丝杆的作用是将旋转运动转化为直线运动,或转动的力(扭矩)转化为直线的力(推力)。为便于理解,忽略滑动丝杆的牙形角,而将其简化为一个环绕圆柱向上的斜面,呈一个螺旋线。在这种情况下,斜面的抬升就等同于丝杆的线性运动,而斜面的运动就等同于丝杆的旋转运动,如图1所示。丝杆导程的定义是丝杆旋转一周的直线行程,图上所示重力代表丝杆上螺母所受的所有负载;人的推力代表驱动负载的输入扭矩,α代表螺纹升角。
正确的选型是丝杆应用成功的关键。明确所需推力和线性速度是一个良好的开端。计算最大轴向推力要考虑许多因素,例如加速度,负载,负载方向,阻力等。最大速度取决于完成整个行程,包括加减速过程在内所需要的时间;安全系数,速度和负载都需要考虑取适当的安全系数;大多数情况下,最大推力将会细化丝杆直径的可选范围。
丝杆的临界速度(下文讨论)也将限制直径的选择范围。丝杆导程的选取还它信息,包括分辨率、自锁力和输入扭矩的大小。系统的分辨率定义是系统的最小转动角而获得的直线移动距离(有些设计中可以不考虑该因素)。相比于大导程丝杆,小导程丝杆的分辨率要更高。如果丝杆副需要在断电并带载的情况下,保持做位置不变,那就需要自锁力。丝杆副的自锁力取决于螺纹升角,牙形角和摩擦系数。如果丝杆副要求自锁,需向丝杆制造商咨询;因为不同厂家的丝杆螺纹牙形角有差异,摩擦系数取决于厂家选用的材料。输入扭矩的大小实际是一个电机的选用问题,例如空间尺寸,可获得性,预算和电机的有效输出功率。当这些应用的要求明确后,就可以得到清晰明确的对丝杆副的性能要求。
将直线推力和线性速度转化为扭矩和旋转速度见以下所列公式1和公式2. 由公式可见,改变丝杆的导程将同时影响驱动扭矩和旋转速度,从而影响最终性能。公式1显示改变效率将影响所需的驱动扭矩。在丝杆直径和导程不改变的前提下,可以通过改变摩擦系数从而提高丝杆副的效率;一般实现的方法有改变螺母材质或对丝杆进行表面涂覆等。