CN102549307B - 差动滚柱丝杠 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差动滚柱丝杠，包括外螺母(2、50)和多个滚动元件，该多个滚动元件包括具有多个第一凹槽的第一组滚柱(4)，该第一组滚柱在所述丝杠(3)周围布置成第一圆柱环。所述丝杠包括具有多个第二凹槽的第二组滚柱。该第二组滚柱被布置成第二圆柱环。这两个圆柱环共轴。在两组滚柱之间设有中间圆柱元件(7)，该中间元件包括第一内螺纹和第二外螺纹，该第一内螺纹形成有第一螺距(P1)并且具有第一方向，该第二外螺纹形成有第二螺距(P2)并且具有与所述第一方向相反的第二方向。

Description

差动滚柱丝杠

技术领域

本发明涉及滚动丝杠领域，更加具体而言，涉及滚柱丝杠。本发明涉及了这样一种滚柱丝杠的领域，其能够支撑非常大的荷载，同时在调节平移运动时提供了高的精确度。

背景技术

滚柱丝杠用来将转动运动转换为直线位移，反之亦然。滚动元件是设置在丝杠和螺母之间的带螺纹的多个滚柱。该多个滚柱互相间隔开并且被限制在丝杠周围的圆柱环内。它们也被称为“卫星滚柱丝杠”。

大量的接触点通常能够使得卫星滚柱丝杠支撑非常大的荷载。

在某些应用中，滚柱丝杠目前优于滚珠丝杠。特别而言，当可以接受的静态和动态加载性能较高的时候，滚柱丝杠比滚珠丝杠更具优势。

带螺纹的滚柱替代了滚珠来执行滚动功能，并且荷载被分布到了更多个接触点上。

滚柱丝杠还可以具有对应于整数或者实数的螺距，这对于估算力的减少和计算平移运动的距离是有利的。该螺距可以自由选择并且可以形成为不对螺母或者丝杠的几何形状进行任何特定的修改。

存在若干种类型的滚柱丝杠。特别地，具有非循环式滚柱丝杠、循环式滚柱丝杠和诸如反转滚柱丝杠的其它布置。

带有非循环式滚柱的滚柱丝杠包括螺母，该螺母的内螺纹与丝杠的螺纹相同。

所述滚柱具有单头螺纹，其中螺旋角对应于螺母的螺旋角。因此，在螺母和滚柱之间没有轴向位移。因此，滚柱不需要循环。

循环式滚柱丝杠包括螺纹。螺母的螺纹与丝杠的螺纹相同。滚柱并不具有螺纹而是具有垂直于丝杠的轴线而布置的凹槽。多个凹槽之间的距离对应于丝杠和螺母的横向螺距。

当丝杠或者螺母旋转的时候，滚柱在螺母中进行轴向位移。在进行了一个完整回转之后，每个滚柱通过固定在螺母端部上的两个凸轮而返回到初始位置。通过螺母中的纵向凹槽而使得滚柱的这种循环成为可能。

图1显示了这种滚柱丝杠的实施方式。滚柱丝杠100包括多个被限制在结构103当中的滚柱102，这使得负载分布令人满意同时又保持了滚柱之间的间距，并一方面确保了滚柱102和丝杠100之间的接触，另一方面确保了滚柱102和螺母101(该螺母101具有内螺纹)之间的接触。由结构103、滚柱102和螺母101形成的单元被保持在两个凸轮104之间，该凸轮104能够使得滚柱在进行了一个完整回转之后返回到它们的起始位置。

反转滚柱丝杠具有螺纹。螺母的螺纹与丝杠的螺纹相同。在该情形中，动态运动被反转，这是因为螺母在丝杠的转动效应下进行了平移运动。

当今，丝杠的减速性能受到了螺距形式的限制。通过实例的方式，0.5mm是现有技术中的丝杠所能实现的平移运动的精确度。

并且，对大的减速需求与高负载吸收性能相矛盾，这是因为螺纹具有小的横截面。这种矛盾有必要使得丝杠的直径更大、滚柱长度更长并且滚柱数量更多。因此，对于提供了大的减速和高负载吸收性能的滚动轴承来说，滚动丝杠就变得太大了。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点。

特别地，本发明可以提高滚柱丝杠的减速性能，而不对它的负载吸收性能产生不利影响。为此，需要添加以差动方式工作的第二级。该后一级可以保持较小的尺寸，而不增大丝杠的直径。

因此，本发明具有了一种新的布置，其增大了减速比，而并未对性能产生不利影响。

所述差动滚柱丝杠包括外螺母和多个滚动元件，所述多个滚动元件包括配备有多个第一凹槽的第一组滚柱，该第一组滚柱在所述丝杠周围布置成第一圆柱环。该差动滚柱丝杠还包括配备有多个第二凹槽的第二组滚柱，该第二组滚柱被布置成第二圆柱环，这两个圆柱环共轴。在两组滚柱之间设有中间圆柱元件。该中间圆柱元件包括第一内螺纹和第二外螺纹，该第一内螺纹形成有第一螺距并且具有第一方向，该第二外螺纹形成有第二螺距并且具有与所述第一方向相反的第二方向；所述中间圆柱元件通过第一组滚柱而连接到中心丝杠，并通过第二组滚柱而连接到外螺母。

所述第一组滚柱和第二组滚柱有利地均具有螺纹，这些螺纹是通过所述第一凹槽和第二凹槽形成的。

换言之，所述差动滚柱丝杠包括外螺母、多个滚动元件，所述滚动元件包括第一组带螺纹的滚柱，所述螺纹形成有第一螺距并且具有第一方向，该第一组滚柱在丝杠周围布置成第一圆柱环。

有利地，所述丝杠包括第二组带螺纹的滚柱，该螺纹形成有第二螺距并且具有与第一方向相反的第二方向，该第二组滚柱布置成第二圆柱环，这两个圆柱环共轴，并且在这两组滚柱之间设置了中间圆柱元件，该中间圆柱元件包括对应于所述第一螺距的第一内螺纹和对应于所述第二螺距的第二外螺纹。

根据本发明的另一特性，所述第一凹槽和第二凹槽是圆形的。

在一个实施方式当中，所述第一凹槽和第二凹槽的横截面有利地是三角形。

有利地，所述中间圆柱元件被电机驱动而进行旋转，该中间圆柱元件在所述第一方向上进行平移运动，所述外螺母在所述第二方向上被驱动而进行平移，所述丝杠被固定。

有利地，所述中间圆柱元件被电机驱动而进行旋转，该中间圆柱元件连接到所述电机并且引导所述电机进行旋转，该中间圆柱元件在所述第一方向上进行平移运动，所述丝杠在所述第二方向上被驱动而进行平移，所述外螺母被固定。

所述外螺母有利地是轴毂。

有利地，所述第一组滚柱和第二组滚柱均是循环式滚柱，所述第一组滚柱和第二组滚柱均包括凸轮和锁定指。

有利地，所述第一组滚柱和第二组滚柱在每一组滚柱的每个端部上包括两个螺纹圆柱部，所述第一组滚柱和第二组滚柱的中心部的半径小于所述螺纹圆柱部的半径。

附图说明

在阅读了以下参考附图而进行的描述之后，本发明的其它特性和优点将会变得显而易见，其中：

·图1显示了包括一个滚柱级的现有技术的滚柱丝杠；

·图2显示了根据本发明的差动滚柱丝杠，其包括中间圆柱元件和两个滚柱级；

·图3显示了本发明的差动滚柱丝杠的第一细节视图；

·图4显示了本发明的差动滚柱丝杠的第二细节视图；

·图5显示了本发明的差动滚柱丝杠的替代实施方式。

具体实施方式

图2显示了根据本发明的滚柱丝杠的两种构型。第一种构型显示了在第一状态(被称为“初始状态”)下的滚柱丝杠。第二构型显示了当电机M已经产生了丝杠和外螺母之间的平移运动时的滚柱丝杠；因此该滚柱丝杠处在第二状态(被称为“最终状态”)下。

在这些构型当中，丝杠3被固定，换言之，相对于固定部6的旋转和平移被锁定。外螺母2的旋转通过旋转被固定的部分1而被锁定，但是能够进行平移位移。中间圆柱元件7通过电机5而被驱动进行旋转并且能够进行平移位移。

在第一构型当中，丝杠3被固定到固定部6。中间圆柱元件7是中空管状的并且环绕该丝杠。本发明的中间圆柱元件7在其外径上设有螺距为P2的螺纹，并且在其内径上设有螺距为P1的螺纹，该内径的螺纹与外径的螺纹相反。

中间圆柱元件7通过螺距为P1的第一组滚柱4而连接到中心丝杠，并且通过螺距为P2的第二组滚柱4’而连接到外螺母2。

当中间圆柱元件7被驱动进行旋转的时候，它通过P1的直线移动/回转而在被称为负向的第一方向上进行位移。外螺母通过P2/回转而在与第一方向相反的方向(被称为正向)上进行位移。

因此，外螺母相对于丝杠的相对运动是两个相反的平移运动的叠加。因此，外螺母相对于丝杠的平移运动被大幅减少，这是由P1和P2之间的螺距差而引起的。

部件5能够将驱动能量施加到中间圆柱元件7上。

中间圆柱元件7起初与固定件6相隔距离L，该中间圆柱元件7响应于电机M的动力而进行平移运动。中间圆柱元件7位移了一整圈并且与固定部6相距新的距离L’＝L-P1。

外螺母2与固定件6相隔距离H，该外螺母2响应于来自中间圆柱元件的转动的动力而通过滚柱4’进行旋转。在中间圆柱元件7进行了一个完整回转之后，外螺母进行平移运动并位于新的距离H’＝H+P2-P1处。

这给予了我们在外螺母和丝杠之间的差动平移运动，这是通过距离H’-H而在旋转之后计算得出，其等于P2-P1。

本发明允许将P1和P2之间的螺距差选择为非常小，特别是通过选择螺距P1和P2使其互相非常接近。减速比的精确度因此得到极大改善。

一个示例性实施方式包括丝杠3和外螺母，该丝杠3的螺距P1等于1mm，外螺母的内螺距是0.9mm。这种构型可以获得的螺距差值为0.1mm。也就是说，当中间圆柱元件已经完成了一个完整回转之后，外螺母相对于丝杠的平移运动是0.1mm。

图3显示了本发明的设备的横截面，该设备包括丝杠3、具有螺距P1的第一组滚柱4，该第一组滚柱4一方面与丝杆3接触，另一方面与中空管状的中间圆柱元件7相接触，该中间圆柱元件7具有内螺距P1和外螺距P2。第二组滚柱4’一方面与中间圆柱元件7的外部相接触，另一方面与外螺母2的内部相接触。

图4显示了图2的替代实施方式的横截面的细节。其显示了具有螺距P1的丝杠3、具有螺距P1的第一组滚柱4、具有内螺距P1和外螺距P2的中间圆柱元件7、具有螺距P2的第二组滚柱4’和具有内螺距P2的外螺母2。

图4中所示的利用带有恒定的平均直径的滚柱的替代实施方式是利用了具有以下特征的滚柱：

·一方面，两个周缘的带有螺纹的螺纹圆柱部41，这些部分具有第一平均直径和预定宽度，并且；

·另一方面，中空的未设有螺纹的中心部40，其半径小于周缘部的半径。

中空的中心部40可以提供一种方案来满足高扭矩吸收的需求。这种几何形状可以减少由于丝杠的滚柱产生故障而导致的负载力矩。

周缘部与其他部件进行接触，特别是与中间圆柱元件7进行接触。相对照而言，中空部并未与中间圆柱元件7相接触。

这些滚柱可以确保良好的接触和良好的力传输，同时保持了平移位移时的精确度。

图5显示了本发明的替代实施方式。在该替代实施方式当中，丝杆3自由地进行平移运动，而旋转却被固定。由轴毂50表示的外螺母的旋转和平移被固定，而中间圆柱元件7自由地进行旋转运动和平移运动。

电机包括连接到轴毂的固定部51(定子)、以及可拆卸部52(转子)，该转子驱动中间圆柱元件7进行旋转。

当电机作用在丝杠3上的时候，丝杠3可以进行P1-P2的差动运动。由于轴毂50是固定的，因此丝杠相对于轴毂的相对位移对应于P1和P2之间的螺距差。

在上述的实施方式当中，滚柱具有螺纹。换言之，第一组滚柱配备有第一螺旋凹槽(也被称为螺纹)，该第一螺旋凹槽与中间圆柱元件7的第一内螺纹相接合。第二组滚柱配备有第二螺旋凹槽(也被称为螺纹)，其与中间圆柱元件7的第二外螺纹相接合。

在替代实施方式当中，滚柱并未设有螺纹，而是具有圆形凹槽。第一组滚柱包括第一凹槽，其与中间圆柱元件的第一内螺纹相接合，并且第二组滚柱包括第二凹槽，其与中间圆柱元件的第二外螺纹相接合。这些凹槽垂直于丝杠的轴线，也就是说，垂直于滚柱的轴线。本发明具有许多优点。本发明特别可以增大强度和刚度性能。特别而言，事实上不存在堆叠。

另一个优点是高的减速性能。本发明还可以获得高的强度、刚度、减速和不可逆性能，同时保持了设备的较小尺寸。

最后，最终的优点是可以用滚柱来替代滚动轴承。这种方式意味着能够制造不具有滚动轴承的电驱动器或整个机构。

Claims (10)

1.一种差动滚柱丝杠，包括外螺母(2)和多个滚动元件，所述多个滚动元件包括配备有多个第一凹槽的第一组滚柱(4)，该第一组滚柱在所述丝杠周围布置成第一圆柱环，其特征在于，该差动滚柱丝杠包括配备有多个第二凹槽的第二组滚柱(4’)，该第二组滚柱被布置成第二圆柱环，这两个圆柱环共轴，并且在两组滚柱(4、4’)之间设有中间圆柱元件(7)，该中间圆柱元件(7)包括第一内螺纹和第二外螺纹，该第一内螺纹形成有第一螺距并且具有第一方向，该第二外螺纹形成有第二螺距并且具有与所述第一方向相反的第二方向；所述中间圆柱元件(7)通过第一组滚柱(4)而连接到丝杠，并通过第二组滚柱(4’)而连接到外螺母(2)。

2.根据权利要求1所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述第一组滚柱(4)和第二组滚柱(4’)均具有螺纹，这些螺纹是通过所述第一凹槽和第二凹槽形成的。

3.根据权利要求1所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽是圆形的。

4.根据权利要求2或3所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽的横截面是三角形。

5.根据权利要求2所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述中间圆柱元件(7)被电机(5)驱动而进行旋转，该中间圆柱元件(7)在所述第一方向上进行平移运动，所述外螺母(2)在所述第二方向上被驱动而进行平移，所述丝杠(3)被固定。

6.根据权利要求2所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述中间圆柱元件(7)被电机(5)驱动而进行旋转，该中间圆柱元件连接到所述电机(5)并且引导所述电机(5)进行旋转，该中间圆柱元件(7)在所述第一方向上进行平移运动，所述丝杠(3)在所述第二方向上被驱动而进行平移，所述外螺母(2)被固定。

7.根据权利要求1、5和6中任意一项所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述外螺母是轴毂(50)。

8.根据权利要求1、5和6中任意一项所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述第一组滚柱(4)和第二组滚柱(4’)均是循环式滚柱，所述第一组滚柱(4)和第二组滚柱(4’)均包括凸轮和锁定指。

9.根据权利要求1、5和6中任意一项所述的差动滚柱丝杠，其特征在于，所述第一组滚柱(4)和第二组滚柱(4’)在每一组滚柱的每个端部上包括两个螺纹圆柱部(41)，所述第一组滚柱(4)和第二组滚柱(4’)的中心部(40)的半径小于所述螺纹圆柱部的半径。

10.根据权利要求1所述的差动滚柱丝杠，其中所述第一螺距(P1)与所述第二螺距(P2)不相同。