CN104074940A - 滚柱丝杆 - Google Patents

Abstract

滚柱丝杆机构被设置有包括外螺纹(4)的螺杆(2)，围绕且同轴于所述螺杆(2)的螺母(6)，所述螺母(6)包括内螺纹(8)，被安装在螺母(6)的无螺纹部分上的两个齿轮(20，22)，每个齿轮(20，22)都包括具有多个内齿的第一组齿(24，26)，以及径向位于螺杆(2)和螺母(6)之间的多个滚柱(1O)，每个滚柱(1O)都包括设计用于啮合所述螺杆(2)的外螺纹(4)和所述螺母(6)的内螺纹(8)的外螺纹(12)，并且轴向地在每个端部处第一组齿都具有设计用于啮合齿轮的内齿轮齿的多个齿轮齿。每个滚柱(1O)的齿轮齿的外径都小于或等于所述滚柱(1O)的外螺纹(12)的螺根的直径。

Description

滚柱丝杆

技术领域

本发明涉及滚柱丝杆机构的领域，该机构用于将旋转运动转换成直线平移运动，并且反之亦然。

背景技术

这种机构被设置有具有外螺纹的螺杆，绕着螺杆布置的且具有内螺纹的螺母以及与螺杆的外螺纹和螺母的内螺纹啮合的多个纵向滚柱。相比于滚珠丝杠机构，滚柱丝杆机构的主要优点是增加了容许的负载能力。

滚柱丝杠机构的第一种类型包括具有外螺纹的滚柱，该外螺纹啮合滚柱的外螺纹和螺母的内螺纹。滚柱的螺纹和螺母的螺纹具有螺旋角，该螺旋角彼此相同并且与螺杆的螺纹的螺旋角不同，以致当螺杆相对于螺母旋转时，在没有在螺母的内侧轴向移动的情况下该滚柱以自身旋转并且绕着螺杆滚动。滚柱通过增加在螺母上的且与所述滚柱的齿啮合的齿平行于螺杆的轴线被旋转地引导。这种机构被称为行星式滚柱丝杆。

滚柱丝杆机构的第二种类型具有相似的操作原理，但是由于倒置的布置而不同。滚柱的、螺杆的和螺母的螺纹的螺旋角被选定，以致当螺杆相对于螺母旋转时，滚柱绕着螺杆以自身而旋转并且在螺母中轴向移动。滚柱通过设置在螺杆上的且与所述滚柱的齿啮合的齿平行于螺杆的轴线被旋转地引导。这种机构被称为倒置的行星式滚柱丝杆。

在滚柱丝杆机构的当前的设计下，滚柱和螺母的齿在剖面上具有渐开线的轮廓。

而且，在滚柱的加工螺纹的步骤期间齿被加工螺纹。在滚柱的齿与螺母的齿啮合的期间，由于在滚柱的齿上的螺纹，在齿顶处增加了压力。这增加了螺母的磨损，其必须被更换。

一个解决该问题的解决方案是增加螺母的硬度。然而，在螺母中钻孔将变得非常困难。

发明内容

本发明的目的在于克服这些缺点。

更特别地，本发明的目的在于提供一种滚柱丝杆机构，其中对于给定的直径，增加了负载能力。

在一个实施例中，一种滚柱丝杆机构设置有包括外螺纹的螺杆，围绕且同轴于所述螺杆的螺母，所述螺母包括内螺纹，被安装在螺母的无螺纹部分上的两个齿轮，每个齿轮都包括具有多个内齿的第一组齿，以及径向位于螺杆和螺母之间的多个滚柱。每个滚柱都包括设计用于啮合所述螺杆的外螺纹和所述螺母的内螺纹的外螺纹，并且轴向地在每个端部处第一组齿都具有设计用于啮合齿轮的内齿轮齿的多个齿轮齿。

每个滚柱的齿轮齿的外径都小于或等于所述滚柱的外螺纹的螺纹牙底的直径。

由于直径的差别，在滚柱的加工螺纹的步骤期间滚柱的齿没有被加工螺纹。在滚柱的齿与齿轮的齿相啮合的期间，由每个滚柱在对应的轮的螺纹面上的齿的螺纹面所施加的接触压力被分布在较大的表面上。因此，显著地减少了齿轮的磨损。

在实施例中，每个滚柱都包括具有重叠在第一组齿上的多个齿轮齿的第二组齿，以致第二组齿的齿位于第一组齿的齿之间，并且每个齿轮都包括具有重叠在第一组齿上的多个齿轮齿的第二组齿，以致第二组齿的齿位于第一组齿的齿之间。

有利地，每个滚柱的每个齿在剖面上都具有凹入轮廓曲线，并且每个齿轮的每个齿在剖面上都具有凸出轮廓曲线，其由圆弧来限定，且近似内摆线曲线。

“内摆线”是由在较小圆的圆周上的点在较大的固定圆的圆周的内侧旋转所描绘的曲线。

每个滚柱的每个凹入齿的与相关的齿轮的凸出齿相接触的部分能够在剖面上具有内摆线轮廓。

相比于具有在剖面上具有渐开线轮廓的齿的传统的滚柱，提供凸-凹齿轮廓使得滚柱在齿轮上的接触表面能够被增加。

每个滚柱的每个齿的齿高可以被减少到零。

在实施例中，每个滚柱在每个端部处都包括圆柱螺栓，该圆柱螺栓从滚柱的齿轴向延伸，并且被设计用于装配在圆柱形的贯通凹槽的内侧，该凹槽被设置在环形的间隔环上，该间隔环被径向安装在螺杆的螺纹和相关的齿轮之间。

齿轮的硬度能够大致相似于滚柱的硬度。例如，齿轮能够由铝制成，以便更多地减少齿轮的磨损。

本发明还涉及包括旋转装置和如上所限定的滚柱丝杆机构的致动器，该机构的螺杆与旋转装置结合。

附图说明

通过研究以实例方式给出的实施例的详细描述将更好地理解本发明，该实施例绝不是用于限制并且其通过附图被图解，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的滚柱丝杆机构的剖面；

图2是沿着图1的线II-II的轴向截面；

图2a是图2的细节图；

图3是图1的机构的滚柱的视图；

图4是图3的正视图；

图4a示意性地图解了内摆线曲线的生成；

图5是图1的机构的齿轮的视图；

图6是根据第二实施例的滚柱的视图；

图7是图6的正视图；和

图8是根据第二实施例的齿轮的视图。

具体实施方式

在图1和图2中，整体被标记为1的滚柱丝杆机构包括具有轴线X-X且设置有外螺纹4的螺杆2，绕着螺杆4被同轴安装的且设置有内螺纹8的螺母6，该内螺纹的内径大于外螺纹4的外径，以及被径向布置在螺杆2和螺母6之间的多个纵向滚柱1O。螺杆2通过螺母6的圆柱孔纵向延伸，内螺纹8形成在该螺母上。

详细在图3和图4中示出的滚柱1O彼此相同并且绕着螺杆2有规则地分布。每个滚柱1O都沿着与螺杆2的轴线X-X同轴的轴线X₁-X₁延伸，并且包括与螺杆2的螺纹4和螺母6的螺纹8啮合的外螺纹12。每个滚柱10的螺纹12都在每个端部处通过自身的多个齿14，16而轴向延伸，该多个齿通过向外延伸的圆柱螺栓18，19而轴向延伸。

机构1包括在图5中被详细图解的两个环形齿轮20，22，其被固定在螺母6的孔6a的无螺纹部分中并且每个都包括内齿24，26，该内齿分别啮合滚柱1O的齿14，16，以用于其同步。机构1还包括两个环形间隔环28，30，其每个都被径向安装在螺杆2的螺纹4和相关的齿轮20，22之间并且包括多个圆柱形贯通凹槽(未标记)，该凹槽在圆周方向上规则分布并且其内侧容纳滚柱10的螺栓18，19。间隔环28，30使得滚柱10能够被承载并且能够保持其规则的圆周间隔。

机构1进一步包括挡圈32，34，其每个都被安装在凹槽中，该凹槽被设置在相关的齿轮20，22的孔中并且被设置成以便轴向保持对应的间隔环28，30。

作为实例，滚柱1O的螺纹12和螺母6的螺纹8具有螺旋角，该螺旋角彼此相同并且与螺杆2的螺纹4的螺旋角不同，以致当螺杆2相对于螺母6旋转时，在没有在螺母6的内侧轴向移动的情况下，该滚柱10以自身旋转并且绕着螺杆2滚动。滚柱10平行于轴线X₁-X₁通过齿轮20，22的齿24，26被旋转地引导。螺杆2相对于滚柱1O轴向地或纵向地运动。

如在图3中所图解的，每个滚柱10的齿14，16的外径都小于或等于所述螺杆1O的外螺纹12的螺根的直径D。因此，每个滚柱10的齿14，16都没有设置外螺纹，这降低了被施加到齿轮20，22的齿24，26上的压力。

如在图4中所图解的，每个滚柱1O都包括具有多个齿轮齿15a的第一组齿14a和具有被重叠在第一组齿14a的多个齿轮齿15b的第二组齿14b，以致第二组齿14b的齿15b位于第一组齿14a的齿15a之间。

每个滚柱1O的每个齿15a，15b都在剖面中具有由第一和第二圆A1，A2的圆弧所限定的凹入轮廓曲线。

分别在第一组齿14a的两个相邻齿15a之间的空间17a具有由圆A1的圆弧所限定的凹入轮廓。分别在第二组齿14b的两个相邻齿15b之间的空间17b具有由圆A2的圆弧所限定的凹入轮廓。圆A1和A2具有相同的直径。

第一组齿14a和第二组齿14b的重叠生成了滚柱1O的齿14。

每个滚柱10的第一组齿14a的齿15a的数量等于第二组齿14b的齿15b的数量。第一组齿14a的五个齿15a的数量和第二组齿15b的五个齿15b的数量示出在图4中。因此，每个滚柱1O的齿14的总个数是十个。作为可选方案，每个滚柱1O的齿14的总个数可以大于十个，例如十二个。

限定齿轮廓的圆弧近似在图4a中以虚线所图解的内摆线曲线H1。

如下限定图4a中的内摆线：第一圆C1在圆C1上的点P1处相切较大直径的第二圆C2。当圆C1没有滑动地在圆C2内侧滚动时，点P1的路径生成在图4a中以虚线所表示的内摆线曲线H1。

通过等式能够限定内摆线H1：

$\left(\begin{array}{c}x\left(\mathrm{\θ}\right)=(R-r)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+r\sin \left(\frac{R-r}{r}\mathrm{\θ}\right)\\ y\left(\mathrm{\θ}\right)=(R-r)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-r\cos \left(\frac{R-r}{r}\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)$    (等式1)

其中：(x(θ)，y(θ))是内摆线曲线H1的点M的坐标，该坐标基于角度参数，比如θ∈[θ_min，θ_max]；

r，在较大圆C2之下滚动的圆C1的半径

R，较大圆C2的半径

根据齿的个数来限定半径r。

由于齿轮的齿顶半径和齿根半径是已知的，因此能够容易地计算θ_min和θ_max的值。

将等式(等式1)应用到滚柱1O的齿轮齿14，16或者齿轮20，22上，R是滚柱1O或螺母6的节圆半径。通过等式给出生成轮廓(内摆线)的半径或滚动圆：

r·N-2·R＝0   (等式2)

其中N是齿轮的齿的个数。

表示或者滚柱10的直齿轮14，16的或者齿轮20，22的轮廓的在先等式1能够通过替换半径R而被重写为下列形式(等式3)。

$\left(\begin{array}{c}x\left(\mathrm{\θ}\right)=r(N-1)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+r\sin \left[r(N-1)\mathrm{\θ}\right]\\ y\left(\mathrm{\θ}\right)=r(N-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-r\cos \left[r(N-1)\mathrm{\θ}\right]\end{array}\right)$    (等式3)

当设计端接(ending)行星齿轮时，必须满足下列关系等式(4)：

$\frac{N_2}{N_1}=\frac{R_{\mathrm{sn}}}{R_r}=n$    (等式4)

其中：n，螺杆2或螺母6的起点(start)的个数，

N₁，滚柱1O的直齿轮14，16的个数；

N₂，齿轮20，22的齿24，26的个数；

R_sn螺母6的内螺纹的节圆半径；

R_r，滚柱1O的外螺纹的节圆半径。

由于滚柱10的齿轮廓，每个滚柱10的每个齿的齿高可以等于零。齿高被限定为齿轮的齿突出超过节圆的高度。

滚柱1O的齿轮廓的齿高被包括在0.65和1之间。齿高被限定为在节圆和齿根圆之间的齿的高度。

在图5中仅仅详细地图解了环形齿轮中的一个环形齿轮20。

如在图5中所图解的，齿轮20包括具有多个齿轮齿25a的第一组齿24a和具有重叠在第一组齿24a上的多个齿轮齿25b的第二组齿24b，以便第二组齿24b的齿25b位于第一组齿24a的齿25a之间。在图5中的部分中以虚线显示了齿25a，25b。

第一组齿24a的每个齿25a具有由圆A1的圆弧所形成的凹入轮廓。第二组齿24b的每个齿25b具有由圆A2的圆弧所形成的凹入轮廓。圆A1和圆A2具有相同的直径。

第一组齿24a和第二组齿24b的重叠生成了齿轮20的齿24。

限定齿轮廓的圆弧近似如上面所解释的内摆线曲线。

由于滚柱1O的和齿轮20，22的各个齿14，24的特定的轮廓，所以滚柱1O的齿14与齿轮20的齿24的啮合是共轭的，并且在相关齿14，24之间的由内摆线所限定的接触部分增加了，这减少了滚柱10的和齿轮20，22的齿14，24的磨损。

在图6-8中所示的可选实施例中，其中相同的元件具有相同的标记，纵向滚柱40和齿轮50被设计成组装在图1的滚柱丝杆机构中。

在图6和图7中所详细图解的滚柱40彼此相同，并且绕着螺杆2有规则地分布。每个滚柱40都沿着与螺杆2的轴线X-X同轴的轴线X₁-X₁延伸，并且包括啮合螺杆2的螺纹4和螺母6的螺纹8的外螺纹42。每个滚柱40的螺纹42都在每个端部处通过自身的齿44，46而轴向延伸，该齿通过向外延伸的圆柱螺栓48，49而轴向延伸。间隔部分45，47被轴向设置在外螺纹42和每个齿44，46之间。作为可选方案，可以不设置间隔部分。

如在图6中所图解的，每个滚柱40的齿44，46的外径d都小于或等于所述滚柱40的外螺纹42的螺根的直径D。因此，每个滚柱40的齿44，46都没有设置外螺纹，这降低了被施加在图8中所示的齿轮50的齿52上的压力。

如在图7中所图解的，每个滚柱10都包括具有多个齿轮齿44a的一组齿44。每个滚柱40的每个齿44a在剖面中都具有由圆A3的圆弧所限定的凹入轮廓曲线。

在该实例中的齿44的个数等于八个。作为可选方案，每个滚柱1O的齿44a的个数可以大于八个。

限定齿轮廓的圆弧近似内摆线曲线(未图示)。如上面所解释的，当较小圆在没有滑动的情况下在较大圆的内侧滚动时，由第一圆的点的路径所限定的内摆线相切于较大直径的第二圆。

在图8中仅仅详细地图解了环形齿轮中的一个环形齿轮50。每个环形齿轮50都被设计成被固定在螺母6的孔6a的无螺纹部分中，并且包括分别啮合滚柱40的齿44，46的内齿52，以用于其同步。

如在图8中所图解的，齿轮50包括具有多个齿轮齿52a的一组齿52，该齿轮齿在剖面中每个都具有由圆A3的圆弧所限定的凸出轮廓曲线。限定齿轮廓的圆弧近似内摆线曲线(未图示)。

齿轮的硬度大致相似于滚柱的硬度。例如，齿轮由铝制成。

该凸-凹齿轮廓的使用使得将滚柱设计成直齿轮成为可能，不论滚柱的节距如何，该直齿轮的外径都小于螺纹的根直径。对于具有渐开线齿轮的大节距不能获得该情形。出于该原因，在滚柱的每个端部处能够避免在直齿轮的螺纹和齿之间的干涉。

而且，因此，齿的宽度从滚柱的直齿轮的齿根圆直径到外径是一致的，已知的渐开线齿轮廓不能获得该情形。因此，相比于具有在剖面上具有渐开线轮廓的齿的传统的滚柱，提供凸凹齿轮廓使得滚柱在齿轮上的接触表面能够被增加。与之前相比，负载被轴向分布在较大的表面上。

由于接触表面的几何形状，该轮廓的使用降低了在滚柱的直齿轮和齿轮二者上的压力。实际上，由于它们由在剖面上凹-凸齿轮廓构成，即用于直齿轮的凹入和用于齿轮的凸出，齿轮的配对表面配合接触。由于轴向负载的分布和最大压力量的降低，齿轮的接触主要是具有非常低磨损的滚动，这相比于渐开线轮廓而言导致了较长的寿命。

由于本发明，相比于具有渐开线的齿轮廓的齿轮，具有相同的齿数和较大的齿面宽度的齿轮能够抵抗更多的约束(binding)和压力。

而且，内摆线轮廓的使用为滚柱的制造过程提供了更多的便利，这是因为它允许将滚柱的螺纹长度仅仅减少到它的有用长度。

实际上，能够通过滚压或者甚至直接在热处理材料上实现螺纹的加工，事实是已知的渐开线齿轮加工不可能是这样的。

在操作中，因此在力的传递期间，由每个滚柱的在对应的齿轮的螺纹面上的齿的螺纹面所施加的接触压力被分布在较大的表面上。因此，由于在每个齿宽度上的减少，增加了硬度。

由于滚柱的齿轮廓和齿轮的齿轮廓，滚柱丝杆机构的负载能力被增加了并且齿轮的磨损减少了。实际上，在滚柱的外螺纹的螺纹加工期间滚柱的齿不必被加工螺纹。

Claims (10)

1.滚柱丝杆机构，其设置有包括外螺纹(4)的螺杆(2)，围绕且同轴于所述螺杆(2)的螺母(6)，所述螺母(6)包括内螺纹(8)，被安装在螺母(6)的无螺纹部分上的两个齿轮(20，22，50)，每个齿轮(20，22，50)包括具有多个内齿(25a，52a)的第一组齿(24，26，52)，以及径向位于螺杆(2)和螺母(6)之间的多个滚柱(1O，40)，每个滚柱(10，40)包括设计用于啮合所述螺杆(2)的外螺纹(4)和所述螺母(6)的内螺纹(4，8)的外螺纹(12，42)，并且轴向地在每个端部处第一组齿(14a，44)都具有设计用于啮合齿轮(20，22)的内齿轮齿(25a，52a)的多个齿轮齿(15a，44a)，其特征在于，每个滚柱(1O，40)的齿轮齿(14a，44a)的外径(d)都小于或等于所述滚柱(1O，40)的外螺纹(12，42)的螺纹牙底的直径(D)。

2.根据权利要求1所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，每个滚柱(1O)包括具有重叠在第一组齿(14a)上的多个齿轮齿(15b)的第二组齿(14b)，以致第二组齿(14b)的齿(15b)位于第一组齿(14b)的齿(15a)之间，并且每个齿轮(20，22)包括具有重叠在第一组齿(24a)上的多个齿轮齿(25b)的第二组齿(24b)，以致第二组齿(24b)的齿(25b)位于第一组齿(24a)的齿(25a)之间。

3.根据权利要求1或2所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，每个滚柱(10，40)的每个齿(15a，15b，44a)在剖面上都具有凹入轮廓曲线，并且每个齿轮(20，22，50)的每个齿(25a，25b，52a)在剖面上都具有凸出轮廓曲线。

4.根据权利要求3所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，由圆弧限定齿轮廓曲线。

5.根据权利要求3所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，由内摆线曲线来限定齿轮廓曲线。

6.根据权利要求5所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，每个滚柱(10，40)的每个凹入齿的与相关的齿轮(20，22，50)的凸出齿相接触的部分在剖面上具有内摆线曲线。

7.根据前述权利要求中任一项所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，每个滚柱(10，40)的每个齿的齿高等于零。

8.根据前述权利要求中任一项所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，每个滚柱(10，40)在每个端部处都包括圆柱螺栓(18，19，48，49)，该圆柱螺栓从滚柱(1O，40)的齿(44，46，14，16)轴向延伸，并且被设计用于装配在圆柱形的贯通凹槽的内侧，该凹槽被设置在环形间隔环(28，30)上，该间隔环被径向地安装在螺杆(2)的螺纹(4)和相关的齿轮(20，22，50)之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的滚柱丝杆机构，其特征在于，齿轮(20，22，50)的硬度大致相似于滚柱(10，40)的硬度。

10.一种致动器，其包括旋转装置和根据前述权利要求中任一项所述的滚柱丝杆机构(1)，该滚柱丝杆机构的螺杆(2)与旋转装置结合。