行星滚柱丝杠组成部分、优点、种类及市场分析

高承载、高速度、长寿命。

行星滚柱丝杠（Planetaryrollerscrew，PRS）与滚珠丝杠类似，是一种可将旋 转运动和直线运动相互转化的机械装置。PRS 最早由瑞典人 CarlBrunoStrandgren 于 1942 年发明。至今未广泛应用主要是由于其结构复 杂、加工难度大和成本较高。目前主要应用在民用领域，如精密机床、食品包装、 特种机械、测试仿真等。 随着飞行器和武器装备全电化发展以及石油、化工、机床等需要大推力、高精度、 高频率、高效率、长寿命的机械装置作为机电作动系统（Electro－ MechanicalActuator，EMA）的执行机构，取代易污染、维护成本高的传统液 压作动系统（Electro－HydrostaticActuator，EHA）。加之内、外螺纹加工工 艺的提高以及制造设备和相关材料技术的发展，近年来行星滚柱丝杠被广泛关 注。 标准行星滚柱丝杠主要由滚柱丝杠、滚柱螺母、滚柱、内齿圈、压盖及挡圈组成。 滚柱丝杠与滚柱螺母为齿形角 90°的多头螺纹。滚柱为齿形为双凸圆弧的单头螺 纹。若干滚柱围绕丝杠均匀分布。当滚柱丝杠旋转时，滚柱既围绕丝杠轴作公转， 又围绕自身轴线作自转，带动滚柱螺母作轴向移动。因此，滚柱丝杠副滚柱与丝 杠、螺母为滚动摩擦，传动效率最高可以达到 90%。行星滚柱丝杠副承载主要 靠滚柱螺纹与丝杠、螺母 90°齿形角两边点接触承载。

与目前广泛应用的滚珠丝杠相比，采用行星滚柱丝杠进行传动，具备以下优点： 1）高承载，耐冲击，体积小。行星滚柱丝杠是线接触，接触面的增加使承载能 力和刚性大大提高。每个滚柱的每条螺旋线都同时与配合部件受力接触，同时承 受负载。这种设计保证负载分散在更多的接触点上，降低每个接触点上的最大压 力，承受冲击载荷能力强，工作可靠。相同载荷情况下，行星滚柱丝杠体积比滚 珠丝杠小 1/3 的空间。 2）速度高，噪声低。不像滚珠丝杠那样，钢球需要反复加载、卸载，还需要在 滚珠循环通道两端急剧转向，所以行星滚柱丝杠转速可达 6000RPM，最高线速 度可达 2000mm/s，最大加速度可达 3G。滚珠丝杠机构的噪声来源于滚珠在循 环通道中的相互碰撞和急速转向，而行星滚柱丝杠的噪声来源于滚柱两端正时齿 轮机构的啮合，其频率更高，而且不会随丝杠转速升高呈指数级增加。因此，行 星滚柱丝杠比滚珠丝杠的噪声更低。3）高精度，长寿命。丝杠轴是小导程角的非圆弧螺纹，有利于达到较高的导程 精度，可实现精密微进给。行星滚柱丝杠能承受的静载为滚珠丝杠的 3 倍，寿命 是滚珠丝杠的 15 倍。 4）易安装维护，环境适应。电动缸中一体化螺母组件很容易从丝杠轴分离，滚 动体及相关零件不会散落，便于安装与维修。电动缸对恶劣的环境（低温、粉尘、 化学沉积和无润滑等）的适应能力较强。

经过数十年的发展，行星滚柱丝杠衍生出不同种类，主要分为标准式、反向式、 循环式、轴承环式和差动式。 （1）对于标准式行星滚柱丝杠，为了避免滚柱轴线相对于丝杠倾斜，消除丝杠 螺旋升角对滚柱产生倾覆力矩，滚柱两端带有螺旋齿，确保滚柱平行于丝杠轴线 而正常转动； （2）反向式行星滚柱丝杠与标准式行星滚柱丝杠的区别在于，反向式行星滚柱 丝杠是螺母作为旋转输入而丝杠作为直线输出，并且丝杠螺纹两端加工有直齿， 其优势在于便于集成； （3）循环式行星滚柱丝杠明显特征在于其滚柱螺纹为螺旋升角为零的环槽，该 类行星滚柱丝杠的优势在于可以实现小导程、高位置精度、啮合点更多和承载能 力更高； （4）轴承环式行星滚柱丝杠中，螺母不是单个部件，而是由轴承环、壳体和端 盖组成。动力由丝杠传给滚柱，再由滚柱传给轴承环，轴承环两端装有推力圆柱 滚子轴承，轴承环在推力圆柱滚子轴承中可自由旋转并将动力传给推力圆柱滚子 轴承，最后由推力圆柱滚子轴承传到螺母壳体上； （5）差动式行星滚柱丝杠其明显特征在于滚柱和螺母均为无螺旋升角的环槽， 且滚柱分为大直径段和小直径段，大直径段的环槽与丝杠螺纹啮合，小直径段的 环槽与螺母环槽啮合，其优势在于小导程的实现、结构简单且便于加工。

行星丝杠的公差等级划分定义根据 ISO3408-3，决定因素为 300mm 螺纹长度的 导程误差 V300p。标准精度等级为 G1、G3、G5,更高精度等级可按要求非标生 产。

随着装备制造业自动化和智能化的发展进程不断推进，机电伺服作动系统因具有 系统重量轻、效率高、安装与维护方便等优点，逐渐代替了传统液压伺服作动系 统和气压伺服作动系统，成为伺服控制领域的首要选择，已广泛应用于航空航天、 机器人、汽车、高精密机床等领域。 机电作动器(electro-mechanicalactuator,EMA)是机电伺服作动系统的核心部 件，主要由电机、减速装置和执行机构组成，其中执行机构是 EMA 的核心构件， 其传动与承载性能直接决定 EMA 的工作性能。 常用的 EMA 执行机构主要有滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两类。由于行星滚柱丝杠 的高承载，耐冲击性能，在航空、航天、船舶、石化、电力、医疗机械等要求大 承载、高精度、长寿命的领域中，行星滚柱丝杠成为优选项。

该产品的行业巨头多来自于欧洲、美国及日本等地方。这些国外企业长期致力于 行星滚柱丝杠的研发、推广工作，已经积累了大量的生产应用经验，并已经具备 成熟的产品系列。 目前国外具备生产行星滚柱丝杠能力的企业主要有：瑞典 SKF、瑞士 Rollvis、 德国 INA、美国 Exlar、德国 Rexroth、瑞士 GSA、英国 PowerJack、德国 LTK 及日本 NTN 株式会社等。相比于国外，国内行星滚柱丝杠的生产应用发展较为 缓慢。目前仅有几家企业具备小批量生产的能力，相关企业包括博特精工、汉江 机床、南京工艺等。虽然这些单位已具备单件生产的能力，但是与国外的大规模 生产应用还有一定的距离，因此国内还需争取校企合作、加强基础理论研究、加 大研发投入、攻克核心技术。 目前国内市场中，SKF、Rollvis、GSA 等国际品牌市占率较高，此外还有南京工 艺和济宁博特两家国内品牌，目前两家公司的产品性能与国外还有一定差距，产 业化处于早期阶段。从 SKF 公司行星滚柱丝杠产品成本结构来看，原材料成本 占比大概为 60%，工时成本和生产所需成本占比 15%，工厂内的固定成本分摊 为 15%，集团向法国工厂征收的管理成本占比 10%。

根据 IHSMarkit 对滚柱丝杠的销售预测，2022 年全球销售数量 8.6 万根，销售 额 6.5 亿元人民币，其中中国销售数量 1.0 万根，销售额 1.1 亿元人民币。