CN100570177C - 具有多点尖拱形剖面螺纹轮廓的改进的预加载滚珠丝杠 - Google Patents

具有多点尖拱形剖面螺纹轮廓的改进的预加载滚珠丝杠 Download PDF

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Abstract

改进的预加载滚珠丝杠(1)，其螺纹轮廓形状为多点尖拱形(5.1)，使滚珠以多个接触点(5.3)滚动，沿着多个平行滚动轨道(6)产生滚珠的引导，保持滚珠中心(4.1)的位置。

Description

具有多点尖拱形剖面螺纹轮廓的改进的预加载滚珠丝杠
技术领域
本发明涉及一种预加载滚珠丝杠，丝杠的螺纹的轮廓为多点尖拱形，使得滚珠以多个接触点滚动，使其沿多个平行滚动轨道滚动，以保持滚珠中心的位置，消除了旋转运动的自由度，减少了滚珠之间的摩擦，并由于加压下变形较小使刚度增加。
滚珠丝杠与旋转运动传递机构成线性关系，反之亦然，它具有很高的位置精度和载荷传递能力，在DIN-69051标准的第1-5部分、ISO-3408标准的第1、2和3部分及UNE-15-43994标准的第1、2和3部分都有相关的描述和定义。
滚珠丝杠基本上是由5个作用元件组成的：
-丝杠，其为圆柱形轴，在其外表面具有凹槽半圆形截面的螺旋螺纹，截面为圆拱形或尖拱形。
-螺母，其为圆柱形中空套，在其内表面具有凹槽半圆形截面的螺旋螺纹，截面为圆拱形或尖拱形，当丝杠和螺母同轴配合在一起时，形成环形截面为圆拱形或尖拱形的螺旋管。
-滚珠，用于通过丝杠和螺母轮廓施加在其上的压力传递应力的滚动体，且当丝杠和螺母同轴配合在一起时，丝杠和螺母在螺旋管内组合形成滚珠运动路线。
-导向装置，用来使滚珠循环运动的部件，组装在螺母上以形成封闭的滚珠运动路线。
-油或油脂等的润滑剂，用来减少滚珠与丝杠和螺母之间接触区域的摩擦。
在滚珠丝杠中，当丝杠和螺母与滚珠同轴地装配在一起时，轴向-径向的公差由用于生产的设计规格决定。本文中公差表示丝杠和螺母之间由滚珠引起的相对轴向或径向的相对运动的量，不包括它们之间相对角度的或旋转的运动。对于精确的滚珠丝杠组件的正确工作，为了消除公差，可以采用由两个螺母组成的螺母组件的结构，在两个螺母之间施加了一个被称为“预加载力”的轴向分离力，它通过与每一个螺母接触的滚珠的相反方向上的力被传递到丝杠螺纹上。为了达到此目的，两个螺母的螺纹通过预加载力分离皮此靠拢，从而修改靠近两个螺母的两个滚珠线路之间的多重螺距比(multiple pitch raiio)，这样每个滚珠都可以获得一个接触角度，滚珠的接触角度定位在一个螺母上，与另一个螺母中的接触角度方向相反。
已知多种系统用来在由两个螺母组成的螺母组件中产生预加载力，包括在两个螺母中引入一个精密的垫圈用来间隔它们，使它们分离或使它们互相靠拢，通过键使它们固定在一起并防止转动。修改中心区域的螺距，将普通的螺纹分成两部分，并根据滚珠直径调整预加载力，从而对紧凑的螺纹系统加载的方法也是公知的。
滚珠受挤压时会产生变形，因此所称的预加载滚珠的接触点形成接触椭圆形的挤压表面，所称的滚动轨道形成由接触椭圆形的宽度所表示的条纹。
实际上，具有平面凹槽截面形状的螺旋螺纹，例如三角形或梯形的螺纹，由于在两个切平面之间的滚珠运动的自由度和不稳定性，未用于滚珠。这是在为滚珠寻找更大的包络的过程中圆拱形螺纹被应用，和滚珠螺纹被构造成具有圆拱或多点尖拱形的凹槽半圆形截面的螺旋线的原因，多点尖拱形应用的非常广泛，也有非常多的优点。轮廓的设计要考虑滚珠直径和轮廓拱形半径之间的确定的关系或包络一致性系数，和为了滚珠获得在它们滚动的轨道上接触点的稳定性、而允许预加载力的值增加的轴向-径向公差。
背景技术
前面所述的半圆形螺纹轮廓在DIN-69051标准、ISO-3408-1标准和UNE-15-439-94标准中都有所涉及，它们中的一种为圆拱形，另一种为尖拱形。
这些轮廓是所有滚珠丝杠生产制造商所公知的，它们都包括下面所述的实施例：尖拱形在丝杠凹槽和螺母凹槽中都具有相同的形状。轮廓是根据滚珠直径、考虑滚珠直径的拱形直径的包络一致性系数的轴向-径向公差和滚珠的接触角度定义的。因此，当滚珠被预加载时，可以获得具有“双滚珠接触点”的包络轮廓，一个接触点在螺母的拱形一侧，另一个在丝杠的拱形一侧，滚珠直径形成连接两个接触点的接触角。
上述实施例包括在下面的专利文献中：
*于1954年4月20日申请，授权给LEON HURE&Co的法国专利1098892。
*于1958年7月15日申请，授权给HARRY ORNER的美国专利2842978。
*均授权给ROTAX LIMITED的，于1958年1月17日申请的英国专利822582、1961年4月19日申请的英国专利974077和1966年5月17日申请的英国专利1140381。
*于1963年4月3日申请，授权给THE CINCINNATI MILLING MACHINECO的法国专利930339。
*于1983年11月21日申请，授权给MANNESMANN MASCHINENFABRIKGMBH.&CO.KG的欧洲专利0113014。
上述的所有专利文献都有同样的思想，即滚珠在两点接触，一个点位于螺母的多点尖拱的一侧，另一个点位于丝杠的另外一侧，但是这些已知的系统有一些缺点，例如：
*滚珠受挤压时会产生变形，当从螺母向丝杠传递相对旋转运动时，位于丝杠和螺母螺纹的凹槽中的滚珠同时受到切向和平行的力的作用，它作用在两个椭圆的相反的方向上，滚珠使接触点椭圆适应滚动轨道的结构公差而产生速度差异，从而使滚珠在两个接触点上发生变形，并沿着它本身的轴线旋转、向前、回转和沿轨道运动。在运动中，滚珠中心和滚珠的接触点会变的不稳定，丝杠和螺母轮廓的挤压使得滚珠在丝杠凹槽中运动的条纹的位置发生改变，受挤压的滚珠会产生振动，上述缺点会产生类似汽笛声的噪声或包括刚度在内的动力不稳定性。
*每个滚珠向前运动会产生滚珠旋转的一部分，因此，在它的位置上，它通常与前面和后面的滚珠接触，如果它的球心的运动不稳定，那么与它邻近的滚珠的运动也不稳定，因此，产生的齿间力将改变滚珠旋转的速度，同时摩擦扭矩的值也会产生差异、振动和放大。
*预加载力全部作用在两个相对的椭圆上，变形引起的刚度值的增加没有平均的施加预加载力时大，为了获得更大的刚度，需要增大预加载力，这样导致温度上升，滚珠丝杠的使用寿命的降低和向前运动的各个方向的动力摩擦扭矩的差异。
*双接触点的多点尖拱形的斜率、锥度、公差和不对称引起的制造误差将使上述缺点更严重。
*上述缺点将降低先进的设备所具备的旋转、加速、高精度的加载速度、刚度和动力摩擦扭矩的优势。
在具有两个接触点的预加载滚珠的滚动中，向前运动是由两个切向和平行平面的相对移动来确定的，两个平行和相对方向的摩擦力施加在滚珠上，滚珠具有许多旋转自由度，由与它相接触的滚珠来驱动。
具有两个接触点的滚珠不能被引导，由于这个原因，滚珠可以产生许多类型的运动，这由于它们的压力接触区域的速度差而产生。
在现有技术中，通常采用单螺母，而不是双螺母的类型，这样滚珠在装配时没有轴向或径向的公差，它在4个点上承受压力，其中两个点在单点尖拱形螺母的每一个拱形上，另两个点在单点尖拱形丝杠的每一个拱形上。相对应的接触点接合时，接触角度形成一个“X”，当丝杠与螺母的轴向力和相对转动起作用时，滚珠可以垂直和平行转动，由于接触角度的X形，在一个方向上为作用力，相对的方向上为反作用力。这使得旋转运动在速度很高时不确定，从而导致温升和磨损使得滚珠的使用不适当。
在现有技术中，有两篇关于用多于两个的接触点来引导滚珠的专利文献：
*于1955年5月16日申请，授权给REGINAL BISHOP的美国专利813741。
*于1978年6月16日申请，授权给LOUIS POHL的法国专利2395423。
这两项专利文献的思想都是将滚珠放置在三角形或梯形螺纹的平面壁上。实际上，具有平面凹槽截面形状的螺旋线螺纹，例如三角形或梯形螺旋线螺纹，由于滚珠在两个切平面之间的运动产生的自由度和不稳定性而在滚珠中很少应用。因此，在DIN-69051标准、ISO-3408标准和UNE15-43994标准中没有涉及。
为了解决上面指出的缺点，最适合的方法是通过保持滚珠的重心位置稳定、使接触区域的速度相配、将预加载荷分配到多点尖拱接触表面上和减少滚珠变形程度的方法来引导滚珠向前运动。
发明内容
因为滚珠可以被“多接触点”地引导，所以在拱形的一侧，滚珠将在多点接触，而在另一个拱形的相对一侧，滚珠将在其它的多个点接触。为了使滚珠具有给定的接触点，在拱形的一侧必须为正切曲线，这样的拱形是由重叠尖拱形成的，即每个拱形具有两个结构中心的多点尖拱。在相对的一侧，为与其接触点相对应的多点尖拱。
在几何上，距离中心相等的多个点构成一个球，同一平面上的多个点构成一个圆。通过多个接触点，滚珠将以被引导的方式滚动，产生多个平行向前的滚动运动圆周和它们相对应的轨道，消除了回旋运动和其它的随机运动。在滚动中，滚珠的中心位置保持稳定。
接触点的对称由设计限定，由于滚珠的圆周是由所有点的几何位置构成的，并且连接两个点线段的角度相同，因此对应点的压力角保持稳定。由于接触点在形状上为椭圆形，每两个椭圆区域的载荷被分配到一侧，在另一个更大的凸起的椭圆中，在相同的预加载荷下，可以获得滚珠较小的变形。接触点的对称设计可以通过预加载力任意修改，由于在适当的接触点加载，可以修改椭圆的变形。
本发明的目的是一种预加载滚珠丝杠，丝杠的螺纹为多点尖拱形，使得滚珠以多接触点滚动，这造成滚珠沿着多个平行滚动轨道的引导，保持滚珠中心的位置，消除旋转运动的自由度，减少滚珠之间的摩擦，由于压力变形减小而使刚度增加。
因此，本发明的滚珠丝杠的特征在于，其包括具有再循环的预加载双螺母(2)，在双螺母的内表面包括具有凹槽截面形状的螺旋状螺纹，该螺旋状螺纹为具有两个结构中心的多点尖拱形(5.1)，使得滚珠以多个接触点(5.3)滚动，产生滚珠通过多个平行滚动轨道(6)的引导，保持滚珠中心的位置(4.1)稳定，每个拱形包括两个结构中心，其组装在丝杠(3)上，在丝杠的外表面上包括具有凹槽截面形状的螺旋形螺纹，该螺旋形螺纹为多点尖拱形(5.2)，每个拱形(5.2)具有两个结构中心，滚珠(4)将施加在其之上的压力以一定角度进行传递，通过与螺母的螺纹轮廓的多个点(5.3.1)和丝杠的螺纹轮廓的其它相对的多个点(5.3.2)的切向接触而形成接触角度，当螺母和丝杠同轴接合在一起时，滚珠被组装，在形成丝杠和螺母螺纹的、具有多接触点(5.3)的多点尖拱形轮廓的螺旋管内形成滚珠的循环运动线路
附图说明
附图表示：
图1表示滚珠丝杠螺纹的轮廓设计图，螺纹轮廓为多点尖拱形，滚珠可以多接触点地滚动，它由螺母螺纹的轮廓和丝杠螺纹的轮廓形成的，螺母和丝杠的螺纹均是包括两个结构中心的多点尖拱形，并且轴向配合在一起。
图2表示多点尖拱的结构设计图，每个拱形包括两个结构中心，每对结构中心对应重叠的尖拱形，尖拱的半径与滚珠的直径之间具有一定的关系或者包络一致性系数。
图3表示接触点和轨道的条纹形成的多个椭圆，它们位于螺母和丝杠的多点尖拱的一侧，共同形成接触角度，这些轨道是由滚珠的多个平行向前的滚动圆周形成的，用来保持滚珠的中心位置的稳定。
图4表示多接触点和施加于螺母的多点尖拱上的预加载分力的正视图。
图5表示预加载滚珠丝杠的正视图，丝杠的螺纹具有多点尖拱形的轮廓，滚珠可以多接触点的滚动，形成接触角度，从而实现本发明的目的。
具体实施方式
下面参照附图中的实施例，对本发明进行详细的描述。
参考图1，其表示新型螺纹的轮廓的剖面图，螺纹轮廓具有多点尖拱形，每个拱形包括两个结构中心，滚珠(4)的多个点(5.3)的接触角度是由螺母(2)的多点尖拱(5.1)和丝杠(3)的多点尖拱(5.2)定义的，拱形线半径和滚珠直径的一致性系数与螺母(2)和丝杠(3)之间的径向-轴向公差同轴配合在一起。
图2表示多点尖拱(5.1)的结构设计图，每个拱形包括两个结构中心，每对结构中心(5.1.2)对应重叠的尖拱形，尖拱的半径(5.1.3)与滚珠的直径之间具有一定的关系或者包络一致性系数。
图3表示接触点(5.3)和轨道(6)的条纹形成的多个椭圆，它们中的一部分位于螺母(2)的多点尖拱(5.1)的一侧，另外一部分位于丝杠(3)的多点尖拱(5.2)的相反一侧，共同形成接触角度，这些轨道是由滚珠(4)的多个平行向前的滚动圆周(6)形成的，用来保持滚珠的中心(4.1)位置的稳定，引导滚珠(4)的滚动并消除滚动的自由度。
图4表示多接触点(5.3)和施加于螺母(2)的多点尖拱(5.1)上的预加载分力的正视图，加载力的投影朝向相反点，在丝杠(3)上的另一个多点尖拱(5.2)的相反侧上形成更光滑的接触椭圆。
最后，图5表示本发明的滚珠丝杠(1)的平面图，它由圆柱形中空套的预加载双螺母(2)形成，在双螺母的内表面包括具有凹槽截面形状的螺旋状螺纹，螺纹为具有两个结构中心的多点尖拱形(5.1)，它与丝杠(3)配合，丝杠(3)是圆柱形轴，在丝杠的外表面包括具有凹槽截面形状的螺旋状螺纹，螺纹为具有两个结构中心的多点尖拱形(5.2)，滚珠丝杠还包括滚珠(4)，它是将施加在其之上的压力以一定角度进行传递的球形滚动体，通过与螺母的螺纹轮廓形状的多个点(5.3.1)和丝杠的螺纹轮廓形状的多个点(5.3.2)的切向接触而形成接触角度，当螺母和丝杠同轴接合时，在形成丝杠和螺母的螺纹的多接触点(5.3)的多点尖拱的螺旋管内组合产生滚珠的循环运动。
简言之，本发明的滚珠丝杠的螺纹具有多点尖拱型的轮廓，滚珠以多个接触点滚动，从而引导滚珠在不同的平行滚动轨道内滚动，这样可以保持滚珠的中心位置并消除旋转运动的自由度，优点如下：
*由于在承受压力时的变形较少，可以增加刚度，在低预加载荷时获得的较高刚度，所以可以降低温度，从而提高了滚珠丝杠的使用寿命并消除了前进运动每个方向的动摩擦力矩的差值。
*消除了滚珠之间的摩擦引起的啮合力、滚珠旋转速度的改变、制造公差、振动和动摩擦力矩值的增加。
*消除了应力引起的滚珠振动、噪声缺陷和刚度的动态不稳定性。
*可以接受更大的制造误差。
*在最先进的旋转、加速和加载速度的应用中所需的上述特点可以获得合适的精度、刚度和动摩擦力矩。
对螺母和丝杠进行小的修改可以获得上述优点，而这不会增加制造成本。
具有多接触点的多点尖拱形凹槽截面的新型螺旋形螺纹的轮廓形状可以通过螺母和丝杠的接触点的不同组合形式来制造。例如螺母和丝杠各4个点，或者分别为4个和3个，4个和2个，4个和1个，3个和3个，3个和2个，3个和1个，2个和2个，2个和1个或者其它的接触点组合形式，只要不是1个螺母和1个丝杠的组合即可。

Claims (1)

1.一种预加载滚珠丝杠(1)，所述预加载滚珠丝杠(1)由丝杠(3)、滚珠(4)和具有再循环的预加载双螺母(2)组成，在所述螺母(2)的内表面上包括具有凹槽截面轮廓的螺旋状螺纹，该螺母(2)的所述凹槽截面轮廓具有多点尖拱形(5.1)，每个多点尖拱形(5.1)包括两个结构中心，使得滚珠(4)以多个接触点(5.3)滚动，从而产生滚珠(4)通过多个平行滚动轨道(6)的引导，并保持滚珠中心的位置(4.1)，所述螺母(2)组装在所述丝杠(3)上，在丝杠(3)的外表面上包括具有凹槽截面轮廓的螺旋形螺纹，该丝杠(3)的所述凹槽截面轮廓具有多点尖拱形(5.2)，每个多点尖拱形(5.2)具有两个结构中心，所述滚珠(4)以一定角度传递力，所述滚珠(4)受压并与螺母(2)的螺纹轮廓的多个点(5.3.1)和丝杠(3)的螺纹轮廓的其它多个点(5.3.2)切向接触，从而形成接触角度，并且螺母(2)的螺纹轮廓的接触点(5.3.1)与丝杠(3)的螺纹轮廓的接触点(5.3.2)彼此相对。
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