CN105485163B - 六列滚珠式线性滑轨 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六列滚珠式线性滑轨，其主要是透过于滑轨与滑块之间设置六列滚珠以提高整体的静额定负荷，六列滚珠分别对称位于滑轨头部的两侧，同时，再配置位于上、中滚动沟的滚珠都能承受下压负荷，使下压方向的静额定负荷增加，而位于下滚动沟的滚珠则能承受上拉负荷，且各该下滚动沟的牙型系数分别小于各该上滚动沟的牙型系数，使上拉方向的静额定负荷也增加，并且由于上、中、下滚动沟的滚珠都可承载侧向的负荷，而提高侧向的静额定负荷，据此使得本发明成为兼具良好的下压方向、上拉方向及侧向静额定负荷的配置。

Description

六列滚珠式线性滑轨

技术领域

本发明涉及六列滚珠式线性滑轨，其是与线性传动装置有关，特别是和兼具高下压方向、上拉方向及侧向静额定负荷的线性传动装置相关。

背景技术

线性滚珠滑轨为一种重要的线性传动装置，具备高效率及高精密度的传动特性使其被广泛地运用于各种运载机械上，在选用线性滚珠滑轨的考量重点之一为其所能承受的静额定负荷，包含下压方向、上拉方向及侧向的静额定负荷，而一般线性滚珠滑轨所能承受的静额定负荷与滚珠列数及滚珠直径的平方成正相关关系，因此业界多以增加滚珠直径或增加滚珠列数的手段提高静额定负荷能力；然而，机械对于静额定负荷的需求不断提高，一般的线性滚珠滑轨的静额定负荷目前仍有不足，而需要再予提升。

如图1所示为日本特开平07-035136号专利的线性滑轨10，其主要包含一滑块11可滑移地套覆于一滑轨12，且该滑轨12与该滑块11之间设置四列滚珠13，该线性滑轨10主要是将列数由一般的两列增加为四列滚珠13，该四列滚珠13对称位于该滑轨12的两侧，透过增加滚珠13列数以提高线性滑轨10所能承受的静额定负荷；然而，从该线性滑轨10的四列滚珠13的配置方式来看，该线性滑轨10的四列滚珠13均是圆弧式两点45°-45°的接触方式，即所有的滚珠与所接触的滚动沟的接触角为45°，在此接触角的配置方式下能均匀提供下压方向、上拉方向及侧向的负荷能力；且该线性滑轨10的牙形系数亦配置为完全相同的牙形系数，使得整体线性滑轨10的结构能完全均匀地提供下压方向、上拉方向及侧向的负荷能力，但是，对于特别需要更高的下压方向、上拉方向及侧向负荷的机械结构，此设计的静额定负荷仍无法符合要求。

如图2所示为美国US6132093号专利的线性滑轨20，此为一种加强其下压方向及上拉方向的静额定负荷的公知技术，其主要包含一滑块21可滑移地套覆于一滑轨22，且该滑轨22与该滑块21之间设置四列滚珠23，该线性滑轨20主要是将两列滚珠23设置于滑轨22的顶面，以特别加强下压方向的静额定负荷，而另外两列则分别位于滑轨22的两侧并经由接触点的改变来加强上拉方向的静额定负荷；然而，以该线性滑轨20的四列滚珠23的配置方式来看，位于滑轨22顶面的两列滚珠23主要是承受下压的负荷，于承受侧向负荷的能力很差，而位于两侧的两列滚珠则又强调其上拉方向的负荷能力，其承受侧向负荷的能力也不佳，总体来说并无法全面显著提高其下压方向、上拉方向及侧向的负荷能力，其虽能局部提升下压方向及上拉方向的负荷能力，但是侧向的负荷能力并不佳，因此负荷能力仍不足以适用多数机构，且更由于该滑轨22顶面及侧面均设置有供滚珠23容置的滚动沟，因此该滑轨22于加工生产时必须经过至少一次上方研磨及一次侧向研磨才能完成，两次的加工工序将大幅提高加工成本并同时降低生产效率，而有经济效益不佳的缺失；而且更严重地，由于两次的加工工序的加工基准不同，使顶面及侧面的滚动沟相对位置具有误差，而降低滚珠滑轨的精准度。

另外，加大线性滑轨的尺寸虽能同时增加下压方向、上拉方向及侧向的负荷能力，但使整体的机构空间增加，而无法使用于大多数的应用实例之中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种六列滚珠式线性滑轨，其主要目的是提高整体的静额定负荷，并且兼具下压方向、上拉方向及侧向的静额定负荷；并改善一般滚珠滑轨为提高负荷能力的结构形态配置会增加加工工序降低生产效率的缺失，及避免两次加工工序的加工基准不同所导致的滚动沟相对位置误差而降低滚珠滑轨的精准度的问题；此外，能不增加尺寸，以符合一般的使用需求。

为解决上述问题，本发明提供一种六列滚珠式线性滑轨，包含：

一滑轨，沿一X方向延伸长度的长条块体结构，而垂直该X方向则定义一Y方向及一Z方向，且该Y方向与该Z方向垂直，且该滑轨由该X方向上的两端端面来看，该滑轨整体系相对于一对称轴对称设置的结构体；且该滑轨上于对称轴两侧分别设置三个滚动沟；

一滑块，具有一套槽，该滑块以该套槽可滑移地穿套于该滑轨上，且该套槽上对应各该滚动沟的位置设置六个滚动槽；

多个滚珠，可滚动地容置于各该滚动沟与该滚动槽之间；

其特征在于：

所述滑轨于对称轴两侧分别设置一上滚动沟、一中滚动沟以及一下滚动沟，且各该上滚动沟于该滑轨的该Z方向位置高于各该中滚动沟于该滑轨的该Z方向位置；且各该中滚动沟于该滑轨的该Z方向位置高于各该下滚动沟于该滑轨的该Z方向位置；以及

定义各该滚动沟的牙型系数为两倍该滚动沟的圆弧半径减去该滚珠直径后的值再除以该滚珠直径的比值，各该下滚动沟的牙型系数小于各该上滚动沟的牙型系数；而以小于各该上滚动沟的牙型系数的0.8倍为更佳。

本发明透过于滑轨及滑块之间设置六列滚珠以提高整体的静额定负荷，六列滚珠分别对称位于滑轨头部的两侧，同时，再配置位于上、中滚动沟的滚珠都承受下压负荷，使下压方向的静额定负荷增加，而位于下滚动沟的滚珠则承受上拉负荷，且各该下滚动沟的牙型系数分别小于各该上滚动沟的牙型系数，使上拉方向的静额定负荷也增加，并且由于上、中、下滚动沟的滚珠都可承载侧向的负荷，而提高侧向的静额定负荷，据此使得本发明成为兼具下压方向、上拉方向及侧向静额定负荷的配置；且本发明容置滚珠的滚动沟是对称设置于滑轨的头部两侧，而能透过侧向加工一次研磨加工完成，简化加工工序、提高生产效率及经济效益，并且避免两次加工工序的加工基准不同所导致的顶面及侧面的滚动沟相对具有误差而降低滚珠滑轨的精准度的问题。此外，由于空间的设计及最佳化设计，使尺寸不需增加而能符合一般的使用需求。

附图说明

图1为一种普通的滚珠滑轨示意图。

图2为另一种普通的滚珠滑轨示意图。

图3为本发明六列滚珠式线性滑轨的外观示意图。

图4为本发明六列滚珠式线性滑轨的端视平面图。

图5为本发明六列滚珠式线性滑轨的滑轨平面示意图。

图6为本发明六列滚珠式线性滑轨改变接触角对于下压及侧向静额定负荷关系图。

图7为本发明的六列滚珠式线性滑轨的下滚动沟的牙型系数改变和上拉方向静额定负荷的关系图。

图8为本发明六列滚珠式线性滑轨与常规产品的下压方向及侧向静额定负荷数负荷能力的比较图。

附图标记说明

线性滑轨10 滑块11

滑轨12 滚珠13

线性滑轨20 滑块21

滑轨22 滚珠23

滑轨30 头部31

上滚动沟311 中滚动沟312

下滚动沟313 颈部32

底部33 滑块40

套槽41 滚动槽411

滚珠50 X方向

Y方向 Z方向

头部宽度W1 颈部宽度W2

底部宽度W3 对称轴L

接触点T

接触角α 垂直线V

侧研磨件A 圆弧半径R

滚珠直径D

具体实施方式

本发明六列滚珠式线性滑轨的较佳实施例如图3至8所示，包含：

一滑轨30，沿一X方向延伸长度的长条块体结构，而垂直该X方向则定义一Y方向及一Z方向，且该Y方向与该Z方向垂直，且该滑轨30由该X方向上的两端端面来看，该滑轨30整体系相对于一对称轴L对称设置的结构体；且该滑轨30于该Z方向上依序区分为一头部31、一颈部32及一底部33，该头部31相较于该底部33于该Z方向上为上方向，而该底部33相较于该头部31于该Z方向上为下方向，该头部31于该Y方向上的最大宽度为一头部宽度W1，该颈部32于该Y方向上的最小宽度为一颈部宽度W2，而该底部33于该Y方向上的最大宽度为一底部宽度W3，该颈部宽度W2小于该头部宽度W1及该底部宽度W3；此外，该滑轨30上于对称轴L两侧分别设置三个滚动沟，该滑轨30两侧的滚动沟相对于该对称轴L为对称设置；本实施例是于该滑轨30的该头部31上于该对称轴L两侧分别设置一上滚动沟311、一中滚动沟312以及一下滚动沟313，且各该上滚动沟311于该滑轨30的Z方向位置高于各该中滚动沟312于该滑轨30的Z方向位置；且各该中滚动沟312于该滑轨30的Z方向位置高于各该下滚动沟313于该滑轨30的Z方向位置；且本发明的各该上滚动沟311及各该中滚动沟312设于该头部31的上半部，而各该下滚动沟313设于头部31的下半部；

一滑块40，具有一套槽41，该滑块40以该套槽41可滑移地穿套于该滑轨30上，且该套槽41上对应各该上滚动沟311、各该中滚动沟312及各该下滚动沟313的位置设置六个滚动槽411；

多个滚珠50，可滚动地容置于各该滚动沟411与该滚动槽311、312、313之间，且当各该滚珠50容置于各该滚动沟311、312、313内时，容置于二该上滚动沟311内的各该滚珠50承受下压及侧向负荷；容置于二该中滚动沟312内的各该滚珠50承受下压及侧向负荷；而容置于二该下滚动沟313内的各该滚珠50承受上拉及侧向负荷；当各该滚珠50容置于各该滚动沟311、312、313内时，本发明的滚珠50与滚动沟311、312、313符合赫兹接触理论(Hertzcontact theory)的假设与定义，则该滚珠50与该各滚动沟311、312、313分别产生一接触点T，该滚珠50或该各滚动沟311、312、313的接触面上通过该接触点T具有一法线N，各该上滚动沟311、各该中滚动沟312的滚珠50的该法线N分别与Z方向的上方向之间的夹角则定义出一接触角α，而各该上滚动沟311、各该中滚动沟312分别与其接触的滚珠50的接触角α为20～70度，从制造方向考虑，接触角α小于20度会使滚珠50或该各滚动沟311、312、313的接触面变小，而降低接触面所能承受的负荷能力；相反的，如果接触角α大于70度会使滚珠50或该各滚动沟311、312、313在Z方向的负荷能力降低而无法达到本发所要达到的高下压刚性的目的；更佳地，为避免制造上的不稳定所导致的问题，并提高本发明所要达到的高下压刚性的特色，接触角α以30～50度更佳；而最佳设计角度为40度；且，同理，各该下滚动沟313的滚珠50的该法线N分别与Z方向的下方向之间的夹角同样定义出一接触角α，而各该下滚动沟313与其接触的滚珠50的接触角α为20～70度，30～50度为更佳；而40度为最佳。

以上为本发明六列滚珠式线性滑轨的结构组态及特征，而首先值得说明的是，由于本发明的各该滚动沟311、312、313是对称设置于该滑轨30的两侧，该滑轨30的上方顶面并未配置滚动沟，因此于研磨生产该滑轨30时可于该滑轨30的两侧分别同时进行一次性的研磨加工即可完成，不需再进行上方或其他方向的研磨，而能简化生产工序、提高生产效率，并创造更高的经济效益；并且也避免公知技术使用两次加工工序的加工基准不同，使顶面及侧面的滚动沟相对具有误差，而降低滚珠滑轨的精准度的问题。

再者，本发明更特别配置各滚珠50与滚动沟312的接触角α的角度为20～70度，请配合参阅图6所示为本发明接触角α改变与下压及侧向静额定负荷的数据图，图7中的纵轴表线性滚珠滑轨的静额定负荷，实线(三角形数据点)表示下压方向的静额定负荷，而虚线(圆形数据点)表示侧向的静额定负荷，虽然降低接触角α的角度可提升下压方向的静额定负荷，但也相对地更大幅地降低侧向的静额定负荷，图7显示在接触角α的角度小于20度以后，侧向负荷的静额定负荷持续下降，但下压方向的静额定负荷提升的效果减缓，同样地，在接触角α的角度大于70度以后，下压方向的静额定负荷持续下降，但侧向负荷的静额定负荷提升的效果不大，也就是接触角α的角度小于20度或大于70度时，想增加的静额定负荷并无明显增加，反而造成另一方向的静额定负荷明显减少，而一般运载装置对于线性滚珠滑轨的需求通常必须兼具下压方向及侧向的静额定负荷，故在接触角α的角度设计上以20～70度为佳；再者，从图6所示的曲线可以看到，在接触角α为50度时，下压方向的静额定负荷约等于侧向的静额定负荷，而本发明的考量在于提升下压刚性，故以选择接触角α为小于50度使下压方向的静额定负荷大于侧向的静额定负荷为更佳，而再从侧向的静额定负荷曲线来看，在接触角α的角度为30度时，侧向的静额定负荷数值已达到其侧向的静额定负荷的最大数值的一半以上，也就是其已具有相当的侧向的静额定负荷，故，选择接触角α的角度大于30度可以达到兼顾侧向的静额定负荷的效果，因此在设计上以接触角α的角度大于30度为更佳，即接触角α的角度在30～50度为更佳；而最佳实施例是设置接触角α为40度，于此状态下，下压方向的静额定负荷明显高于侧向的静额定负荷，能显著提高下压负荷能力，且又兼具有很好的侧向负荷的能力，提供高下压静额定负荷的特性，满足下压负荷需求较高的使用状况。

此外，本发明为了兼具下压方向的静额定负荷及上拉方向的静额定负荷，故需使上拉方向的静额定负荷也增加。因此，本发明更进一步地以牙型系数限定各该滚动沟与各该滚珠的接触关系，其中，本发明定义各该滚动沟的牙型系数为两倍该滚动沟的圆弧半径R减去该滚珠直径D后的值再除以该滚珠直径D的比值，比值为一无单位量，不会因为滚珠直径D的大小而产生影响；图7为本发明的六列滚珠式线性滑轨的该下滚动沟的牙型系数改变和上拉方向静额定负荷的比较图，图7的横轴为各下滚动沟的牙型系数与各上滚动沟的牙型系数的比值，为一个无单位量除以一个无单位量的结果，也是一无单位量，纵轴为上拉方向和下压方向静额定负荷的比值，也是一无单位量，图中针对各种不同的上滚动沟的牙型系数进行分析，上滚动沟的牙型系数为0.01的资料点以符号“X”表示，上滚动沟的牙型系数为0.02的资料点以符号“○”表示，上滚动沟的牙型系数为0.04的资料点以符号“□”表示，上滚动沟的牙型系数为0.08的资料点以符号“△”表示，由图7中可看到上滚动沟的牙型系数从0.01～0.08的不同资料点，其集中于一曲线上，而当下滚动沟的牙型系数相对于上滚动沟的牙型系数的比值愈小，则上拉方向和下压方向静额定负荷的比值愈大，在牙型系数的比值小于1之后，曲线有明显变陡的趋势，也就是在下滚动沟的牙型系数小于上滚动沟的牙型系数时，明显可以使上拉方向和下压方向静额定负荷的比值加速上升，比就是能增加上拉方向静额定负荷(由于下压方向静额定负荷未改变)，因此，各该下滚动沟的牙型系数以小于各该上滚动沟的牙型系数为佳；而当该下滚动沟的牙型系数小于各该上滚动沟的牙型系数的0.8倍后，上拉方向和下压方向静额定负荷的比值加速上升，而使本发明的六列滚珠式线性滑轨的上拉方向的静额定负荷快速上升，以加强本发明的六列滚珠式线性滑轨的上拉方向的静额定负荷，故本发明的六列滚珠式线性滑轨的下滚动沟的牙型系数以小于各该上滚动沟的牙型系数的0.8倍为较佳；而从图8中可以看到，当下滚动沟的牙型系数相对于上滚动沟的牙型系数小于0.5倍以后，上拉方向和下压方向静额定负荷的比值急速上升，在下滚动沟的牙型系数相对于上滚动沟的牙型系数为0.5倍时，上拉方向和下压方向静额定负荷的比值约已达0.8，即上拉方向静额定负荷可提升到下压方向静额定负荷的0.8倍，而在下滚动沟的牙型系数相对于上滚动沟的牙型系数为0.4倍时，上拉方向和下压方向静额定负荷的比值已经大于1，即上拉方向静额定负荷可大下压方向静额定负荷，此时可使本发明的六列滚珠式线性滑轨不只具有极佳的下压方向静额定负荷，也有极佳的上拉方向静额定负荷，故本发明的六列滚珠式线性滑轨的下滚动沟的牙型系数以小于各该上滚动沟的牙型系数的0.5倍为更佳；而考虑到制造的困难度及下压方向的静额定负荷，上滚动沟的牙型系数以0.02～0.04为最佳。

为了验证本发明兼具下压方向、上拉方向及侧向静额定负荷的能力，以轨道宽度为34mm的规格，上滚动沟的牙型系数为0.02，下滚动沟的牙型系数以小于各该上滚动沟的牙型系数的0.6倍，接触角α为40度为例，比较本发明的六列滚珠式线性滑轨与常规产品的下压方向及侧向静额定负荷数负荷能力如图8，图8中的纵轴为在下压方向、上拉方向及侧向的静额定负荷，单位为kN，资料A为本发明，资料B为同一大小的一般线性滑轨，资料C为普通加强下压线性滑轨，由图8可得知本发明的下压方向、上拉方向及侧向静额定负荷的静额定负荷数值皆远高于一般的线性滑轨，且也明显高于普通加强下压线性滑轨的静额定负荷数值(在相同尺寸限制下的比较)，尤其是本发明的侧向静额定负荷远高于普通加强下压线性滑轨的侧向静额定负荷。

故本发明的六列滚珠式线性滑轨，其透过于滑轨与滑块之间设置六列滚珠以提高整体的静额定负荷，六列滚珠分别对称位于滑轨头部的两侧，同时，再配置位于上、中滚动沟的滚珠都承受下压负荷，使下压方向的静额定负荷增加，而位于下滚动沟的滚珠则承受上拉负荷，且各该下滚动沟的牙型系数分别小于各该上滚动沟的牙型系数，使上拉方向的静额定负荷也增加，并且由于上、中、下滚动沟的滚珠都可承载侧向的负荷，而提高侧向的静额定负荷，据此使得本发明成为兼具下压方向、上拉方向及侧向静额定负荷的配置。

Claims (10)

1.一种六列滚珠式线性滑轨，包含：一滑轨，沿一X方向延伸长度的长条块体结构，而垂直该X方向则定义一Y方向及一Z方向，且该Y方向与该Z方向垂直，且该滑轨由该X方向上的两端端面来看，该滑轨整体系相对于一对称轴对称设置的结构体；且该滑轨上于对称轴两侧分别设置三个滚动沟；

一滑块，具有一套槽，该滑块以该套槽可滑移地穿套于该滑轨上，且该套槽上对应各该滚动沟的位置设置六个滚动槽；

多个滚珠，可滚动地容置于各该滚动沟与该滚动槽之间；

其特征在于：

所述滑轨于对称轴两侧分别设置一上滚动沟、一中滚动沟以及一下滚动沟，且各该上滚动沟于该滑轨的该Z方向位置高于各该中滚动沟于该滑轨的该Z方向位置；且各该中滚动沟于该滑轨的该Z方向位置高于各该下滚动沟于该滑轨的该Z方向位置；以及

定义各所述滚动沟的牙型系数为两倍各该滚动沟的圆弧半径减去该滚珠直径后的值再除以该滚珠直径的比值，各该下滚动沟的牙型系数小于各该上滚动沟的牙型系数。

2.如权利要求1所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各下滚动沟的牙型系数小于各上滚动沟的牙型系数的0.8倍。

3.如权利要求2所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各下滚动沟的牙型系数小于各上滚动沟的牙型系数的0.5倍。

4.如权利要求1所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各中滚动沟的牙型系数等于各上滚动沟的牙型系数。

5.如权利要求1所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各滚珠与各滚动沟分别产生一接触点，该接触点具有一法线，各上滚动沟、各中滚动沟的法线与Z方向的上方向之间的夹角为20～70度，且各下滚动沟的法线与Z方向的下方向之间的夹角为20～70度。

6.如权利要求5所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各上滚动沟、各中滚动沟的法线与Z方向的上方向之间的夹角为30～50度，且各下滚动沟的法线与Z方向的下方向之间的夹角为30～50度。

7.如权利要求6所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各上滚动沟、各中滚动沟的法线与Z方向的上方向之间的夹角为40度，且各下滚动沟的法线与Z方向的下方向之间的夹角为40度。

8.如权利要求1所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各上滚动沟的牙型系数为0.01～0.08。

9.如权利要求1所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各上滚动沟的牙型系数为0.02～0.04。

10.如权利要求1所述的六列滚珠式线性滑轨，其特征在于：所述各滑轨于Z方向上依序区分为一头部、一颈部及一底部，该头部相较于该底部于该Z方向上为上方向，而该底部相较于该头部于该Z方向上为下方向，该上滚动沟及该中滚动沟设于该头部的上半部，而该下滚动沟设于头部的下半部。