CN105465314B - 滚柱丝杠机构及相关制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种滚柱丝杠机构，包括：螺杆12，其包括外螺纹14；螺母16，其围绕所述螺杆设置并且与之同轴，所述螺母包括内螺纹18；以及多个滚柱20，它们沿径向设置在所述螺杆和螺母之间，并且分别设置有与所述螺杆的外螺纹14和所述螺母的内螺纹18接合且具有两个外齿轮齿24、26的外螺纹22。所述机构还包括分别与所述滚柱的齿轮齿24、26之一接合的两个同步齿轮齿44、46。每个滚柱的每个齿轮齿24、26的外径小于所述滚柱的螺纹的根部的直径。滚柱的所述齿轮齿24、26的每个齿包括与所述同步齿轮齿44、46接合的平坦表面。

Description

滚柱丝杠机构及相关制造方法
技术领域
本发明涉及滚柱丝杠机构的领域，用于将旋转运动转换为直线平移运动，反之亦然。
背景技术
这样的机构设置有包括外螺纹的螺杆、围绕该螺杆设置并且包括内螺纹的螺母、以及多个纵向滚柱，这些滚柱具有与螺杆的外螺纹和螺母的内螺纹接合的外螺纹。
在第一类型的滚柱丝杠机构中，滚柱的螺纹和螺母的螺纹具有彼此相同的螺旋角，并且不同于螺杆螺纹的螺旋角，使得当螺杆相对于螺母旋转时，滚柱自己旋转并且围绕螺杆滚动，而不会在螺母内轴向移动。滚柱通过环齿轮被引导成旋转地平行于螺杆的轴线，环齿轮装配在螺母的非螺纹部分中，并且包括与所述滚柱的外齿轮齿接合的内同步齿轮齿。这种机构被称为行星滚柱丝杠。
第二类型的滚柱丝杠机构具有类似的工作原理，但是相差倒置的设置。滚柱的、螺杆的以及螺母的螺纹的螺旋角被选择成使得当螺杆相对于螺母旋转时，滚柱绕着螺杆自己旋转并且在螺母中轴向移动。滚柱由外同步齿轮齿旋转地引导，所述外同步齿轮齿形成在螺杆上并且与所述滚柱的齿轮齿接合。这种机构被称为倒置的滚柱丝杠。
由于这些机构的当前设计，在之所以被进行以便形成每个滚柱的外螺纹的加工操作过程中，螺纹切削工具切割在所述滚柱的每个端部先前加工的外齿轮齿。螺纹因此也存在于每个滚柱的齿轮齿上，一般在被提供用于传输力并且位于所述齿的头部半径和间隙半径之间的齿轮齿的有用区域中。
在力的此传输期间，给定的是在滚柱的齿轮齿上存在这些螺纹，由所述齿轮齿施加在设置在螺母上或者在螺杆上的同步齿轮齿上的接触压力在滚柱的齿轮齿的有用区域中相对较高。这将导致过早磨损到同步齿轮齿。
此外，给定的是轮廓是以每个滚柱的齿轮齿的圆的渐开线的形式，这些齿轮齿通常通过铣削制备。这使得有必要沿轴向在滚柱的每个齿轮齿与外螺纹之间为轴向作用铣刀提供相对较大的间隙。每个间隙的轴向尺寸直接连接到铣刀的半径。对于给定长度的滚柱来说，形成在每个端部的该间隙限制了可以设置在滚柱上的外螺纹的长度且因此相关机构的承载能力和径向与轴向刚性。此外，由于采用以圆的渐开线的形式的轮廓，在每个滚柱的齿轮齿上存在尖锐的边缘。在操作中，这还有助于在设置于螺母上或者在螺杆上的同步齿轮齿上创建高接触压力于滚柱齿轮齿的有用区域中。
发明内容
本发明的目的是克服这些缺点。
更具体地说，本发明的目的是提供一种具有增加的使用寿命的滚柱丝杠机构，并且其中对于给定的轴向尺寸来说承载能力得到增加。
本发明还试图提供一种具有适于所述机构的各种节距的设计的滚柱丝杠机构。
在一个实施例中，所述滚柱丝杠机构包括：螺杆，其包括外螺纹；螺母，其围绕所述螺杆设置并且与之同轴，所述螺母包括内螺纹；以及多个滚柱，它们沿径向设置在所述螺杆和螺母之间，并且分别设置有与所述螺杆的外螺纹和所述螺母的内螺纹接合且具有两个外齿轮齿的外螺纹。
所述机构还包括分别与所述滚柱的齿轮齿之一接合的两个同步齿轮齿。每个滚柱的每个齿轮齿的外径小于所述滚柱的螺纹的根部的直径。滚柱的所述齿轮齿的每个齿包括与所述同步齿轮齿接合的平坦面。
有利地，所述滚柱的齿轮齿的每个齿包括在所述齿的每个平坦面与顶部之间的连接半径。
优选地，所述同步齿轮齿的每个齿包括侧面，所述侧面在横截面中具有与所述滚柱的齿轮齿的齿的平坦面接合的凸形轮廓。
有利地，所述滚柱的齿轮齿的每个齿的平坦面相对于穿过所述滚柱的伸长轴线的所述齿的中间径向平面彼此对称。每个滚柱的齿轮齿的相邻齿的周向相对的平坦面由凹形底部连接在一起。
在一个实施例中，每个滚柱包括沿轴向位于所述螺纹与每个齿轮齿之间的凹槽。
在一个实施例中，所述机构包括固定到所述螺母并且每个包括所述同步齿轮齿之一的环齿轮。可替代地，所述同步齿轮齿可以形成在所述螺母上。
在另一实施例中，所述同步齿轮齿形成在所述螺杆上。可替代地，所述机构可以包括固定到所述螺杆并且每个包括所述同步齿轮齿之一的环齿轮。
本发明还涉及一种致动缸，包括用于旋转驱动的驱动装置和如上所述的滚柱丝杠机构，所述机构的螺杆联接到所述驱动装置。
本发明还涉及一种制造包括外螺纹和沿轴向设置在所述螺纹的任一侧上的两个外齿轮齿的滚柱丝杠机构的滚柱的方法。所述方法包括以下步骤：借助于至少一个径向作用工具去除材料以便形成所述外齿轮齿，使得每个齿轮齿的外径小于所述外螺纹的根部的直径，以及所述齿轮齿的每个齿包括平坦面。
根据实现的一种方法，去除材料以便形成所述滚柱的外齿轮齿的步骤与去除材料以便形成所述滚柱的外螺纹的步骤同时进行。有利地，去除材料以便形成所述外齿轮齿和/或形成所述外螺纹的步骤通过轧制进行。
附图说明
通过阅读多个实施例的详细描述，本发明将得到更好的理解，这些实施例通过完全非限制性的示例给出并且通过附图示出，其中：
-图1是根据本发明第一示例性实施例的滚柱丝杠机构的轴向截面图，
-图2是图1中机构的滚柱的半轴向截面图，
-图3是图2中的线III-III上的截面图，
-图4是图3的细节视图，
-图5是图1中机构的环齿轮的细节视图，以及
-图6和图7是根据本发明第二和第三示例性实施例的滚柱丝杠机构的轴向截面图。
具体实施方式
在图1中，行星滚柱丝杠机构10包括：螺杆12(轴线12a)，其设置有外螺纹14；螺母16，其围绕螺杆12同轴安装并且设置有内螺纹18，该螺纹的内径大于螺纹14的外径；以及多个纵向滚柱20，沿径向设置在螺杆和螺母之间。螺杆12沿纵向延伸通过螺母16的圆筒形孔，其上形成有内螺纹18。
滚柱20彼此相同，并且围绕螺杆12规则分布。每个滚柱20沿着平行于螺杆的轴线12a的轴线20a延伸，并且包括与螺杆的螺纹14和螺母的螺纹18接合的外螺纹22。
如图2更清楚地所示，每个滚柱20在每个端部包括外齿轮齿24、26和从该齿轮齿朝向外侧轴向延伸的圆筒形轴颈28、30。齿轮齿24、26沿轴向设置在外螺纹22的任一侧上。齿轮齿24、26彼此相同。每个滚柱20还包括环形的外凹槽32、34，沿轴向形成在螺纹22与每个齿轮齿24、26之间。螺纹22沿轴向位于凹槽32、34之间。每个齿轮齿24、26由相关凹槽32、34和相应的轴颈28、30沿轴向限制。如下面更加详细地描述，每个滚柱的每个齿轮齿24、26的外径小于螺纹22的根部的直径D。
再次参照图1，机构10还包括两个环形环齿轮40、42，它们分别固定在螺母16的孔的无螺纹部分中并且每个都包括分别与滚柱的齿轮齿24、26接合用于它们同步的内齿轮齿44、46。每个环齿轮40、42以沿轴向抵靠着螺母16的径向台肩的方式被安装，该台肩形成在所述螺母的内螺纹18与孔的相关无螺纹部分之间。环齿轮40、42彼此相同。
机构10还包括两个环形环48、50，它们分别沿径向安装在螺杆的螺纹14与相关的环齿轮40、42之间。每个环48、50以相对于所述环在圆周方向上自由安装的方式沿轴向安装在相关环齿轮40、42的孔(未作标记)中。每个环48、50包括多个圆筒形通腔(未作标记)，它们在圆周方向上规则地分布且滚柱的轴颈28、30容纳在其内部。环48、50支承滚柱20，并且在其间保持规则的周向间距。机构10还包括保持环52、54，它们分别安装在形成于相关环齿轮40、42的孔中的凹槽(未作标记)中，并且旨在轴向地保持相应的环48、50。
再次参照图2，每个滚柱的齿轮齿24、26分别包括多个径向齿60、62，它们彼此相同并且在圆周方向上以规则的方式彼此间隔开。齿60、62沿轴向延伸。由于每个滚柱20的齿轮齿是相同的，所以本文仅描述齿轮齿24。
如图3更清楚地所示，齿轮齿24的每个齿60包括两个相对的平面支承侧面或面60a、60b和连接所述面的大直径端部的顶部60c。在所示的示例性实施例中，每个齿的顶部60c是平的。面60a、60b在圆周方向上限制相关的齿。每个齿的面60a、60b在横截面中具有直线轮廓。每个齿的面60a、60b相对于在两个相反的方向上穿过滚柱轴线20a的所述齿的中间平面P是倾斜的。在所示的示例性实施例中，在考虑到中间平面P时，每个齿的面60a、60b彼此对称。每个齿60在横截面中具有梯形轮廓。一个齿的面60a沿周向相对于紧邻齿的面60b，所述面由凹底60d连接在一起。在所示的示例性实施例中，齿60的数量等于10。可替代地，可以提供不同的偶数或奇数数量的齿。
如在图4中更清楚地所示，齿轮齿24的每个齿60包括设置在每个面60a、60b和相关顶部60c之间的连接半径60e。每个连接半径60e是凸的。每个具有平面形状的面60a、60b的设计使得能够将连接半径60e设置在每个所述面与齿的顶部60c之间。因此避免在齿60上存在尖锐的边缘。这使得能够避免过早磨损到环齿轮的同步齿轮齿44、46。
再次参照图3，齿轮齿24的外径da对应于穿过齿顶部60c的圆。这也被称为头部直径。如上所述，每个滚柱的齿轮齿24的该外径da小于螺纹22的根部的直径D(图2)。
采用每个滚柱的每个齿轮齿24、26的外径da与所述滚柱的螺纹22的根部的直径D之间的这样的比例，没有螺纹在为了加工螺纹22所进行的移除材料的操作过程中形成于这些齿轮齿中的每个上。这使得有可能避免过早磨损到环齿轮的同步齿轮齿44、46。
此外，具有相对平坦面的每个滚柱的齿轮齿24、26的齿60、62的设计使得能够在考虑到滚柱的轴线20a时使用径向作用的工具通过在材料的径向方向上的变形来形成这些齿。齿轮齿24、26可以有利地通过轧制而形成。使用径向作用的工具来形成每个滚柱的齿轮齿24、26是特别有利的，因为没有必要为滚柱的每个齿轮齿24、26和相关的螺纹22之间的工具提供轴向间隙。
对于每个滚柱20来说，将每个齿轮齿24、26与相关螺纹22分开的轴向距离因此可以得到减小。对于给定长度的滚柱20来说，螺纹22的长度因此可以得到增加。这使得有可能增加承载能力，且对于给定的轴向尺寸来说同样增加机构10的轴向和径向刚性。
在所示的示例性实施例中，提供了沿轴向位于螺纹22与每个齿轮齿24、26之间的凹槽32、34，以便允许在通过径向作用工具来去除材料的步骤过程中镦锻材料。每个凹槽32、34可以具有不同的形状或者具有较小的轴向尺寸，以便能够进一步增加螺纹22的长度。
有利地，可以由两个不同的工具或者由单个工具同时进行去除材料的步骤，以便形成每个滚柱的两个齿轮齿24、26。还可以提供采用机加工操作来同时进行这些步骤，其被提供为了获取螺纹22并且还可以通过径向轧制而进行。
此外，齿60、62的面的平面形状使得能够在每个滚柱上获得适于多种节距甚至适于相对较大节距的齿轮齿24、26。借助于齿60和62的面的该平面形状，能够维持小于螺纹22的根部的直径D的滚柱的齿轮齿24、26的外径da独立于滚柱的节距的值。这对于以用于所有可能节距的圆的渐开线形式的滚柱齿轮齿的常规轮廓是不可行的。
如上所述，环齿轮40、42的同步齿轮齿44、46彼此相同。下面仅对齿轮齿44进行详细说明。如图5所示，同步齿轮齿44包括彼此相同且在圆周方向上以规则方式彼此间隔开的多个径向齿64。齿64沿轴向延伸，并且沿径向被引导朝向内侧。每个齿64包括两个相对的凸支承侧面64a、64b和连接所述侧面的大直径端部的顶部64c。在所示的示例性实施例中，每个齿的顶部64c是以半径的形式。侧面64a、64b在圆周方向上限制相关的齿。每个齿的每个侧面64a、64b在横截面中具有凸形轮廓。两个连续的齿64在圆周方向上由底部64d连接在一起。
在所示的示例性实施例中，每个侧面64a在横截面中具有由第一内摆线形成的凸形轮廓，每个侧面64b具有由第二内摆线形成的凸形轮廓。在考虑到穿过环齿轮的轴线的每个齿64的中间平面时，第一和第二内摆线彼此对称。作为变型，可以向环齿轮40提供齿64，该齿的每一个都具有在考虑到所述齿的中间平面时由横截面中圆的两个对称弧形成的凸形轮廓。
在操作中，环齿轮40的同步齿轮齿44的齿的横向侧面64a、64b与滚柱的齿轮齿24的齿的侧面60a、60b接触接合。以相同的方式，环齿轮42的齿轮齿46的齿的凸形形状的侧面在圆周方向上抵靠着滚柱的齿轮齿26的齿的平坦面。
在力的传递过程中，滚柱的齿轮齿24、26的齿的平坦面趋于在与环齿轮的同步齿轮齿44、46的齿的凸形侧面的接触点局部变形。在负载下，滚柱的齿轮齿24、26的齿的面因此可以局部地在横截面中具有略微凹形轮廓。在负荷下的这种变形过程中，共轭轮廓被获得在滚柱的齿轮齿24、26与环齿轮的同步齿轮齿44、46之间。这使得有可能增加滚柱20与环齿轮40、42的齿轮齿之间的接触面积，并且减少滑动和磨损。此外，在滚柱的齿轮齿24、26的每个齿上设置连接半径使得能够在滚柱的每个齿60、62与相关环齿轮40、42的接合齿啮合的端部进一步减少磨损。
在所示的第一例子中，每个同步齿轮齿44、46形成在相关的环齿轮40、42上，其本身连接并固定到螺母16。图6所示的示例性实施例(其中相同的元件具有相同的附图标记)仅与该第一例子的不同之处在于，同步齿轮齿44、46直接形成在螺母16上。机构10没有固定至螺母16的任何环齿轮。
在所示的前两个例子中，本发明是基于行星滚柱丝杠机构而示出的。图7所示的示例性实施例(其中相同的元件具有相同的附图标记)仅区别在于机构10是倒置的滚柱丝杠型。滚柱20的设计与上述实施例是严格相同的。
螺杆12包括形成在所述螺杆的外表面上的两个外同步齿轮齿70、72。齿轮齿70、72彼此相同，并且沿轴向设置在螺纹14的任一侧上。齿轮齿70、72分别与滚柱的齿轮齿24、26接合，用于它们的同步。每个齿轮齿70、72包括多个径向齿74、76，它们彼此相同并且在圆周方向上以规则的方式彼此间隔开。齿74、76沿轴向延伸，并且沿径向被引导朝向外侧。每个齿74、76包括两个相对的凸形支承侧面和连接所述侧面的大直径端部的顶部。每个齿的每个侧面在横截面中具有凸形轮廓。每个齿的侧面之一可以在横截面中具有由第一外摆线形成的凸形轮廓，另一侧面可以具有由第二外摆线形成的凸形轮廓，其中在考虑到所述齿的中间平面时第一和第二外摆线可以彼此对称。作为变型，可以提供这样的齿74、76，也就是在考虑到所述齿的中间平面时，每个在横截面中具有由圆的两个对称弧形成的凸形轮廓。环48、50在这种情况下分别沿径向安装在螺杆12的外表面的无螺纹部分与螺母的螺纹18之间。在这种情况下，保持环52、54具有较小的径向尺寸，并且分别安装在形成于螺杆12的相关无螺纹部分中的凹槽(未作标记)中。
在本示例性实施例中，外同步齿轮齿70、72直接形成在螺杆上。作为变型，可以提供连接到螺杆的外表面并且每个包括这些同步齿轮齿之一的环齿轮。

Claims (13)

1.一种滚柱丝杠机构，包括：螺杆(12)，其包括外螺纹(14)；螺母(16)，其围绕所述螺杆设置并且与之同轴，所述螺母包括内螺纹(18)；以及多个滚柱(20)，它们沿径向设置在所述螺杆和螺母之间，并且分别设置有与所述螺杆的外螺纹(14)和所述螺母的内螺纹(18)接合且具有两个外齿轮齿(24、26)的外螺纹(22)，所述滚柱丝杠机构还包括分别与所述滚柱的外齿轮齿(24、26)之一接合的两个同步齿轮齿(44、46；70、72)，其特征在于，每个滚柱的每个外齿轮齿(24、26)的外径(da)小于所述滚柱的外螺纹(22)的根部的直径(D)，所述滚柱的所述外齿轮齿的每个齿包括与所述同步齿轮齿(44、46；70、72)接合的平坦面(60a、60b)，所述同步齿轮齿(44、46；70、72)的每个齿包括侧面(64a、64b)，所述侧面在横截面中具有与所述滚柱的外齿轮齿(24、26)的齿的平坦面(60a、60b)接合的凸形轮廓。
2.根据权利要求1所述的滚柱丝杠机构，其中，所述滚柱的外齿轮齿(24、26)的每个齿包括在所述外齿轮齿的每个平坦面(60a、60b)与顶部(60c)之间的连接半径(60e)。
3.根据前述权利要求1至2中任一项所述的滚柱丝杠机构，其中，所述滚柱的外齿轮齿(24、26)的每个齿的平坦面(60a、60b)相对于穿过所述滚柱的伸长轴线(20a)的所述外齿轮齿的中间径向平面彼此对称。
4.根据前述权利要求1至2中任一项所述的滚柱丝杠机构，其中，每个滚柱的外齿轮齿(24、26)的相邻齿的周向相对的平坦面(60a、60b)由凹形底部(60d)连接在一起。
5.根据前述权利要求1至2中任一项所述的滚柱丝杠机构，其中，每个滚柱(20)包括沿轴向位于所述滚柱的外螺纹(22)与每个外齿轮齿(24、26)之间的凹槽(32、34)。
6.根据前述权利要求1至2中任一项所述的滚柱丝杠机构，其包括固定到所述螺母(16)并且每个包括所述同步齿轮齿(44、46)之一的环齿轮(40、42)。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的滚柱丝杠机构，其中，所述同步齿轮齿(44、46)形成在所述螺母(16)上。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的滚柱丝杠机构，其中，所述同步齿轮齿(70、72)形成在所述螺杆(12)上。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的滚柱丝杠机构，其包括固定到所述螺杆(12)并且每个包括所述同步齿轮齿(70、72)之一的环齿轮。
10.一种致动缸，包括用于旋转驱动的驱动装置和根据前述权利要求中任一项所述的滚柱丝杠机构，所述滚柱丝杠机构的螺杆联接到所述驱动装置。
11.一种制造包括外螺纹和沿轴向设置在所述螺纹的任一侧上的两个外齿轮齿的根据权利要求1所述的滚柱丝杠机构的滚柱的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：借助于至少一个径向作用工具去除材料以便形成所述外齿轮齿，使得每个外齿轮齿的外径小于所述外螺纹的根部的直径，以及所述外齿轮齿的每个齿包括平坦面，所述平坦面与所述同步齿轮齿接触，所述同步齿轮齿包括在横截面中具有凸形轮廓的侧面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，去除材料以便形成所述滚柱的外齿轮齿的步骤与去除材料以便形成所述滚柱的外螺纹的步骤同时进行。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，去除材料以便形成所述外齿轮齿和/或形成所述外螺纹的步骤通过轧制进行。
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