CN103453096A - 一种能实现微小导程的滚柱丝杠副 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚柱丝杠副。该滚柱丝杠副主要由丝杠、滚柱、螺母及螺母端盖组成。工作时，由电动机带动丝杠转动，通过摩擦力矩使滚柱产生旋转运动，由于丝杠与滚柱同时加工有螺纹，滚柱在自转的同时，产生相对于丝杠的轴向位移。滚柱安装在螺母上，通过螺母实现力与位移的输出，最终实现旋转运动向直线运动的转化。该机构的主要优点是零件结构简单，可靠性高，制造成本低，功能易于实现。并且通过丝杠与滚柱头数、旋向及中径的匹配，可以实现不同范围的导程。当丝杠与滚柱头数相等旋向相反，中径近似相等时，可以实现微小导程，成为精密螺旋传动机构，而其螺纹参数相对较大，刚度较好，既保证了丝杠副的刚度，又实现了微小导程，相当适用于大承载力下精密传动与定位的场合。

Description

一种能实现微小导程的滚柱丝杠副

技术领域

本发明涉及一种滚柱丝杠副，属于滚动螺旋传动装置。

现有技术

目前，螺旋传动主要分为滑动螺旋传动与滚动螺旋传动，而滑动螺旋传动正逐渐被滚动螺旋传动所取代。滚动螺旋传动装置主要有两种，一种为滚珠丝杠副，一种为行星滚柱丝杠副。滚珠丝杠副由于其滚动体需要循环器，不适用于高速工况，其导程等于丝杠导程，一般情况下较大。行星滚柱丝杠副近年来应用逐渐广泛，它是由丝杠、滚柱、螺母三个螺纹件相互啮合实现传动，结构相对复杂，加之螺母为多头内螺纹，生产成本较高。行星滚柱丝杠副的导程等于丝杠导程。对于上述两种螺旋传动装置，其导程由丝杠单独决定，而如果要实现微小导程，只能通过减小丝杠导程来实现，这样将会使制造成本大大提高。对于上述两种滚动螺旋传动，一般不能实现自锁，因此在工程应用中需要增加自锁或刹车机构。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有滚动螺旋传动装置结构复杂、制造成本高、较难实现微小导程等局限性，发明了一种滚柱丝杠副，其结构简单，可靠性高，通过丝杠与滚柱头数、旋向及中径的匹配，可实现不同范围的导程，并且在丝杠与滚柱为单头螺纹、旋向相反，且直径近似时，可以实现微小导程，此时丝杠具有自锁特性。因此，本发明的微小导程实施例既有滚动螺旋传动摩擦力矩小、磨损小等优点，又有滑动螺旋传动可以自锁的优点。

本发明的技术方案是：一种滚柱丝杠副，主要包括：螺母1、滚柱2、螺母端盖4及丝杠6。

所述螺母1整体为圆柱状结构，其上有丝杠6、滚柱2及推力球轴承3的安装空间及定位孔。螺母端盖4为一圆形板结构，其上有滚柱2与推力球轴承3的定位孔；螺母端盖4与螺母1通过螺钉5连接为一个整体；所述螺母1外圆上有键槽，用于连接外部负载，承受工作载荷；

所述丝杠6贯穿所述螺母1和螺母端盖4，丝杠6为单头或多头螺纹，在其一端加工出轴肩及键槽，实现与电机的连接及定位。

所述滚柱2为单头或多头螺纹，所述滚柱2至少为三个，周向均布于圆柱状螺母1外壁槽内；滚柱2中间部分为螺纹部分，所述螺纹部分与丝杠6螺纹啮合；所述滚柱2一端通过推力球轴承3安装于螺母1中，另一端通过推力球轴承3与螺母端盖4定位；滚柱2两端有阶梯轴以实现其安装定位；其中，靠近螺纹部分的轴肩为定位轴肩，用于轴向定位推力球轴承3，第二段光轴为推力球轴承3的安装轴，末端轴段与螺母1及螺母端盖4对应的内孔配合，以保证滚柱2与丝杠6的中心距，保证螺纹啮合质量。

工作时，电动机带动丝杠6旋转，由于滚柱2与丝杠6螺纹之间的啮合，受到摩擦力矩的作用，滚柱2做相反方向的旋转运动，进而产生相对于丝杠6的轴向位移，由于螺母1周向定位，不能旋转，所以滚柱2做绕自身轴线的自转并带动螺母1一起做直线运动。外力经由螺母1，通过推力球轴承3传递到滚柱2，进而传递给丝杠6。

本发明的主要优点是：整体结构较现有滚动螺旋传动装置较为简单，制造成本较低。本发明中仅有丝杠6与滚柱2发生螺纹啮合，所以丝杠6和滚柱2的中径及头数选择范围较大。本发明提出的滚柱丝杠副导程，由丝杠6的螺纹导程和滚柱2的螺纹导程共同决定，不同旋向、头数及中径的丝杠6和滚柱2配合，将会产生不同导程。因此，本发明的导程范围，理论上可以实现从零到无穷大值，而实际上，零件螺纹为空间螺旋，当零件中径较小而头数较大时，丝杠6与滚柱2间螺纹会发生干涉而无法配合，所以，实际上仅能实现从零到一定值的导程。

本发明所涉及的微小导程实现方式的主要优点是：在滚柱2与丝杠6中径及螺纹牙参数较大的情况下，保证了滚柱丝杠副刚度，又能实现低于毫米级的微小导程。并且可以实现机构的自锁，防止逆传动的发生，兼有滚动螺旋传动与滑动螺旋传动的优点。

附图说明

图1是本发明提出的滚柱丝杠副装配爆炸图；

图2是螺母结构示意图；

图3是滚柱结构示意图；

图4是螺母端盖结构示意图；

图5是丝杠与滚柱螺纹啮合示意图；

其中：1-螺母；2-滚柱；3-推力球轴承；4-螺母端盖；5-螺钉；6-丝杠。

具体实施方式

如图1所示，滚柱丝杠副主要由螺母1、滚柱2、螺母端盖4及丝杠6组成。

定义各零件参数如下：

N_S：丝杠螺纹头数（正数表示右旋、负数表示左旋）；

N_R：滚柱螺纹头数（正数表示右旋、负数表示左旋）；

D_S：丝杠螺纹中径，单位为毫米；

D_R：滚柱螺纹中径，单位为毫米；

P：螺距，丝杠与滚柱相同，单位为毫米；

S_S：丝杠螺纹导程，单位为毫米，且满足公式：S_S=N_S·P；

S_R：滚柱螺纹导程，单位为毫米，且满足公式：S_R=N_R·P；

S：滚柱丝杠副导程，单位为毫米。

滚柱丝杠副工作时，电动机带动丝杠6做旋转运动，由于滚柱2与丝杠6之间为螺纹啮合，丝杠6转动产生的摩擦力矩带动滚柱2做相反方向的旋转运动。滚柱2安装在螺母1中，螺母1周向固定，仅能做直线运动。因此，滚柱2的运动为绕其自身轴线的自转及相对于丝杠6的轴向运动，并带动螺母1直线运动，以实现动力的输出。

由于丝杠6与滚柱2都有螺纹，工作中，丝杠6通过二者间的摩擦力矩驱动滚柱2发生转动，且由负载引起的接触面法向压力与滑动摩擦系数的乘积（即为摩擦力矩）远大于使滚柱2有滑动趋势的切向力，因此二者之间无滑动发生。所以，本发明的导程S由丝杠6螺纹导程与滚柱2螺纹导程共同决定。定义丝杠6旋转一周，螺母1的直线位移为本发明的导程S。则导程S由下式决定：

$S=P\·(N_S+\frac{D_S}{D_R}\·N_R)$

显然，当丝杠6与滚柱2的螺纹选取不同中径及头数时，滚柱丝杠副导程S可以得到不同的值。

实施例一：当丝杠6与滚柱2的螺纹中径相同，即D_S=D_R时，滚柱丝杠副导程由下式决定：

S=P·(N_S+N_R)=S_S+S_R

显然，当丝杠6与滚柱2螺纹旋向相同时（即N_S与N_R同为正数或负数），滚柱丝杠副导程S是丝杠6与滚柱2螺纹导程的绝对值的和。若二者旋向相反时（即N_S与N_R符号相反），滚柱丝杠副导程S是丝杠6与滚柱2螺纹导程的绝对值的差，特别的，当二者头数相同但旋向相反（即N_S=-N_R），滚柱丝杠副导程S=0。

实施例二：当丝杠6与滚柱2为旋向相反的单头螺纹时，即N_S=1，N_R=-1（或N_S=-1，N_R=1），且丝杠6中径D_S与滚柱2中径D_R接近时，此时，滚柱丝杠副导程由下式决定：

$S=\±\left(\frac{D_R-D_S}{D_R}\right)\·P$

显然，此时滚柱丝杠副导程S远小于螺距P，即为本发明的微小导程实施方式。其中，正负号代表丝杠6旋转时，螺母1沿不同方向做直线运动。实例：当滚柱丝杠副各零件参数如下：D_S=19mm，D_R=20mm，N_S=1，N_R=-1，P=2mm，代入公式，得S=0.1mm，即滚柱丝杠副导程S为滚柱2与丝杠6螺纹导程的二十分之一。而丝杠6及滚柱2中径及螺纹牙参数相对较大，滚柱丝杠副刚度较高，因此，相当适用于大承载力下精密定位及传动。

另外，由于丝杠6与滚柱2为单头螺纹，其螺旋升角较小，因此微小导程方式的滚柱丝杠副具有自锁特性，兼有滑动螺旋丝杠及滚动螺旋丝杠的优点。

Claims (2)

1.一种滚柱丝杠副，主要包括：螺母（1）、滚柱（2）、螺母端盖（4）及丝杠（6）；

所述螺母（1）整体为圆柱状结构，其上有丝杠（6）、滚柱（2）及推力球轴承（3）的安装空间及定位孔；螺母端盖（4）为一圆形板结构，其上有滚柱（2）与推力球轴承（3）的定位孔；螺母端盖（4）与螺母（1）通过螺钉（5）连接为一个整体；

所述丝杠（6）贯穿所述螺母（1）和螺母端盖（4），丝杠（6）为单头或多头螺纹，一端与电机连接；

所述滚柱（2）为单头或多头螺纹，所述滚柱（2）至少为三个，周向均布于圆柱状螺母（1）外壁槽内；滚柱（2）中间部分为螺纹部分，所述螺纹部分与丝杠（6）螺纹啮合；所述滚柱（2）一端通过推力球轴承（3）安装于螺母（1）中，另一端通过螺母端盖（4）定位。

2.一种如权利要求1所述的滚柱丝杠副，其特征在于：所述滚柱（2）两端有阶梯轴以实现其安装定位；其中，靠近螺纹部分的轴肩为定位轴肩，用于轴向定位推力球轴承（3），第二段光轴为推力球轴承（3）的安装轴，末端轴段与螺母（1）及螺母端盖（4）对应的内孔配合，以保证滚柱（2）与丝杠（6）的中心距。

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