運動系統設計人員經常使用滾珠絲杠而不是梯形絲杠，其原因之一是滾珠絲杠能夠在更高的速度下穩定運行。然而，滾珠絲杠本身也有速度限制，了解這些限制將有助于優化滾珠絲杠組件在各種應用（包括從小型實驗室流體泵、大型高架龍門到高性能機械）中的性能。

滾珠絲杠基礎知識

滾珠絲杠組件由絲杠和帶循環滾珠軸承的螺母構成。絲杠與螺母之間通過滾珠軸承連接，其中滾珠在螺母和絲杠軸內以配對形式滾動。這可實現將力分配到多個滾珠上，使每個滾珠承受的負載相對較低并降低摩擦系數，從而有助于提高運行速度（圖1）。

圖1. 滾珠絲杠的摩擦系數較低，這是因為其負載分布在多個滾珠上，這些滾珠會隨著軸的轉動而循環滾動。

絲杠和螺母通常有獨特的最大轉速限制，因此選擇高效的滾珠絲杠組件需要同時注意這兩個限制。

限制最大轉速（RPM）的滾珠絲杠設計

影響最大轉速的絲杠軸設計參數主要有末端固定、絲杠導程和絲杠直徑。

每個滾珠絲杠都有一個固有諧振頻率，并會在該頻率下發生過度振動，這被稱為滾珠絲杠的臨界速度。當應用速度與臨界速度一致時，絲杠會發生諧振（圖2）。然后，絲杠固有的不平衡會與之共振，導致過度彎曲、弓拱、振動并最終導致故障。

圖2. 絲杠軸可能在高轉速下發生振動。

末端固定

末端固定選項包括：一端固定在推力軸承中；兩端使用浮動軸承支撐；一端固定同時另一端使用浮動軸承支撐；兩端固定在推力軸承中。當滾珠絲杠兩端固定時，可以達到最高轉速。固定末端可以承受彎矩載荷，因此滾珠絲杠會與支撐軸承的平面保持垂直。

然而，相比于其他固定方式，兩端固定可能成本更高且難以安裝。因為進行兩端固定時，支架之間的距離是不可調的，從而使安裝孔難以對準。

絲杠導程

假設輸入速度恒定，則較高的導程將使螺母更快地沿絲杠移動，從而提高線速度。當比較線速度恒定的兩個不同導程的絲杠時，導程越高則輸入電機轉速就越低。但是，較高的絲杠導程會增大轉動絲杠所需的扭矩。

絲杠直徑 

絲杠直徑越大，負載能力和額定最大轉速（RPM）就越高。反之，絲杠直徑越小，則最大轉速（RPM）就越低。當絲杠導程相同時，較大直徑的絲杠的額定轉速更大。

限制最大轉速（RPM）的滾珠螺母特點

滾珠螺母的最大轉速（RPM）受限于滾珠循環通過滾珠螺母的速度。如果轉速超過滾珠螺母的最大轉速，則可能對滾珠循環部件造成永久性損壞。滾珠軸承可能會脫離或堵塞循環系統，從而可能導致裝置完全失效。

滾珠循環系統主要有三種類型：內循環、單循環和外循環（圖3）。滾珠返回的目的是實現滾珠在螺母中的循環。循環系統的設計會影響螺母的速度限值。外循環系統通常使用伸入滾珠溝槽的撿拾齒將滾珠導入循環路徑中。當高速運行時，由于滾珠軸承的持續撞擊，該撿拾齒會彎曲并最終斷裂。單循環和內循環設計通常更加穩固，且運行速度要高于外循環系統。

圖3. 滾珠循環系統的比較（從左到右）：內循環、單循環和外循環。

結論

系統的速度優化可通過以下幾點來實現：

• 使用末端支撐來固定滾珠絲杠組件
• 使用更高的導程來提高線速度
• 使用大直徑絲杠來提高負載能力和額定最大轉速（RPM）
• 滾珠螺母采用內循環系統

然而，許多其他因素也會對速度造成影響，例如負載特性、位置精度、可重復性、所需預期壽命、尺寸限制、輸入功率要求、環境條件和可用預算等。

大多數因素對速度的影響都是可以計算的。滾珠絲杠制造商通常會指定其產品的建議最大速度，并提供有助于精確進行物理權衡計算的工具。

類似圖示這種直徑1”的絲杠的最大轉速會因長度不同而有很大差異：從長度36”時的2938 RPM，到長度144”時的184 RPM（額定轉速為臨界轉速的80%，簡單支撐）。數值可參考Machinery Handbook（機械手冊）。圖片由Motion Industries提供。