带保持链滚动直线导轨副的结构设计
2026-3-6 来源：广东凯特精密机械有限公司 作者：苏汉业
【摘要】: 作为数控机床上的关键功能部件，滚动直线导轨副主要由导轨、滑块组成，在机械传动中起到运动部件的承载及导向作用。带保持链的滚动直线导轨副具有噪声低、高负载、自润滑等优点。但由于增加了保持链的部件，滑块整体的结构发生变化，各零件的结构及零件之间的配合好坏直接影响导轨副的运行顺畅度。阐述了一种运行更为流畅的滚动直线导轨副的结构设计。
【关键词】: 保持链 ; 直线导轨副 ; 顺畅度 ;跳动量
1. 序言
目前常见的静音型滚动直线导轨副，都会采用保持链将各颗滚珠均匀间隔放置成一排，再通过返向器实现对保持链运动时导向及限制运行方向，形成跑道式循环路径，实现了滚珠的持续循环运动。
由于增加了保持链的部件，滑块整体的结构发生变化，与常规不带保持链结构的导轨副对比，带保持链的导轨副在运行过程中，滚珠组件在循环路径的每一处都有可能出现刮碰接触，从而出现轻微跳动或者卡顿的现象，运行推动力跳动在50% 左右，直接影响导轨副运行顺畅度，同时也会影响导轨副的使用寿命。针对目前带保持链导轨副存在的问题，本文阐述了一种运行更为流畅的滚动直线导轨副的结构设计。
2. 滚动直线导轨副结构
滚动直线导轨副主要由直线导轨、滑块、滚珠组件组成（见图 1）。行业标准中定义，直线导轨为横截面具有特定形状，有一条或多条纵向滚道供滑块运动的导轨 ; 滑块是由滑块体、返向器和密封件等组成的直线运动组件 ; 滚动体为在滑块与直线导轨之间作循环往复运动的滚珠或滚柱。本文所描述的滚珠组件包括保持链及滚珠，保持链上均匀间隔设置有环状间隔块，环状间隔块之间放置滚珠。
图 1 滚动直线导轨副结构示意
滚动直线导轨副内部结构如图 2 所示，回珠路径由直线段及曲线段组成，直线段主要由回珠管道、上保持架、下保持架及中保持架形成，曲线段主要由返向器及半圆柱形成，直线段与曲线段由以上各零件组装拼接形成完整的回珠路径。采用拼接的方式，可以避免滑块主体长度的影响，同时标准长度与加长长度的滑块主体可以共用相同的返向器及半圆柱，减少了模具成本。另外采用拼接的方式，使零件的结构简化，同样可以降低模具成本，延长模具使用寿命，最终降低导轨副的成本。
图 2 滚动直线导轨副内部结构示意
采用拼接的方式也会存在弊端，由于各零件的制造误差，故装配后拼接的位置会出现台阶，滚珠组件经过拼接位置会出现刮碰或者卡顿的情况。从回转运动进行分析，当滚珠组件进入返向器进行回转运动时，滚珠由于离心力的作用会偏向远离回转圆心的方向运动。保持链在绕着半圆柱回转时，由于滚珠离心力的作用脱离了环状间隔块，导致保持链在径向失去了滚珠的位置限制，同时由于两侧拖动力的作用，保持链会偏向靠近回转圆心的方向运动。因此滚珠组件在做回转运动时，保持链与半圆柱会出现刮碰的情况。综合以上两种情况，导轨副在运行过程中会存在推动力跳动的情况。本文主要针对此情况，提出一种运行更为流畅的滚动直线导轨副结构设计方案。
3. 滚动直线导轨副结构设计
（1）拼接口设计 为了避免零件装配后出现台阶，在上保持架、下保持架及中保持架两端与返向器拼接的位置设计了避位斜面（见图 3）。该避位斜面为不等边倒角，沿着运动方向为长边，垂直运动方向为短边，长边长度 L 为短边长度 H的 10~20 倍。
图 3 避位斜面示意
（2）保持链设计 滚珠组件的主要部件为保持链（见图 4），保持链直接影响导轨副的静音效果、使用寿命及运行顺畅度。保持链主要结构包括限位凸边、间隔块及避位圆弧。限位凸边将 N 个相同的间隔块均匀地连接在一起，并且在回珠路径中起到限制位置及导向的作用。间隔块与滚珠之间设计径向间隙在0.05mm 以内，一方面确保滚珠与间隔块之间无接触，保证运行顺畅度，另一方面预留间隙可保证滚珠表面的润滑油不被刮掉，使滚珠得到长期润滑，延长使用寿命。头尾两侧限位凸边的前端设计成 1/4 的椭圆弧度，长度方向为运动的方向，可有效避免保持链在经过台阶位时出现刮碰或卡死的情况。
图 4 保持链示意
（3）返向组件设计 滚动直线导轨副中返向器是循环回路的重要环节，是产生摩擦阻力、振动和噪声的主要来源之一。滚动体在一个循环周期中，分为承载区、非承载区和过渡区，其中过渡区对滚动体的受力状态和整个滚动直线导轨副的精度起着至关重要的作用。本文介绍的返向组件（见图 5）即为滚动体所经过的过渡区，主要由返向器及半圆柱装配形成。返向器与半圆柱相配合形成可容纳保持链限位凸边的转向凹槽，转向凹槽的出、入口位置的宽度为 a，中间区域的宽度为 b，并且 b=（1.5~2.0）a。转向凹槽的宽度从入口位置光滑过渡到中间区域，再从中间区域光滑过渡到出口位置。当滚珠组件进入返向组件进行回转时，滚珠由于离心力的作用会偏向远离回转圆心的方向运动。保持链在围绕半圆柱回转时，由于滚珠离心力的作用脱离了环状间隔块，导致保持链在径向失去了滚珠的位置限制，同时由于两侧拖动力的作用，保持链会偏向靠近回转圆心的方向运动。为避免保持链的两侧限位凸边与半圆柱出现刮碰接触，特意设计了具有避位作用的转向凹槽。
图 5 返向组件剖面示意
返向器与半圆柱在出入口位置设计有长度为 L 的向外延伸导向区域，该设计为滚珠组件在回转运动转换成直线运动时提供调整及导向的空间，保证滚珠组件能够运行顺畅。
4.试验验证
重点介绍了影响到该导轨副运行顺畅度的关键结构设计思路，通过摩擦力测量机（见图 6）检测导轨副的运行摩擦力，确认导轨副的运行顺畅度。
图 6 摩擦力测量机
测试对象分别采用本文介绍的广东凯特、A厂家及 B 厂家的 25 规格导轨副，在相同的测试条件下，对比导轨副运行的摩擦力。由表 1 摩擦力跳动量对比数据及图 7 摩擦力跳动量曲线图可知，广东凯特导轨副的摩擦力跳动量整体上较测试的 A 厂家及 B 厂家低，说明本文所介绍的带保持链结构可有效提升导轨副的运行顺畅度。通过测试对比验证，本文介绍的滚动直线导轨副结构设计合理，在国际同等规格导轨副性能上有优势。
图 7 摩擦力跳动量曲线
表 1 摩擦力跳动量对比 （单位 ：N）
5. 结束语
简单介绍了一种运行更为流畅的滚动直线导轨副的结构、关键零部件的结构设计，并通过测试对比验证其性能。该导轨副具有精度高、运动更为顺畅的特点，使工作台运行更加平稳，提升产品加工质量，可应用于高精高端数控机床。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
