引言
梯形絲杠系統(tǒng)的PV值計算具有某種程度的固有復雜性，因此所得的結果總存在某些不確定性。但是，了解其中的各種關系和影響將會非常有助于進行功能設計。另外，梯形絲杠的廠商還應該提供應用支持。這或許是對PV值進行驗證的最好方法，因為他們擁有最可靠的材料和系統(tǒng)PV信息。在缺乏這種信息的情況下，請參考以下經驗，即假定多數產品樣本額定負載值大約在500rpm的轉速下都是準確的。高于該值的轉速工作負載需要相應降低。
在梯形絲杠組件采用聚合物螺母時，壓強速度（PV）因素是正確選型的一個關鍵設計參數。盡管大多數工程聚合物都列出了該參數，但在考慮螺母額定負載時，這個參數一般都被忽略了。它更多地應用于徑向襯套和滑軌場合。PV參數可通過螺母和絲杠之間壓強和速度的乘積來定義梯形絲杠組件的性能范圍。塑料都具有一個固有的PV額定限值，因為我們可以求出在一定條件下運行的系統(tǒng)PV值。簡單地說，作用到梯形絲杠上的負載越大，它必然轉動得越慢，以避免超過螺母的PV限值。反之亦然，速度越大，負載容量越小。
塑料的PV額定值是由特定產品的復合材料公司賦予的。常見的復合塑料有杜邦公司的Delrin. AF、Quadrant公司的Torlon.和GE Plastics公司的LNP Lubriloy。復合材料公司負責對所選的樹脂和添加劑進行配方設計。添加劑通常用來提高結構和摩擦性能。復合材料公司一般在一個鋼表面上滑動材料圓盤來進行PV測試。通過不斷改變試樣的負載和速度，就可以測出磨損拐點，從而測出材料的PV限值。雖然基礎樹脂都具有一個特定的PV額定值，但通過添加潤滑劑和其他復合物，可大大提高該額定值。這樣就為設計人員提供了很大的靈活性，使他們可以根據應用獲得合適的PV范圍。應該注意的是，由于各個公司的測試方法有所不同，在選擇材料時，最好要對來自一個復合材料公司的不同塑料進行比較。我們將會看到，通過改變梯形絲杠部件的幾何形狀也可以來改變系統(tǒng)的PV值。
出乎意料的是，大多數設計人員在設計他們的系統(tǒng)時，只是簡單地考慮了螺母負載額定值，而忽略了速度的影響。這會導致迅速而突然的失效。梯形絲杠的主要失效原因是磨損和PV。由于設計是在PV值范圍內進行的，所以失效原因只有磨損一個。磨損是一種速度較慢和線性程度較大的失效類型，可以在設計中加以考慮。
任意給定材料的PV限值都可通過PV圖來表示（見圖1）。該曲線圖是通過將壓強和速度的乘積設置為材料的PV限值來獲得的（見等式1）。壓強指作用到螺母上的軸向力除以它的軸承投影承載面積所得的結果，而速度則指兩個表面之間的相對滑動速度。通過求解壓強（或速度），就可以繪制出所需速度（或壓強）范圍內的曲線。為了防止失效，必須將系統(tǒng)的PV值保持在材料PV曲線的下面。
為了確定材料的PV限值如何與梯形絲杠組件的系統(tǒng)PV值相關，就需要對其幾何形狀進行分析。第一步是先通過獲得螺旋線長度來計算螺母和絲杠的螺紋之間的投影嚙合投影面積（見等式5）。螺旋線指在發(fā)生理論螺紋嚙合的節(jié)圓直徑上沿螺紋行進的一條假想線。通過將螺紋的螺旋線展開，我們可以通過一個三角形對其進行分析，其中直角三角形的斜邊代表螺紋旋轉一圈的螺旋線長度（見等式4）。節(jié)圓直徑和螺紋導程為直角三角形的底和高。對斜邊進行求解，并乘以螺母中的螺紋圈數和螺紋頭數，就會得到螺旋線總長度。將螺旋線長度乘以螺母與絲杠之間的螺紋嚙合深度，可計算出二者之間的接觸面積（見等式2）。表面速度可通過將每圈的螺旋線長度乘以旋轉速度來計算（見等式3）。
實際操作會產生一個復雜因素。由于螺母所用聚合物材料的固有剛度，在螺母和絲杠的螺紋之間會發(fā)生變形（見圖2）。這種變形可導致螺母的螺紋發(fā)生像梁彎曲中發(fā)生的那種旋轉，使螺母與絲杠之間的接觸面積降低。隨著這種接觸面積降低的發(fā)生，接觸面進一步向絲杠螺紋的牙側上方移動，直到大部分負載被傳遞到螺紋大徑附近（見圖3）。這種情況會對給定負載下兩個部件之間的壓強產生負面影響。實際上，很難計算出這種面積的減少究竟有多大。不幸的是，面積會隨負載的增加而降低，這樣就加重了與PV相關失效的趨勢，因此保持在性能范圍以內顯得十分重要。要解決這個問題，需要在投影面積應用一個校正系數（Cf）。隨著負載從輕負載增加到滿額定負載容量，此系數通常在大約0.75至0.25范圍內。
通過計算螺旋線長度，測定壓強并將壓強乘以表面速度，就可以計算出一個系統(tǒng)PV值。確保單位為psift/min或MPam/s。這樣就可以將結果與材料的PV額定值進行比較。建議安全系數取2。人們已注意到，當系統(tǒng)壓強（PV）超過PV限值的二分之一時，磨損就會加速。因此，即使不會發(fā)生突然失效，但系統(tǒng)的磨損壽命將會縮短。
另外，還可以繪制一個負載和螺母RPM或線性速度的關系曲線圖。通過將壓強除以校正后的接觸面積，可繪制一條針對負載的PV曲線。并且可以對RPM進行求解（等式3），以便可以將表面速度換算為旋轉速度。其結果就是，可以針對特定梯形絲杠系統(tǒng)繪制出一個允許負載與速度的簡易圖形關系曲線。當位于曲線下面區(qū)域時，梯形絲杠裝置的失效形式僅表現為磨損失效。
注意控制PV性能的方式主要有以下幾種。改變聚合物復合材料或基礎樹脂可導致PV限值增加。這樣就可有效地將PV曲線在PV圖上向上和向右移動，從而提高系統(tǒng)的性能（圖1）。降低部件之間的摩擦也可導致PV限值增加。降低摩擦的方式包括將潤滑劑復合到塑料中、向絲杠中加入潤滑脂或使用干膜潤滑劑。此外，改變螺母的幾何尺寸可降低給定負載和速度下的系統(tǒng)PV值。例如，較長的螺母將會降低螺紋上的壓強。在一個長度為絲杠直徑4倍的螺母周圍的某個位置上，會發(fā)生回程減小的情況。
由于梯形絲杠系統(tǒng)的PV值計算具有某種程度的固有復雜性，因此所得的結果總存在某些不確定性。但是，了解其中的各種關系和影響將會非常有助于進行功能設計。另外，梯形絲杠的廠商還應該提供應用支持。這或許是對PV值進行驗證的最好方法，因為他們擁有最可靠的材料和系統(tǒng)PV信息。在缺乏這種信息的情況下，請參考以下經驗，即假定多數產品樣本額定負載值大約在500rpm的轉速下都是準確的。高于該值的轉速工作負載需要相應降低。遵循這個規(guī)則，使您遠離麻煩!
常見問答
1. 什么會引起PV失效？
在嚴重的情況下，當摩擦產生的熱量積累到超過螺母的最高使用溫度時，就會導致快速失效。在PV值較低時，磨損速度率增加，從而縮短螺母的使用壽命。
2. 我可以在短時間內超過PV限值嗎？
如果實際的占空比很小的話，是可以的。但一旦摩擦產生熱量，散熱過程就會花費大量的時間。甚至50%占空比，也會在超出螺母工作溫度之前增加散熱時間。在應用中，當大幅超過PV限值時，應將占空比控制在10%或20%。切記，如果超過螺母的額定載荷，將會導致結構或構造的失效，請咨詢制造商的意見。
3. 如果向梯形絲杠添加潤滑劑，能提高多少PV限值？
實際上，為了實現滿負載500轉/分鐘，大多數梯形絲杠螺母的額定負載是在500轉/分鐘速度下，并假定油脂或干膜潤滑劑充分的情況下標定的。相比其他的方法，減少梯形絲杠系統(tǒng)的摩擦能大大地提高梯形絲杠系統(tǒng)的工作性能。應采取盡可能多的措施降低梯形絲杠的摩擦系數。有關系統(tǒng)在沒有潤滑劑的情況下持續(xù)運行的任何時間，請咨詢制造商。
注釋:
Pressure vs. Velocity 壓強vs.速度
Pressure (psi) 壓強（psi）
Load Line 負載曲線
Velocity (ft/min) 速度（ft/min）
注釋:
Applied Load作用載荷
SCREW梯形絲杠
NUT螺母
（轉載）
