为便于解释滑动丝杆的工作原理,我们首先回顾一下基本的斜面滑块机构。下图1展示的是一个人在斜面上逐级向上推箱子,斜面将人的一部分水平推力转化为克服物体重力的垂直力,除了重力和人的推力外,还有一个垂直于斜面的法向力以及物体和斜面之间的摩擦力。摩擦力方向是双向的,因为它总是与运动方向相反,在该应用中运动可能是相对斜面往上或者往下的。摩擦力( ff ) 取决于两个作用面(重物和斜面)之间的摩擦系数和法向力( fn )。在这个例子中有三个因素决定需要多大的力来推动重物向上运动,斜面倾角( α ),负载的大小以及重物和斜面间的摩擦系数。当倾角α增大时,需要更大的推力来向上推动重物,但同时相同的提升高度行程也减小了。当倾角足够大或者摩擦系数足够小时,重物在没有外力支撑的前提下会从斜面上自由滑落(该现象在滑动丝杆上称之为该丝杆副不自锁。
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。