- 文献综述
背景：本课题以全负载范围内、不同转速条件下滚珠丝杠副产品的正反向传动效率的测试为研究背景。作为拥有 1000 多年历史的机械结构，滚珠丝杠传动是机械传动中的一个重要组成部分，相较于其它机械传动方式，具有结构简单、工作平稳和增力比大等诸多优点，广泛应用于各行业中[1]。滚珠丝杠传动是通过螺杆和螺母的回转传递运动和动力。其主要作用是把原动机的旋转运动以及较小转矩转换为执行机构的直线运动和较大推力，如果丝杠传动副不自锁，还能够进行逆向传动即将直线运动变成旋转运动。滚珠丝杠传动越来越广泛的运用于各种装备中，滚珠丝杠传动的产品也不断更新和发展[2]。现代机械产品不断向更高的精度、更高的速度、更高的传动效率的方向发展，滚珠丝杠传动的潜力也不断被挖掘[3]。随着制造技术的不断提高，滚珠丝杠传动结合先进的控制技术被广泛的应用于精密仪器中。滚珠丝杠传动中的滚动丝杠传动，摩擦力极小，传动效率能达到 90%以上，精度也很高，因此，从 20 世纪 40 年代开始，发展较为迅速，被大量的应用于航空航天、精密机床、测量仪器等行业中[4]。滚珠丝杠传动应用领域如此广泛，在机械传动中占有重要地位，同时，滚珠丝杠传动也存在着许多的问题。由于滚珠丝杠传动的原理是利用丝杠传动副的啮合来传递运动和动力，所以不可避免的存在摩擦磨损的问题，从而影响传动的精度和效率。所以，对滚珠丝杠传动性能进行进一步深入的研究是十分必要的[5]。
关键技术及国内外发展现状：
- 摩擦系数：
常见的滑动丝杠传动副，因为其摩擦系数大，效率低，限制了其在重载机械驱动中的使用[6]。因此研究新型滑动丝杠传动副，让其保持普通滑动丝杠传动承载能力大、结构简单、价格便宜等优点，又具有较高效率，对成型设备具有十分重要的意义[7]。周先辉、李春梅等人对高效重载丝杠传动副实现途径进行了研究，提出了降低丝杠传动面摩擦因素的途径是选取合适的配对材料及相应的润滑工艺，用酚醛树脂、含油 MC 尼龙、铜基和锌基等复合材料做螺母，都可以有效的减小摩擦，提高丝杠传动传动的效率[8]。为降低丝杠传动传动摩擦因素提高传动效率，减摩材料的研究成了近年来最热门的领域之一，印度理工大学 Bijwe 等采用冷远程氮氧等离子体（CRNOP）处理碳纤维（CF）来改善纤维基质的粘附，结果表明经过改性的中等碳纤维含量的复合材料机械性能更好，摩擦性能也有明显的提高[9]。孙友松、李春梅等还通过更加深入地研究和分析提出了钢背衬环氧/碳纤织物自润滑层新型螺母结构形式，该螺母以钢为背衬，丝杠传动表面层采用网状成形来代替传统加工，将环氧-碳纤织物自润滑层涂覆在螺纹表面，形成润滑油道，这种螺母不仅具有较高的承载能力，还具有较低的摩擦系数能够提高丝杠传动传动的效率[10]。广东工业大学邓林章钢背/复合材料衬层传动螺母动态性能进行了研究[11]。他通过滑动摩擦实验台对钢背/复合材料衬层螺母和铜螺母的动态特性进行对比，结果表明前者的摩擦特性与稳定性都要优于后者[12]。
- 丝杠传动效率测试试验台
目前，国内外从事丝杠传动传动实验台研究并不多，随着传感器技术、计算机技术的发展和应用，新的控制方法和测试手段推动丝杠传动传动实验台的发展[13]。如程时甘和黄劲松对偏心丝杠传动传动装置进行了试验研究。他们设计了偏心丝杠传动传动试验台结构，提出了偏心丝杠传动传动装置实际导程和传动效率的测定方法，经过实验得出偏心丝杠传动传动实际导程远小于几何导程，其传动效率介于普通丝杠传动传动和滚珠丝杠传动传动之间[14]。中南大学夏建芳等人开发了丝杠传动传动效率测试系统。他们根据丝杠传动传动的效率计算方法，结合丝杠传动传动的型式、特点，运用 VB 程序、传感器技术，设计出了滑动丝杠传动效率测试系统，该系统可用于测试丝杠传动传动效率，软件界面图文并茂，易于操作[15]。
图1丝杠传动效率试验台实物
图2丝杠传动总体方案
- 效率测试原理
在实际测试中，机械传动效率一般被定义为输入功率与输出功率之比[16]，因此在不考虑联轴器和轴承造成的功率损失，将负载与螺母运动方向相反和相同的丝杠传动效率分别计算[17]，其计算式如下：
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