行星滚柱丝杠副热特性研究现状

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.01.017

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (1): 162-173.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.01.017

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行星滚柱丝杠副热特性研究现状

乔冠¹^,²(), 陈佳琪¹, 唐术锋¹^,²(), 刘国强³, 刘更⁴

^1.内蒙古工业大学机械工程学院, 呼和浩特, 010051
^2.内蒙古自治区机器人与智能装备技术重点实验室, 呼和浩特, 010051
^3.特种车辆设计制造集成技术全国重点实验室, 包头, 014030
^4.西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室, 西安, 710072

收稿日期:2024-10-28 修回日期:2025-11-18 出版日期:2026-01-25 发布日期:2026-02-05
通讯作者: 唐术锋
作者简介:乔冠，男，1990年生，副教授，硕士研究生导师。研究方向为行星滚柱丝杠副传动、人形机器人一体化关节。发表论文20余篇。E-mail： qiaoguan@imut.edu.cn
唐术锋^*（通信作者），男，1981年生，教授、博士研究生导师。研究方向为动力学与控制、机电装备设计及系统集成技术、特殊服役机器人。发表论文30余篇。E-mail： tangshufeng@imut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52265009);中国博士后科学基金(2024M762956);内蒙古自治区自然科学基金(2024LHMS05009);中央引导地方科技发展计划(2025ZY0012);内蒙古自治区高等学校“青年科技英才支持项目”(NJYT24028);内蒙古自治区“英才兴蒙”工程团队项目(2025TEL02);特种车辆设计制造集成技术全国重点实验室开放课题(GZ2025KF011)

A Review of Thermal Characteristics for Planetary Roller Screw Mechanisms

QIAO Guan¹^,²(), CHEN Jiaqi¹, TANG Shufeng¹^,²(), LIU Guoqiang³, LIU Geng⁴

^1.School of Mechanical Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot，010051
^2.Inner Mongolia Key Laboratory of Robotics and Intelligent Equipment Technology，Hohhot，010051
^3.National Key Laboratory of Special Vehicle Design and Manufacturing Integration Technology，Baotou，Inner Mongolia，014030
^4.Shaanxi Engineering Laboratory for Transmissions and Controls，Northwestern Polytechnical University，Xi' an，710072

Received:2024-10-28 Revised:2025-11-18 Online:2026-01-25 Published:2026-02-05
Contact: TANG Shufeng

摘要/Abstract

摘要：

行星滚柱丝杠副在长时间高速重载的工况下会堆积大量热量，使系统内部温度升高，产生热变形，导致其润滑性能变差甚至机构失效。通过行星滚柱丝杠副的结构特点揭示其热特性机理，从热源分析、热特性分析方法、温升与热力耦合、热变形、热误差及其优化等方面分析总结其热特性研究进展。在此基础上，探讨并展望了行星滚柱丝杠副热特性的研究趋势。

关键词: 热特性, 温升, 热力耦合, 热误差, 行星滚柱丝杠副

Abstract:

In a long period of high-speed and heavy-load conditions， the planetary roller screw mechanisms accumulated much heat. Thus， the rise of internal temperature of the system， and thermal deformations led to the lubrication performance degeneration， even the failure of the mechanisms. According to the structural characteristics of the planetary roller screw mechanisms， the mechanism of its thermal characteristics was revealed. And， the progresses of thermal characteristics research were analyzed and summarized from the aspects of heat source， thermal characteristics analysis methods， temperature rise and thermo-mechanics coupling， thermal deformatios， thermal errors and the structural. Then， the research trends in thermal characteristics of the planetary roller screw mechanisms were discussed and predicted.

Key words: thermal characteristic, temperature rise, thermo-mechanics coupling, thermal error, planetary roller screw mechanism

中图分类号:

TH132.1

乔冠, 陈佳琪, 唐术锋, 刘国强, 刘更. 行星滚柱丝杠副热特性研究现状[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 162-173.

QIAO Guan, CHEN Jiaqi, TANG Shufeng, LIU Guoqiang, LIU Geng. A Review of Thermal Characteristics for Planetary Roller Screw Mechanisms[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(1): 162-173.

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图/表 15

图1 PRSM结构示意图

Fig.1 PRSM structure diagram

图2 PRSM热特性机理

Fig.2 PRSM thermal characterization mechanism

图3 PRSM的传热示意图

Fig.3 Heat transfer diagram of PRSM

图4 有限元分析简化模型

Fig.4 Simplified model of finite element analysis

图5 网格划分及边界条件

Fig.5 Mesh division and boundary conditions

图6 PRSM热网络分析

Fig.6 PRSM thermal network analysis

图7 PRSM温度测试［53］

Fig.7 Thermal imaging result of PRSM

图8 温度测量装置［44］

Fig.8 Temperature measuring mechanism［44］

图9 差动式PRSM的高低温耐久试验平台［46］

Fig.9 The high and low-temperature durability test platform of differential PRSM［46］

图10 PRSM试验装置［54］

Fig.10 PRSM test rig［54］

图11 试验台系统硬件安装图［55］

Fig.11 Hardware installation diagram of test bench system［55］

图12 PRSM热力耦合分析

Fig.12 PRSM thermo-mechanical coupling analysis

图13 PRSM热误差补偿流程图

Fig.13 Flow chart of PRSM thermal error compensation

图14 中空丝杠冷却示意图

Fig.14 Schematic diagram of hollow water-cooled screws

表1 齿轮与BSM热误差优化

Table 1 Thermal error optimization of gear and BSM

文献	方法	优点
文献［75］	计算机辅助分析	基于接触分析得出最优的齿形修形方案
文献［76］	渗碳-啮合耦合热处理优化方法	考虑耦合效应，提高齿轮齿面的接触和物理性能
文献［77］	采用单因素实验与正交试验相结合的方法构建BP神经网络模型，通过PSO算法优化模型参数	通过热处理优化关键工艺参数，可为齿轮减齿工艺中的变形控制与加工精度提高提供参考
文献［78］	微分运动与多体系统理论的大规格数控滚齿机多源误差建模方法	可用于不同结构的机床综合误差建模
文献［79］	通过正交试验优化纳米涂层配比	优化BSM涂层的材料配比、喷嘴流量，有效降低系统温升、抑制热变形
文献［41］	Tent混沌改进松鼠搜索算法	提高热误差预测精度及BP神经网络算法的预测精度
文献［80］	利用WNN构建BSM热变形与热源温度网络模型，PSO确定BSM最优的热源分布	明确BSM热源与热变形关系，优化冷却方案
文献［81］	HRS的多目标、多参数优化模型，MOGA优化热边界条件	可在设计阶段获取BSM进给传动系统在不同工况下的热特性，避免重复实验

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行星滚柱丝杠副热特性研究现状

A Review of Thermal Characteristics for Planetary Roller Screw Mechanisms

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