锁性，但它具有某种自锁性。

因此，对于 Z向应用而言，梯形丝杠具有自锁的优点，当然，实际情况下，还需考虑精度速度等因素。

若将滚珠丝杠应用到垂直方向，则需考虑断电时，不能自锁，需加附加结构或装置，以保证停电时，丝杠螺母保持在原位置，不会滑下，对安全有重大意义。

如今许多电机自带制动模块，即断电时，可将电机轴抱住，使其不转动，起到保护作用，当然，制动力矩有限，可根据需要选用合适的型号。

4.制造材料不同

滚珠丝杠轴一般用不锈钢或合金钢，而螺母一般用铜制，因为铜能承受很大的负荷，同时摩擦系数小，具有一定的自润滑作用，就像我们常见的直线轴承，或者平面滑板，也用铜，就是这个原因。

梯形丝杠轴还采用不锈钢或合金钢。对螺母来说，与滚珠丝杠也有一些不同，很多时候，梯形的丝杠螺母都会使用非金属材料。

梯形丝杠螺母的制造材料

例如低负荷时，一般采用低摩擦系数、耐高温的合成工程材料，如在尼龙、赛钢、 PEEK、 VESPEL、 PET、 PPS等材料中加入特富龙(PTFE)，以达到低摩擦系数，同时具有一定的耐热性能。

通常， PEEK材料本身是用来做动态界面密封的，而 PTFE和尼龙也经常被用来做涂层，起到润滑的作用，如前一篇文章《机械设计中，重力平衡的方法是什么？本章所述的钢绳筒，钢绳上有尼龙涂层，起到减少摩擦的作用。

Turcite A和 TurciteX属性对比

例如，我们通常用来制作螺母的热塑性材料，有 TurciteA和 TurciteX，它们是两种耐磨、自润滑材料。

结果表明， Turcite A的拉伸强度为52.4 Mpa，弯曲强度为75.84 Mpa，抗压强度为89.63 Mpa，这些强度均高于 Turcite X (三种强度值分别为40.68 Mpa,55.16 Mpa,82.74 Mpa)，而且 PV值只有7500psi-fpm，只有 TurciteX的一半，因此用于中等速度。与此同时， TurciteA比 TurciteX具有更好的耐磨性能，蓝色的颜色，通常是圆棒的材质。

TurciteX比 TurciteA具有较低的滑动摩擦系数，且摩擦系数为0.22 (Turcite A为0.3)，并且 PV值是 TurciteA的两倍多，达到16000psi-fpm，但其拉伸强度和抗弯曲强度低于 TurciteX,因此适用于轻负荷、高速应用，其颜色为红色。

梯形丝杠在大负荷下，当然也用铜做螺母。

为什麽在这里减少摩擦如此重要？

由于梯形丝杠存在 PV (PressureVelocity)极限的问题，即载荷一定时，速度会有限制，如果负载过大，则需要降低一点速度，而负载小速度则可提高一些。

由于对一种特殊的材料，摩擦产生热量，如果这一热量的消散速度太低，跟不上热量产生的速度，那么就会导致材料永久变形，通俗地理解为“烧坏了”。

5.不同的制造方法和最终精度

生产丝杆的方法

滚珠丝杠一般有两种加工方法，一种是研磨一种是扎制。

磨削即为精磨。

打捆，是一种冷加工方法，简单理解就是滚压出来的，就是用一种带丝杠轮廓的工具把被加工过的轴滚出所需的表面形状。

这是一种类似于擀面的面团，用擀面杖将面团压成所需形状和厚度。

此外，研磨属于精密制造，轧制属于批量制造，轧制的生产效率远高于前者，但后者的制造设备成本也远高于前者。

因此，可以说，磨制丝杠的进入门槛较低，轧制生产的进入门槛较高，能生产轧制丝杠的厂家一般也能生产磨制丝杠，而能生产磨制丝杠的厂家不一定能生产轧制丝杠。

因此，同样精度的产品，如果能买到轧件就不买磨料，原因很简单，轧制成本低。

此外，轧制和研磨仅指丝杠轴，金属螺母全用磨削制造。

当然，两种加工方法的加工精度，加工成本都不相同。

另外，首先要说明的是，我们通常所说的精确度，是指导程的精确度，也就是导程会有误差，不能总是保持恒定。

例如，理想导程为5 mm，连续测量5个相邻导程，实际导程可达到4.998、4.997、5.000、5.002、4.999。

这样误差会累积，造成定位误差，我们在按定位精度选择导程精度时，需要到导程精度表上查询。

丝杠与梯形丝杠导程精度2

引导精度，按C0、C1、C2、C3、C5、C7、C8、C10等分为8个等级。

当前，滚珠丝杠能达到的一般精度为C7 (±50 um/300 mm),C8 (±100 um/300 mm),C10 (±210 um/300 mm)。

圆括号中的数值，指的是每300 mm有效螺纹长度，可能累积的误差，如C7，每300 mm的误差可能累积±50 um，如果螺纹的有效长度为600 mm，则可能累积误差为±100 um。

C8和C10的精确度等级可以进行相同的推算。

C0-C5属于级丝杠，滚珠丝杠最高精度可达C0级，即±3 um/100 mm，即使是低等级C5的丝杠，其最高精度可达C0级。

值得注意的是，磨削滚珠丝杠的精度，不能像滚珠丝杠那样的推演，因为磨丝杠的精确度更高，内涵更广(有兴趣，可以去了解一下)。

例如，对于C5级，螺纹有效长度小于100 mm时，可达到±18 um。但当有效长度从200 mm到400 mm之间时，可达到的精度为±20 um、±25 um，而不是±36 um、±72 um。

说到这里，滚珠丝杠差不多了，接下来我们说说梯形丝杠。

梯形丝杠有滚压、切削和研磨三种制造方法。

滚压法优于切削法，因为滚压可获得较硬的表面，并具有优良的表面光洁度。

但从精度上讲，磨削可获得最大精度，其次是切削、滚压精度最低。

举例来说， Thomson显示，滚压梯形丝杠能够达到±75 um/300 mm的精度，这个值介于扎制滚珠丝杠C7-C8精度之间。

若要获得较高的精度，则需要研磨，研磨可达到±7.5 um/300 mm的精度，但成本也会增加10倍以上。

例如， Helix显示，它能够获得±12.5微米/300 mm的磨削精度，而铣削可以达到±50 um/300 mm，滚压只能实现±90 um/300 mm的精度。

滚珠丝杠综合精度高于梯形丝杠，因此一般对精度要求较高的应用，滚珠丝杠是首选。

6.轴向间隙和预压方式不同

丝杠与梯形丝杠轴向间隙

在选择丝杠时，轴向间隙也是一个很重要的因素，因为间隙的存在会导致返程误差，直接影响到反推时的精度。

根据不同的间隙，将滚珠丝杠分为不同的等级。

比如， THK分为G0 (0-预紧)、G1 (0-0.005)、 GT (0-0.01)、G2 (0-0.02)、G3 (0-0.05)、G3 (0-0.05)等5个等级。

NSK还分为 Z (0-预紧)、 T (0-0.005)、 S (0-0.02)、 N (0-0.05)、 L (0-0.05)和 L (0-0.3)，括号中的数值表示轴向间隙的范围，单位是毫米。

Thomson显示，梯形丝杠轴向间隙在0.02 mm-0.25 mm之间。

为消除丝杠与丝杠之间的轴向间隙，提高传动精度，滚珠丝杠和梯形丝杠均可提高预压力。

但两者的预压方式不同。

滚珠丝杠和梯形丝杠的预压方式

举例来说， THK和 NSK滚珠丝杠，单螺母采用螺母相位差；对双螺母，则采用预压垫片，或用弹簧片作预压。

利用相位差来实现预压，即在螺母中，改变中心槽螺距，使槽壁两侧的钢球处于拉紧状态，从而达到预压的目的。

采用相位差和垫片均为定位预压方式，而弹簧片预压法属于定压预压方式。

学说