CN100351536C - 线性滑轨的组合式滚动沟 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线性滑轨的组合式滚动沟，是用于线性滑轨的轨道及滑块上，以导引线性滑轨中的滚珠，其特征在于：此滚动沟的沟断面至少包含三个两两相切的圆弧；所述中间圆弧的曲率半径为线性滑轨的滚珠半径的1至1.05倍，使线性滑轨具有良好的承受负荷的能力；所述两侧的圆弧的曲率半径为线性滑轨的滚珠半径的1.08至1.20倍之间，使线性滑轨保持有良好的调心特性；所述中间圆弧相对其圆弧曲率中心的夹角为35～50°。本发明具有良好的调心特性及良好的承受负荷能力。

Description

线性滑轨的组合式滚动沟
技术领域
本发明是关于一种线性滑轨使用滚珠传动，而包含有轨道、滑块及滚珠等零件，本发明特别是关于一种线性滑轨的轨道及滑块上的滚动沟的断面轮廓，尤其是一种使用数个圆弧共同组合成一条滚珠沟槽的设计，使滚珠和滚动沟间的接触具有良好的接触特性。
背景技术
线性滑轨是重要的机械元件，目前已被广泛的使用到各种精密机械、自动化产业、半导体产业、医疗设备、航天工业等，主要的功用在于应用滚珠(ball)的滚动来降低机构移动时的摩擦阻力，使机构移动时更为省力，而且节约能源，同时由于摩擦减少，接触面的磨损及升温也会减少，使机构的精度及寿命双双提升，并且机构的移动速度也大幅向前提升很多。
图4为一种线性滑轨的示意图，其中线性滑轨包含一轨道1、一滑块2及多个滚珠3；而轨道1呈长条状，其上沿轨道1的长轴方向设有轨道滚动沟11；滑块2则套合于轨道1上，在滑块2上对应轨道滚动沟11处设置滑块滚动沟21；多个滚珠3则设置于轨道滚动沟11及滑块滚动沟21之间，使滑块2可相对于轨道1沿长轴方向移动；为便于说明，以下将前述的轨道滚动沟11及滑块滚动沟21通称为“滚动沟”。滑块2上所设置的回流孔22则用以供滚珠3回流，而使滚珠3可于滚动沟及回流孔22间循环移动。目前的线性滑轨由滚珠的列数来区分，主要可分为两列式及四列式，图4的示意图即为一种四列式的设计，四列式线性滑轨由于其滚动沟的沟断面是设计成单一的圆弧面，故滚珠和滚动沟间具有较佳的相对位移的空间，此种允许滚珠和滚动沟间位移的功能称之为“调心”。
图5为传统的滚动沟的沟断面示意图，传统的滚动沟的沟断面轮廓(即轨道滚动沟11或滑块滚动沟21的沟断面轮廓线)为一个简单的圆弧A B，图中的剖面线区域表示传统线性滑轨的轨道或滑块的滚动沟附近的局部放大，A点及B点为圆弧A B的两端点，而O点为圆弧AB的曲率中心，图中的P点为圆P的中心，圆P用以表示滚珠的轮廓，而圆P和圆弧AB相切于T点，T点为圆弧AB的中点。假设圆弧AB的半径是圆P半径的k倍，k值一般设计在1.02至1.12之间，则圆P的半径假设为R时，圆弧AB的曲率半径为(kR)，而点O到点P的距离即为(k-1)R。图中的Q点代表圆P向右沿滚动沟(圆弧AB)移动直到和圆弧AB相切于B点时的圆心点位置，设此时Q点和P点的水平距离为nR，而角TOB为α，则由几何学可推导出：
sinα＝n/(k-1)或
n＝(k-1).sinα
此处的n值为在圆弧A B的条件下，P点和Q点间水平调心量和滚珠半径的比值。一般的线性滑轨除了强调其调心特性以外，一般也会强调其承受负荷的能力，故k值通常会设计成大于且很接近于1的值，以使滚珠和滚动沟的接触区域极大化，以获得较大的承受负荷的能力。但是当k接近于1时，上式中的(k-1)趋向于0，而滚珠和滚动沟的接触区域有限而使α的值大约只有30°左右，而n的值也因此必需趋向于0，故使调心的可能性变得很差。举例来说，如果k＝1.02，而α的值为30°时，n＝0.01，即可调心量只有半径的百分之一。
通常线性滑轨由于设计上的限制，其夹角AOB一般就是60°左右，故α值为30°时就将使滚珠和滚动沟的边缘(即图中的B点)接触，而产生品质上的不良。
因此现有技术中的线性滑轨无法同时提供良好的调心特性，且具有良好的承受负荷能力，故现有技术中的线性滑轨的滚动沟设计需要进一步的改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种线性滑轨的滚动沟的断面轮廓，使一般情况下，线性滑轨仍具有良好的承受负荷能力，且可以提供良好的调心特性，使调心量偏高时，线性滑轨的滚珠仍不会和滚动沟的边缘接触，而使线性滑轨保持有良好的调心特性。
为避免线性滑轨的滚珠和其滚动沟的边缘接触，本发明中滚动沟的沟断面至少包含三个两两相切的圆弧，其中中间圆弧的曲率半径和线性滑轨的滚珠半径的比值接近于1，且其两侧的圆弧的曲率半径较中间圆弧大。
为了提供线性滑轨良好的承受负荷能力，一般会把中间圆弧的曲率半径在线性滑轨的滚珠半径的1至1.05倍之间，以得到良好的承受负荷能力。
而为了得到增加调心量的效果，两侧圆弧的曲率半径必需比中间圆弧的曲率半径大一些，一般设计在线性滑轨的滚珠半径的1.08至1.20倍之间。
为了使本发明的滚动沟兼顾调心量及承受负荷能力，中间圆弧相对其圆弧曲率中心的夹角(2α)设计在35～50°，使调心量可以配合线性滑轨的调心需求，而中心圆弧的夹角设计在35～50°也可提供滚动沟良好的承受负荷能力。
因此，本发明线性滑轨的滚动沟使用三个两两相切的圆弧作为线性滑轨的滚动沟，由于其中中间圆弧的曲率半径和线性滑轨的滚珠半径的比值接近于1，且其两侧的圆弧的曲率半径较中间圆弧大，故在一般情况下，线性滑轨具有良好的承受负荷能力，且可以提供良好的调心特性，使调心量偏高时，线性滑轨的滚珠仍不会和滚动沟的边缘接触，而使线性滑轨保持有良好的调心特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明线性滑轨组合式滚动沟沟断面的示意图；
图2为图1的几何示意图；
图3为(n+m)值对j值关系图；
图4为一种线性滑轨的示意图；
图5为传统滚动沟的沟断面示意图。
具体实施方式
图1为本发明线性滑轨组合式滚动沟沟断面的示意图，图中的剖面线区域表示线性滑轨的轨道或滑块的滚动沟附近的局部放大，其中滚动沟沟断面的轮廓则由圆弧AB、圆弧CA及圆弧BD三个圆弧共同组成；圆弧AB的端点分别为A点及B点，而O点为圆弧AB的曲率中心；圆弧BD的端点分别为B点及D点，而N点为圆弧BD的曲率中心；圆弧CA所谓端点分别为C点及A点，而M点为圆弧CA的曲率中心；圆弧CA及圆弧BD分别位于圆弧AB的左右两侧，且圆弧BD和圆弧AB相切于B点，而圆弧CA和圆弧AB相切于A点。由于圆弧BD及圆弧CA的圆弧半径比圆弧AB大，故圆弧BD的圆心N点在O点的左上侧，且N点、O点及B点成一直线排列，而圆弧CA的圆心M点在O点的右上侧，且M点、O点及A点成一直线排列。
图2为图1的几何示意图，其中圆P用以表示滚珠的轮廓，而圆P和圆弧AB相切于圆弧AB的中点T点，假设圆弧AB的半径是圆P半径的k倍，则圆P的半径假设为R时，圆弧AB的曲率半径为(kR)，而点O到点P的距离即为(k-1)R。图中的Q点代表圆P向右沿滚动沟(圆弧AB)移动直到和圆弧AB相切于B点时的圆心点位置，设此时Q点和P点的水平距离为nR，而角TOB为α(中间圆弧相对其圆弧曲率中心的夹角的二分之一)，则由几何学可推导出：
sinα＝n/(k-1)或
n＝(k-1).sinα
由于在圆弧AB的左右两侧各有一圆弧CA及圆弧BD，圆弧BD和圆弧AB相切于B点，而圆弧CA和圆弧AB相切于A点；当圆P向右沿滚动沟(圆弧AB)移动nR的水平距离而到达点B(此时圆P的圆心移到Q点)以后，如果继续向右沿滚动沟移动，由于圆弧AB和圆弧BD相切于B点，故圆P将可沿圆弧BD移动，当圆P移动到正好和圆弧BD相切于D点时，圆P的圆心将移动到S点。设从Q点到S点的水平距离为R的m倍，标示为mR，而角BND为β，圆弧BD的曲率半径是圆P半径的j倍时，则
mR＝(j-1)R.〔sin(α+β)-sinα〕
而从点P到点S的水平距离(nR+mR)为
nR+mR＝(j-1)R.〔sin(α+β)-sinα〕+(k-1)R.sinα
     ＝(j-1)R.sin(α+β)+(k-j)R.sinα
而从点P到点S的水平距离和滚珠半径的比值(n+m)则为
n+m＝(j-1).sin(α+β)+(k-j).sinα
一般来说，线性滑轨的滚动沟包围滚珠的范围大约在60°左右，即(α+β)值为30°，而为了使线性滑轨的滚动沟具有良好的承受负荷能力，k值可设计使其中间圆弧的曲率半径和线性滑轨的滚珠半径的比值接近于1，而两侧圆弧的曲率半径较中间圆弧大；当α设计成20°(即中间圆弧相对其圆弧曲率中心的夹角为40°)时β等于10°，而设计k值等于1，j值等于1.20时，代入上式，可得
n+m＝0.0316
如果设计α等于20°，β等于10°，k值等于1.05，j值等于1.08时，代入上式，可得
n+m＝0.0297
如此的调心量可以明显高于(α为30°，k值等于1.02)时的0.010。不同的k值和不同j值在α等于20°而β等于10°时的计算结果表示如图3，图3的结果显示(n+m)值会随着j值的增加而近似线性增加，但是j值过大时会使滚珠和圆弧B D区域接触时承受负荷的能力下降，故j值的良好的设计区域在j＝1.08～1.20之间；而k值则影响滚珠和圆弧AB区域接触时承受负荷的能力，当k值很大时，由于使用传统的设计也可以得到很大的调心量(但承受负荷的能力不佳)，而即没有再使用本发明的需要，故本发明的k值以设定在1至1.05之间较佳。

Claims (1)

1、一种线性滑轨的组合式滚动沟，是用于线性滑轨的轨道及滑块上，以导引线性滑轨中的滚珠，其特征在于：此滚动沟的沟断面至少包含三个两两相切的圆弧；所述中间圆弧的曲率半径为线性滑轨的滚珠半径的1至1.05倍，使线性滑轨具有良好的承受负荷的能力；所述两侧的圆弧的曲率半径为线性滑轨的滚珠半径的1.08至1.20倍之间，使线性滑轨保持有良好的调心特性；所述中间圆弧相对其圆弧曲率中心的夹角为35～50°。
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