增载型滚柱交叉导轨保持架设计方法

  本发明涉及一种用于支承各类机械设备、测量仪器中作直线有限往复运动部件的增载型滚柱交叉式导轨保持架的设计方法，它包括如下几个步骤按所需运动行程及载荷确定滚柱的直径和数量，并由此确定导轨的长度和外观尺寸;由保持架的兜孔限定滚柱的间距，兜孔轴线°角。

  在现有技术的滚柱交叉式导轨保持架中，按所需运动行程及载荷确定滚柱的直径和数量，确定导轨的长度和外观尺寸后均是将滚柱按两两轴线°这一固定模式均匀交叉排布的，按此排布方法只有50%的滚柱承受载荷。例如在《金属切削机床设计》(中国上海科技出版社，1981年版)中公开了一种设计滚柱交叉式导轨的方法。它的目的是合理地设计滚柱交叉式导轨，构成是导轨、滚动体和保持架三大类零件，由保持架兜孔限定滚柱的间距，不足之处是按其理论，在滚柱交叉式导轨中滚柱是以两柱轴线°均匀交叉排布的，所以只有50%的滚柱承受载荷。在《滚动导轨产品样本》(瑞典SCHNEEBERGER公司，1987年版)和《轴承产品样本》(日本THK公司，1987年版)中公开了一系列的交叉式导轨及其保持架产品，它们的目的是稳定、灵敏可靠地支承机床或仪器中作直线有限往复运动的部件，构成亦是导轨、滚动体和保持架三大类零件，且由保持架兜孔限定滚柱的间距，不足之处是该产品样本中系列新产品的承载能力也只有实际滚柱数量的50%。由此带来滚动导轨在负载之后，因导轨付内的滚柱只有半数承受实际载荷，从而使导轨的支承刚度因实际承担滚柱数目的减少而降低，也使导轨的制造误差因此而在拖板位置的精度上明显地反映出来。因实际在做的工作滚柱个数的减少而造成的实际承担量增加的结果，又导致了接触区与非接触区导轨变形波动量的增大，由此影响了导轨的运动平稳性及牵引阻力，使得上述现存技术的目的不能充分地实现。

  本发明的目的是避免上述现存技术中的不足之处，排除传统的将滚柱均按两两轴线°均匀交叉排布、滚柱浪费1/2的这一固定模式，在几乎不增加生产所带来的成本、不改变导轨付中各种零件的机械、物理性能，不扩大结构尺寸的前提下，较大幅度地提高导轨的承载能力。或是在承受同等载荷的前提下，较大幅度地缩小导轨付的外观尺寸，提高导轨的运动精度，而提供一种增载型滚柱交叉式导轨保持架的设计方法。

  本发明的目的能够最终靠以下措施来达到按所需运动行程及载荷确定滚柱的直径和数量，并由此确定导轨的长度和外观尺寸;由保持架的兜孔限定滚柱的间距，兜孔的轴线°角。

  本发明的目的还能够最终靠以下措施来达到根据导轨预紧力的大小及载荷的作用方向，确定滚柱的具体排布方式，使之在保证承受预紧力的前提下，导轨付中承受载荷的滚柱数量为最多，由此来设计保持架兜孔的具体布置形式，限定滚柱排布方式，进而达到滚柱交叉式导轨保持架载荷增加的目的。

  图1为现存技术滚柱交叉式导轨保持架的结构原理简图。其材料、结构虽有多种不同，但保持架的兜孔均是按轴线°这一固定模式均匀排布的，能承受载荷的滚柱最多只有50%。

  图2、图3为现存技术滚柱交叉式导轨的典型工作结构图、受力分析简图及滚柱的排列方式。其中①为预紧力P，②为工作负载力F。在图2的情形下，作用在滚柱上的P力的垂直分力的方向与F力的方向相反。在图3的情形下，P力的垂直分力的方向与F力的方向相同。在正常的情况下取P＝(6～30%)F，那么作用在滚柱上的P″＝(Sm2α)P＝0.5P，现假设P＝0.2F，则P″＝0.1F。因此当加上F后，按图2方式排布的滚柱所受的垂直力为P″-F＝-0.9F，即不再承受负载;而按图3方式排布的滚柱所受的垂直力为P″+F＝1.1F，大于工作负载。因为在现有滚柱交叉式导轨中，能承受工作载荷的滚柱最多只有50%，因而造成了下述后果1、有效承载滚柱的实际承担量大于计算值，导轨与滚柱接触变形增大，进而影响导轨的运动平稳性及牵引阻力。

  图4为滚柱导轨的等效受力图。其中①为预紧力P，②为工作载荷F(包括导轨拖板自重W)，③为工作扭矩M。(以下各附图中符号表示的意义与此相同)图5为滚柱导轨的典型受力形式之一。其特点是F作用在导轨承载区中心，无工作扭矩，此受力状态无需再进行等效变换。

  图7为图6的等效力图。等效方法为将F移至承载区中心，并加上一个等效扭矩M，M＝F·X式中X为载荷等效移动距离。

  图8为滚柱导轨的典型受力形式之三。其特点是F的作用方向与导轨运动方向相同，但不在同一平面上，而F的作用方向与拖板自重力方向垂直。

  图9为图8的等效力图。等效方法为将F移至导轨运动平面，由此产生一等效M，M与拖板自重W即为导轨设计所需的等效负载，此时F对导轨承载能力无影响。

  图13为图12的等效力图。其等效方法是将F移至导轨承载区中心，再加上一个等效扭矩M，M作用方向与导轨运动方向的夹角为α，α为F等效移动方向与导轨运动方向间的夹角。

  图14为滚柱导轨典型受力形式之六。其特点是F的作用方向即垂直于拖板自重W的作用方向，又垂直于导轨运动方向，且与导轨运动平面不在同一平面内。

  图15为图14的等效力图。其等效方法为将F移至导轨运动平面，此时导轨付承受两个方向的载荷，一是垂直载荷(由拖板自重W与等效扭矩M组成)，另一是F。

  图16、17为按照本发明的设计方法而设计的两种增载型滚柱交叉导轨保持架结构简图。

  从理论上讲，加有预紧力的滚柱交叉导轨付可以同时承受来自不同作用方向的多个外来载荷。但是在实际应用中这样的一种情况几乎是不存在的，也就是说对每一种特定的具体应用场合，导轨付所承受的载荷作用方向是单一且确定的，而各种不同的特定承载方式基本上归纳成上述的六种类型。因此，只要导轨的具体应用场合确定之后，导轨付的载荷分布情况也就随之确定了。根据承载特征来决定导轨付内滚柱的排布方式，使有效承载滚柱数为最多即可使导轨的承载能力得以充分发挥，进而达到增载的目的。现举例说明如下。为便于说明做下述规定1、F+P≤0.9ZC2、F≤0.75ZC3、P＝0.2F≤0.15ZC其中的F为工作载荷(N)，P为预紧力(N)，Z为导轨付内的滚柱总个数(设取Z＝40)，C为每只滚柱的许用载荷(N)(设取用规格为φ9×9的滚柱，其许用载荷为C＝1000N)。

  例1滚柱导轨的应用受力特征由附图5示出。先计算按现存技术设计的导轨付的承载能力。因为现存技术中滚柱有效承载数只有其总数的1/2。

  则有F＝0.75× (Z)/2 ×C＝0.75×20×1000＝15000(N)P＝0.2F＝0.2×15000＝3000(N)F+P＝18000＝0.9× (Z)/2 ×C所以，在上述条件下应用现存技术设计的导轨付承载能力为15000(N)现说明按本发明设计的导轨付的承载能力。因为预紧的目的是为了在未加载荷的情况下导轨便具有一定的承载刚性，比保证空载运动的稳定性和精确性。因假设有P≤0.15ZC，则P＝0.15ZC＝0.15×40×1000＝6000(N)按每只滚柱最大承载量≤0.9C计，则承载预紧力的滚柱个数Z′＝P/0.9C＝6000/0.9×1000＝6.7现取8只滚柱，每个保持架中交叉排列4只滚柱，以承受预紧力，则承受预紧力的每只滚柱的承载量为P/8＝6000/8＝750(N)＜0.9C也就是说只需8只滚柱便可以完全承受预紧载荷，由于工作载荷是垂直向下的，故将剩余的32只滚柱全部按照图3所示方式排列，则这32只滚柱均能承载，其承载能力为0.9×32×1000＝28800(N)与按现存技术设计的承载量15000(N)相比，承载能力提高了28800/15000＝1.92倍。由于承受预紧力中的8只滚柱中还有4只也是按照由图3示出的方式排列的，故实际参与工作承载的滚柱数为36只。按承载量为28800(N)计算，则有效承载滚柱的实际承担量为C′＝(28800+4×750)/36＝883(N)＜0.9C，有效承载滚柱占总数的36/40＝90%。由此可见，采用本发明设计的滚柱导轨滚柱排列方式，可以大幅度提升承载能力和滚柱与导轨面的接触密度，来提升导轨的刚性。图16为按图5所示承载形式的滚柱导轨所设计的增载型保持架结构简图。为保持预紧力的稳定性，将容纳承受预紧力滚柱的兜孔设计在距保持架两端约1/4处。

  其中F为工作载荷，X为工作载荷的等效移动距离，Kt为保持架的工作长度，即保持架两端兜孔间的距离。此时会出现两种现象一、1-2X/Kt＞0在这种情况下导轨左端滚柱承受的载荷小于右端，但载荷方向均是垂直向下的，故可采用图16示出的结构及形式的保持架，但可将承受预紧滚柱的兜孔适当左移。

  二、1-2X/Kt＜0在这种情况下导轨付中必存在一个载荷F与等效扭矩M的作用相抵消的部位。其左侧的滚柱承受垂直向上的载荷，其右侧的滚柱承受垂直向下的载荷，且越向两端滚柱受力越大，而在该部位相邻两侧的滚柱(4只)受力极小。仍取8只滚柱承受预紧力，为增加有效承载滚柱个数，将不可能承载的那4只滚柱用以承受预紧力，则剩余的32只滚柱可全部用以承受工作载荷，占滚柱总数的80%，承载量为0.9×32×1000＝28800(N)。而现存技术在此类受力状态下的承载滚柱个数最多为1/2(40-4)＝18只，只有总数的45%，承载量为0.9×18×1000＝16200(N)，两者相比本发明较现存技术提高承载能力28800/16200＝1.78倍。图17为按图6所示承载形式的滚柱导轨所设计的增载型保持架结构简图，承受预紧力滚柱的保持架兜孔设计在承载点及距两端1/3～1/4处。

  从上述两例能够准确的看出，只要能根据滚柱导轨实际使用时的承载状态进行正确的受力分析，并据此合理的安排滚柱的排布方式，无效滚柱数将减至最少，即最大限度地发挥滚柱导轨的承载能力。由于滚柱在导轨付内的排布方式是受保持架兜孔限制的，因此按不同的使用情况合理地设计保持架兜孔的排布方式便成了增载的关键所在。

  本发明相比现存技术具有如下优点1、在几乎不增加生产所带来的成本、不改变导轨付中各种零件的机械、物理性能、不扩大结构尺寸的前提下，较大幅度地提高导轨的承载能力。或是在承受同等载荷的前提下，较大幅度地缩小导轨付的外形尺寸。

  2、由于实际承担滚柱数量的增加及间距的密集，导轨付的接触变形幅度变得小而密，来提升了导轨的运动精度。

  一种用于支承各类机械设备、测量仪器中作直线有限往复运动部件的增载型滚柱交叉导轨保持架的设计方法，按所需运动行程及载荷确定滚柱的直径和数量，并由此确定导轨的长度和外观尺寸，由保持架的兜孔限定滚柱的间距，兜孔的轴线°角，本发明的特征是根据导轨顶紧力的大小及载荷的作用方向，确定滚柱的具体排布方式，由此来设计保持架兜孔的具体布置形式。

  一种用于支承各类机械设备、测量仪器中作直线有限往复运动部件的增载型滚柱交叉式导轨保持架的设计方法，排除了传统的将滚柱均按两两轴线°均匀交叉排布、滚柱浪费约1/2的这一固定模式。本发明的特征是根据导轨预紧力的大小及载荷的作用方向，确定液柱的具体排布方式，使导轨副中承受实际载荷的滚柱数量为最多，由此来设计兜孔的具体布置方式，从而较大幅度地提高导轨的承载能力或缩小导轨副的外观尺寸，提高导轨的运动精度。