CN104675947B - 一种行星滚柱丝杠及其载荷均布方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行星滚柱丝杠，属于滚柱丝杠制造领域，所述行星滚柱丝杠包括螺母、丝杆以及多个滚柱，所述丝杆位于所述螺母的内部，且与所述螺母同轴设置，所述螺母的内表面上或所述丝杆的外表面上的啮合区域内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙，所述修正螺牙的螺距的修正值与所述修正螺牙所承受的载荷正相关。本发明还公开了一种载荷均布方法，根据所述啮合区域内的每个螺牙所承受的载荷大小对所述啮合区域内的一部分或全部的所述螺牙的螺距进行修正，得到修正螺牙。本发明提供的行星滚柱丝杠其整体体积不变的情况下，承载能力更为突出，适用于在对滚柱丝杠要求较为苛刻的环境下使用。

Description

一种行星滚柱丝杠及其载荷均布方法

技术领域

本发明涉及滚柱丝杠制造领域，尤其涉及一种行星滚柱丝杠以及用于上述行星滚柱丝杠的载荷均布方法。

背景技术

行星滚柱丝杠是一种将旋转运动转化为直线运动的机构，常用于数控加工、航天机电等领域，例如：用于机电动作器。

由于而今对机电动作器占用空间及输出力的要求越来越苛刻，这就要求作为关键传动部件的滚柱丝杠不仅有更小的导程，而且具有高于普通承载指标的承载能力，故若采用普通的滚柱丝杠作为机电动作器的传动部件，极易出现啮合螺牙端部脱落现象，从而导致滚柱丝杠的传动失效。

究其原因，这是由于啮合区域的螺纹段端部的几个螺牙承受了大部分的载荷，如图8所示，位于啮合区域两端的A区域和B区域是普通螺纹啮合的主要承载区域，而位于啮合区域中部的C区域内的螺牙的承载却很小，这种承载差异过大时的失效形式是端部脱扣。另外，在滚柱丝杠的导程较大时，由于每个螺牙相对较粗，单个螺牙的承载能力较强，即使有部分螺牙承载不均，也难以导致明显失效。而随着导程的减少，单个螺牙比较薄，受较大外力时易发生形变，从而出现脱扣，且由于位于啮合区域两端的A区域和B区域的螺牙承载较大，故脱扣现象一般从端部开始，然后类似多米诺骨牌效应向啮合区域中部的C区域延伸。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出了一种行星滚柱丝杠，其整体体积不变的情况下，承载能力更为突出，适用于在对滚柱丝杠要求较为苛刻的环境下使用。

本发明还要解决的技术问题在于提出一种滚柱丝杠的载荷均布方法，能够使得行星滚柱丝杠满载时各个螺牙之间的载荷分布更加均匀，降低啮合区域端部的承载，有效避免螺牙的失效，从而提高滚柱丝杠的承载能力。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种行星滚柱丝杠，包括螺母、丝杆以及多个滚柱，所述丝杆位于所述螺母的内部，且与所述螺母同轴设置，多个所述滚柱均位于所述丝杆和所述螺母之间，且相对于所述丝杆和所述螺母旋转运动，所述螺母的内表面上或所述丝杆的外表面上的啮合区域内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙，所述修正螺牙的螺距的修正值与所述修正螺牙所承受的载荷正相关。

本发明的优选技术方案：所述修正螺牙位于所述啮合区域的两端端部处。

本发明的优选技术方案：还包括位于所述滚柱两端的挡圈和保持架，所述滚柱通过所述挡圈和所述保持架固定在所述丝杆上，所述丝杆上的第一啮合区域内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙。

本发明的优选技术方案：从所述第一啮合区域的端部到所述第一啮合区域的中部，所述修正螺牙的修正值逐渐变小。

本发明的优选技术方案：还包括位于所述滚柱两端的挡圈和保持架，所述滚柱通过所述挡圈和所述保持架固定在所述螺母上，所述螺母上的第二啮合区域内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙。

本发明的优选技术方案：从所述第二啮合区域的端部到所述第二啮合区域的中部，所述修正螺牙的修正值逐渐变小。

本发明还提供了一种用于上述行星滚柱丝杠的载荷均布方法，所述行星滚柱丝杠上具有至少一个的啮合区域，所述载荷均布方法如下：

根据所述啮合区域内的每个螺牙所承受的载荷大小对所述啮合区域内的一部分或全部的所述螺牙的螺距进行修正，得到修正螺牙。

本发明的进一步技术方案：

S00：检测或计算所述啮合区域内的每个所述螺牙所承受的载荷大小F_n。

S10：根据每个所述螺牙各自所承受的载荷大小F_n计算每个所述螺牙各自的累计变形量△l_n。

S20：根据每个所述螺牙各自的累计变形量△l_n对每个所述螺牙各自的螺距进行修正，得到修正螺牙(10)，修正公式如下：

l_n*＝l_n+△l_n

其中，l_n*为修正后的螺距值，l_n为修正前的螺距值，△l_n为累计变形量。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种行星滚柱丝杠，具有修正螺牙，该修正螺牙是通过计算仿真得到啮合区域各个螺牙的变形量，然后根据各个螺牙的变形量修正各个螺牙的螺距设计尺寸而得到的，对螺距进行修正后，会使得螺母和丝杆啮合时，啮合区域中部的螺牙先接触发生啮合，然后随着载荷的逐渐增大，位于两端的螺牙也逐渐啮合，这个过程中，位于中部的螺牙由于先接触先承载，故可为位于两端的螺牙分担一部分载荷，从而使得各个螺牙之间的载荷分布更具均匀，提高滚柱丝杠整体的承载能力。

另外，由于螺距的修正值十分微小，故可以利用加工设备的加工误差调整更改螺距，使得螺距的误差累计与均载需要的螺距变化一致，而无需增加其他加工工序或其他设备完成螺距的修正。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的行星滚柱丝杠的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的未修正螺距的行星滚柱丝杠的局部图；

图3是本发明具体实施方式提供的未修正螺距的行星滚柱丝杠的受力分析图；

图4是本发明具体实施方式提供的未修正螺距的啮合区域的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的未修正螺距的啮合区域的载荷分布图；

图6是本发明具体实施方式提供的修正螺距的啮合区域的结构示意图；

图7是本发明具体实施方式提供的修正螺距的啮合区域的载荷分布图；

图8是现有技术提供的啮合区域的结构示意图。

图中：

1、螺母；2、丝杆；3、滚柱；61、第一啮合区域；62、第二啮合区域；4、挡圈；5、保持架；6、啮合区域；10、修正螺牙。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1、图6以及图7所示，本实施例中提供的一种行星滚柱丝杠，其包括丝杆2、螺母1、两个挡圈4、两个保持架5以及三个以上的滚柱3，丝杆2位于螺母1的内部，且与螺母1同轴设置，三个以上的滚柱3均位于丝杆2和螺母1之间，且相对于丝杆2和螺母1旋转运动。一个挡圈4和一个保持架5位于滚柱3的左端，另一个挡圈4和另一个保持架5位于滚柱3的右端。

螺母1的内表面上或丝杆处的外表面上的啮合区域内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙10，修正螺牙10是指螺距和中径被修正过的螺牙，修正螺牙10的螺距的修正值与所述修正螺牙10所承受的载荷正相关。

优选的，修正螺牙10位于啮合区域6的两端端部处，这是由于对于行星滚珠丝杠，通常啮合区域6的两端承受的载荷大，在承载螺纹的加工过程中，通常是螺纹段的承载越大，修正螺牙10的修正值也越大，使得承载较大的螺牙所承受的载荷被其他螺牙分担，从而实现均载。另外，由于螺距的修正值十分微小，故可以利用加工设备的加工误差调整更改螺距，加工方便。

进一步的，对于行星滚柱丝杆，当滚柱3通过挡圈4和保持架5固定在丝杆2上时，丝杆2的第一啮合区域61内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙10，此时螺母1采用标准形式，也即不进行螺距调整的普通形式。换言之，对于相啮合的两组螺牙，通常仅对其中的一组螺牙进行修正处理。

进一步优选的，由于第一啮合区域61端部的承载较大，故从第一啮合区域61的端部到第一啮合区域61的中部，修正螺牙10的修正值逐渐变小，换言之，承载较大螺牙，其螺距的修正值也大。

当滚柱3通过挡圈4和保持架5固定在螺母1上时，螺母1上的第二啮合区域62内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙10。此时丝杆2采用标准形式，也即不进行螺距调整的普通形式。

进一步优选的，由于第二啮合区域62端部的承载较大，故从第二啮合区域的端部到第二啮合区域62的中部，修正螺牙10的修正值逐渐变小，同样，承载较大螺牙，其螺距的修正值也大。

实施例二

如图1、图6及图7所示，本实施例中提供的一种用于实施例一中的行星滚柱丝杠的载荷均布方法，行星滚珠丝杠上具有两个啮合区域6，载荷均布方法按如下方式实施：

根据啮合区域6内的每个螺牙所承受的载荷大小对啮合区域6内的一部分或全部的螺牙的螺距进行修正，得到修正螺牙10。

通常仅对啮合区域6两端的部分螺牙的螺距进行修正，这是因为根据有限元分析或者实际计算的结果可知位于啮合区域6两端的螺牙所承受的载荷远远大于位于啮合区域6中部的螺牙所承受的载荷。

对螺距进行修正后，会使得螺母1和丝杆2啮合时，啮合区域中部的螺牙先接触发生啮合，然后随着载荷的逐渐增大，位于两端的螺牙也逐渐啮合，这个过程中，位于中部的螺牙由于先接触先承载，故可为位于两端的螺牙分担一部分载荷，从而使得各个螺牙之间的载荷分布更具均匀，从而滚柱丝杠整体的承载情况，提高承载能力。

如图2和图3所示，下面对螺距修正的方法进行说明，以丝杆2承受横向载荷为例，具体实施步骤如下：

S00：首先检测或计算未调整螺距中经的普通螺纹形式的滚柱丝杠的受力情况，从而得到啮合区域6内的每个所述螺牙所承受的载荷大小F_n。

现已计算为例，根据图2的各个螺牙的受力情况进行分析，得到受力分析图3。对图3中的螺牙进行受力分析，建立力平衡方程。

以啮合区域6正中间的螺牙作为基点，对正中间的螺牙两端的螺牙进行编号，编号依次为n、n-1…2、1、2、3…n-1、n，参见图5和图7。也即已正中间的螺牙作为基点，往啮合区域6两端编号依次增大，且左右对称。

对于第n个螺牙，建立力平衡方程如下：

F_n.x＝F_n.1+F_n.3*cosα＝F_n.2+F_n.4*cosα

F_n.y＝F_n.3*sinα＝F_n.4*sinα

其中，F_n.2＝F_n-1.1

F_n.x+F_n-1.x+...F_2.x+F_1.x＝F

F_n.x＝F_n-1.x＝...F_2.x＝F_1.x为迭代求解初始条件

S10：根据每个螺牙各自所承受的载荷大小计算每个螺牙各自的累计变形量△l_n.x。实际计算中，根据材料力学中应变与应力的关系公式计算，应力与应变的关系公式如下：

其中，△l_n为第n个螺牙受其载荷的作用产生的轴向方向的变形量；l_n为第n个螺牙的厚度；E为滚柱3或丝杆2材料的弹性模量；滚柱3或丝杆2的公称直径为D,则横截面积为A＝π/4*D²。

根据上述公式可以计算出第n个螺牙的累计变形量。

△l_n.x＝△l_n+△l_n-1+△l_n-2+...+△l₂+△l₁

S20：根据每个螺牙各自的累计变形量△l_n对每个螺牙各自的螺距进行修正，得到修正螺牙10，修正公式如下：

l_n*＝l_n+△l_n。_x

其中，l_n*为修正后的螺距值；l_n为第n个螺牙的厚度，也即修正前的螺距值；△l_n为累计变形量。

从上述记载中可以，由于螺牙螺距是通过累计变形量△l_n进行修正的，而累计变形量△l_n是一个逐渐累加过程，故在啮合区域6的两端会形成渐变的螺纹段，这种渐变的螺纹段能有效降低啮合区域6的两端螺牙所承受的载荷。

如图4、图5、图6以及图7所示，分别是本实施例中未修正螺距的啮合区域的结构示意图、未修正螺距的啮合区域的载荷分布图、修正螺距的啮合区域的结构示意图以及修正螺距的啮合区域的载荷分布图，其中图5和图7可以通过受力计算或者有限元分析得到。从图中可以看出，经过本申请提供的滚柱丝杠的载荷均布方法调整后滚珠丝杠，其各个螺牙之间不均载的情况得到了明显的缓解，提高了滚柱丝杆整体的承载能力。

进一步的，对于行星滚珠丝杠一般具有两个啮合区域6，分别为第一啮合区域61和第二啮合区域62。其中，第一啮合区域61位于螺母1的内表面上，第二啮合区域62位于丝杆2的外表面上。

当需要对螺母1上的第一啮合区域61内的螺距进行调整时，可以根据第一啮合区域61内的每个螺牙所承受的载荷大小对第一啮合区域61内的一部分或全部的螺牙的螺距进行修正。

当需要对丝杆2上的第二啮合区域62内的螺距进行调整时，可以根据第二啮合区域62内的每个螺牙所承受的载荷大小对第二啮合区域62内的一部分或全部的螺牙的螺距进行修正。

具体使用时，假设丝杆2的螺距为0.4mm，啮合区域6的长度为40mm，有100个啮合螺牙，满载承载力为50kN。基于以上的条件，若要各个螺牙实现理想的均载，则各个螺牙的承载载荷为500N。但是经过迭代计算及仿真分析，得到螺纹端部第一个螺牙的承载力大于1000N，中间螺牙的承载力小于500N，载荷力的分布极不匀称。故利用实施例一中的方法对丝杆2的螺距进行调整，得到啮合区域6端部第一个螺牙螺距修形量为5μm，第二个螺牙的修形量为4μm，第三个螺牙的修形量为3μm，第四个螺牙的修形量为2μm，第五个螺牙的修形量为1μm，对啮合区域6两端的螺牙做相同的处理，而啮合区域6中间的剩余螺牙的螺距不变，同样是满载的情况下，位于啮合区域6端部的第一个螺牙的承载力下降为700N左右，故各个螺牙之间载荷的不均匀性大幅度的降低，提高了滚柱丝杆整体的承载能力。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种行星滚柱丝杠，包括螺母(1)、丝杆(2)以及多个滚柱(3)，所述丝杆(2)位于所述螺母(1)的内部，且与所述螺母(1)同轴设置，多个所述滚柱(3)均位于所述丝杆(2)和所述螺母(1)之间，且相对于所述丝杆(2)和所述螺母(1)旋转运动，其特征在于：

所述螺母(1)的内表面上或所述丝杆(2)的外表面上的啮合区域(6)内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙(10)，所述修正螺牙(10)的螺距的修正值与所述修正螺牙(10)所承受的载荷正相关。

2.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠，其特征在于：

在所述啮合区域(6)内的一部分的螺牙为修正螺牙(10)情况下，所述修正螺牙(10)位于所述啮合区域(6)的两端端部处。

3.根据权利要求1或2所述的行星滚柱丝杠，其特征在于：

还包括位于所述滚柱(3)两端的挡圈(4)和保持架(5)；

所述滚柱(3)通过所述挡圈(4)和所述保持架(5)固定在所述丝杆(2)上；

所述螺母(1)上的第一啮合区域(61)内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙(10)。

4.根据权利要求3所述的行星滚柱丝杠，其特征在于：

从所述第一啮合区域(61)的端部到所述第一啮合区域(61)的中部，所述修正螺牙(10)的修正值逐渐变小。

5.根据权利要求1或2所述的行星滚柱丝杠，其特征在于：

还包括位于所述滚柱(3)两端的挡圈(4)和保持架(5)；

所述滚柱(3)通过所述挡圈(4)和所述保持架(5)固定在所述螺母(1)上；

所述丝杆(2)上的第二啮合区域(62)内的一部分或全部的螺牙为修正螺牙(10)。

6.根据权利要求5所述的行星滚柱丝杠，其特征在于：

从所述第二啮合区域的端部到所述第二啮合区域(62)的中部，所述修正螺牙(10)的修正值逐渐变小。

7.一种用于权利要求1-6任一项所述的行星滚柱丝杠的载荷均布方法，所述行星滚柱丝杠上具有至少一个的啮合区域(6)，其特征在于，所述载荷均布方法如下：

根据所述啮合区域(6)内的每个螺牙所承受的载荷大小对所述啮合区域(6)内的一部分或全部的所述螺牙的螺距进行修正，得到修正螺牙(10)。

8.根据权利要求7所述的载荷均布方法，其特征在于，所述螺距修正的方法按如下步骤实施：

S00：检测或计算所述啮合区域(6)内的每个所述螺牙所承受的载荷大小F_n；

S10：根据每个所述螺牙各自所承受的载荷大小F_n计算每个所述螺牙各自的累计变形量Δl_n；

S20：根据每个所述螺牙各自的累计变形量Δl_n对每个所述螺牙各自的螺距进行修正，得到修正螺牙(10)，修正公式如下：

l_n*＝l_n+Δl_n

其中，l_n*为修正后的螺距值，l_n为修正前的螺距值，Δl_n为累计变形量。