CN107002841B

CN107002841B - 行星滚子丝杠机构

Info

Publication number: CN107002841B
Application number: CN201480083776.2A
Authority: CN
Inventors: 杰罗姆·杜布斯; 克里斯蒂安·博赫
Original assignee: SKF AB
Current assignee: Yiweilai Co.,Ltd.
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2020-03-06
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: WO2016091290A1; EP3230625B1; US20180328471A1; EP3230625A1; US10781900B2; CN107002841A

Abstract

本行星滚子丝杠机构(2)包括：螺杆轴(4)，其设置有至少一个外螺纹(T4)；螺母(6)，其设置有至少三个内螺纹(T6)；和至少三个滚子(8)，其相对于螺杆轴的中心轴线(X4)在径向上布置在螺杆轴与螺母之间。每个滚子(8)均设置有至少两个外螺纹(T8₁、T8₂)。螺杆轴(4)的外螺纹(T4)的数量是滚子(8)的外螺纹(T8)的数量的倍数。螺母(6)的内螺纹(T6)的数量是滚子(8)的外螺纹(T8)的数量的倍数。

Description

行星滚子丝杠机构

技术领域

本发明涉及一种行星滚子丝杠机构，其被构造成以直接模式将转动运动转换成平移运动，或者以间接模式将平移运动转换成转动运动。

背景技术

在转动运动与平移运动之间或平移运动与转动运动之间的机械运动转换的领域中，已知使用行星滚子丝杠机构，其包括：第一转动且非平移构件、第二平移且非转动构件和相对于转动构件的转动轴线在径向上布置在转动构件与平移构件之间的若干滚子。在一些其它应用中，行星滚子丝杠机构的输入构件和输出构件两者以不同的速度或沿不同的方向转动。行星滚子丝杠机构用于需要将直线/转动运动转换成转动/直线运动(反之亦然)的各种行业。这包括石油和天然气行业、机械工厂、食品行业等等。

在行星滚子丝杠机构中，第一构件可以是螺杆轴，第二构件可以是围绕螺杆轴安装的螺母，而各滚子均具有与分别设置在螺杆轴的外径向表面和螺母的内径向表面上的螺纹啮合的螺纹。在这种情况下，施加到机构的输入负荷可以是施加在螺杆轴上的转动扭矩，这引起螺母的直线运动，从而引起轴向输出力，或者，施加到机构的输入负荷可以是施加在螺母上的轴向作用力(effort)，这引起螺杆轴的转动，从而引起输出扭矩。作为一种选择，第一构件可以是螺母，第二构件可以是螺杆轴。在这种情况下，机构上的输入负荷可以是施加在螺母上的扭矩，这引起螺杆轴的平移运动，从而引起轴向输出力，或者，机构上的输入负荷可以是施加在螺杆轴上的轴向力，这引起螺母的转动运动，从而引起输出扭矩。

利用这种机构，关键的效率因素是机构的导程。行星滚子丝杠机构的导程被定义为当螺杆轴转一圈360°时螺母平移的轴向位移长度或当螺母转一圈360°时螺杆轴的轴向位移长度。

目前，行星滚子丝杠机构的导程被限制在50mm以下。这源自下面几个因素。

第一，在该机构中，螺杆轴和螺母两者通常均设置有多个螺纹。这些螺纹必须在螺杆轴上同时加工出来。为此，使用相对于螺杆轴的中心轴线倾斜一定角度的研磨轮(grinding wheel)，该角度取决于螺纹的螺旋角。该螺旋角越大，则研磨轮必须倾斜得越多，并且对应螺纹的对应深度之间存在更大的差。由于这种研磨技术，因此螺纹越深，则相应的误差越大。

第二，螺旋角越大，则在螺杆轴与滚子之间的界面处产生的摩擦力越高。同样地，螺纹越深，则摩擦力越大。因此，对于螺杆轴所关注的是，在螺纹之间限定的螺纹形状(profile)的摩擦力和几何构造取决于螺旋角和螺纹深度，这导致这两个值必须保持尽可能小。

第三，螺母的内螺纹必须在其径向内表面上加工，由于在加工操作期间研磨轮的支撑构件可能会碰到螺母，因此螺旋角高的话加工越发困难。这里再次说明，螺旋角和螺纹深度是对于制造螺母不利(unfavorable)的参数。

第四，行星滚子丝杠机构的螺纹越深，则研磨螺杆轴、螺母和滚子所需的时间就越长。

另一方面，这种机构的容量或鲁棒性也取决于螺母的螺旋角、螺纹深度和内公称直径。在实际中，螺母的内公称直径等于螺杆轴的外公称直径与二倍的滚子的外公称直径之和。已知的是，为了良好地啮合分别设置在螺杆轴和滚子上的螺纹，滚子的直径应当与螺杆轴的直径成比例，并与螺杆轴的螺纹的数量减2成反比。因此，螺杆轴的螺纹的数量越大，则滚子的直径越小，因此丝杠的内径越小，行星滚子丝杠机构的容量或鲁棒性就越小。

所有这些意味着，由于上面指出的螺旋角、研磨时间和容量问题，因此改变现有的行星滚子丝杠机构的形状和结构使得其导程被限制到50mm以下是不容易的。

然而，可能有意义的是为行星滚子丝杠机构提供较长的导程，这是因为与现有机构相比，其将允许以相对高的速度平移一个构件或者以高扭矩转动一个构件。

目前，由于难以改变现有的行星滚子丝杠机构的构造，因此优选使用球丝杆机构或其它技术(诸如液压缸)来得到长的导程。在球丝杠机构的情况下，必须组织球在螺母内的再循环，这意味着必须增大螺母的轴向长度，从而使得整个机构笨重。诸如液压装置的可选择的技术需要为缸供给压力流体，这有时是复杂的，并且在任何情况下通常比使用诸如行星滚子丝杠机构的纯机械装置更困难。

发明内容

本发明的目的在于利用一种新型行星滚子丝杠机构来解决这些问题，与现有技术的类似机构相比，这种新型行星滚子丝杠机构能够在不使机构笨重的情况下增大导程。

为此，本发明涉及一种行星滚子丝杠机构，包括：螺杆轴，其设置有至少一个外螺纹；螺母，其设置有至少三个内螺纹；和至少三个滚子，其相对于螺杆轴的中心轴线在径向上布置在螺杆轴与螺母之间。根据本发明，每个滚子均设置有至少两个外螺纹，而螺杆轴的外螺纹的数量是滚子的外螺纹的数量的倍数，螺母的内螺纹的数量是滚子的外螺纹的数量的倍数。

由于本发明，与现有技术的行星滚子丝杠机构相比，行星滚子丝杠机构的导程被乘以与滚子的外螺纹的数量相等的系数。

根据本发明的有利的但非强制的其它方面，行星滚子丝杠机构可以包括在任何容许构造中采纳的以下特征中的一个或多个：

-螺母的内螺纹的数量等于螺杆轴的外螺纹的数量。

-滚子的数量大于等于4，优选大于等于6。

-每个滚子的公称直径通过以下关系与螺杆轴的公称直径有关：

其中，D8是滚子的公称直径，D4是螺杆轴的公称直径，N6是螺母的螺纹的数量，N8是滚子的螺纹的数量。

-各滚子的公称直径小于螺杆轴的公称直径。

-螺杆轴的螺纹的螺距与螺母的螺纹的螺距相同并且与各滚子的螺纹的螺距相同。

-行星滚子丝杠机构具有大于等于50mm、优选大于等于60mm的导程，所有螺纹的深度小于等于10mm，优选小于等于6mm。

-螺杆轴的螺纹的数量等于10，各滚子的螺纹的数量等于2，所有螺纹的螺距在4与12mm之间，优选在6与10mm之间。

-滚子的螺纹的数量小于螺杆轴的螺纹的数量并且小于螺母的螺纹的数量。

-滚子的螺纹的数量小于螺杆轴的螺纹的数量的一半。

附图说明

将基于以下说明更好地理解本发明，该以下说明联系附图而给出并作为说明性示例，而不是限制本发明的目的。在附图中：

-图1是根据本发明的行星滚子丝杠机构的轴向剖视图，

-图2是图1的机构的小比例分解剖视图，以及

-图3是图1和图2的机构的滚子的放大侧视图。

具体实施方式

图1和图2所示的行星滚子丝杠机构(planetary roller screw mechanism)2包括螺杆轴(screw shaft)4，螺杆轴4以形成了螺杆轴4的转动轴线的纵向轴线X4为中心。机构2还包括螺母6，螺母6围绕螺杆轴4安装，并且在机构2的安装好的构造中螺母6以与轴线X4重叠的轴线X6为中心。

四个滚子8被布置在机构2的环形体积V2内，该环形体积V2被限定在螺杆轴4与螺母6之间并在这两个构件之间相对于轴线X4径向延伸。

螺杆轴4在其外径向表面上设置有依次加工出的十个相同的螺纹T4。作为一种选择，可以用多个槽轮(groove wheel)以一个操作加工出这些螺纹T4。在图2中，这些螺纹中的一个被标记为黑色。这十个螺纹T4围绕螺杆轴4嵌成巢状(nested)，换言之，迭成瓦状(imbricated)。α4表示一个螺纹T4的螺旋角，d4表示该螺纹的深度，即，限定该螺纹的一个齿的底部与顶部之间的、相对于轴线X4沿径向测量的距离。

螺母6的内径向表面也设置有十个相同的啮合螺纹T6，螺纹T6具有螺旋角α6和深度d6。在图2中内螺纹T6中的一个被标识为黑色。

有利的是，外螺纹T4的数量N4等于内螺纹T6的数量N6。然而，这不是强制必须的，特别地，内螺纹的数量N6可以与外螺纹的数量N4不同。

在实际中，内螺纹T4的数量N6大于等于3，优选在4与6之间。外螺纹T4的数量N4可以等于1，但这是不推荐的，这是因为这将对滚子的数量、位置以及由此产生的导程(lead)有某些不利的后果。在实际中，数量N4常与数量N6相等。

各滚子8以轴线X8为中心，轴线X8在机构2的安装好的构造中与轴线X4和X6平行，并且轴线X8形成了该滚子的转动轴线。各滚子8均设置有两个相同的外螺纹T8₁和T8₂，螺纹T8₁在图3中被标识为灰色。α8表示螺纹T8₁和T8₂的螺旋角，d8表示螺纹T8₁和T8₂的径向深度。

每个滚子8在其末端(extremities)82和84中的每一者旁边均设置有直齿(straight toothing)86，直齿86被设计成与安装在挨着螺母6的轴向末端62和64加工出的孔61或63内的齿形齿轮(toothed gear)66啮合接合。作为一种选择，齿形齿轮66还可以与螺母6成一体，并在与螺母6的其余部分相同的件中加工。因此，两个齿86与两个齿形齿轮66啮合接合，这确保了围绕轴线X4的滚子运动被在螺母内控制和同步，而几乎没有沿着轴线X4的轴向运动。

每个孔61或63中还安装有保持架68，以用于保持滚子8。保持架68也被称为“引导环”。

为了简便起见，图2未示出位于孔61内的齿形齿轮66和保持架68。然而，齿形齿轮66和保持架68在图1中示出。

p8表示螺纹T8₁与T8₂的螺距(pitch)。L8表示滚子8的导程，即当滚子8转过360°时，滚子8相对于固定参照的轴向位移的长度。在本情况下，螺距p8等于8mm。导程L8等于双倍的螺距p8，因此为16mm。

以下，螺纹T8₁和T8₂一起被称为“螺纹T8”。

类似地，p4表示螺纹T4的螺距，L4表示螺纹T4的导程，而p6表示螺纹T6的螺距，L6表示螺纹T6的导程。

有以下关系：

L4＝N4×p4 (式1)和

L6＝N6×p6 (式2)

由于L4和L6都等于10，因此在本示例中，这些式子可以被改写为：

L4＝10×p4 (式1’)和

L6＝10×p6 (式2’)

上文对滚子8考虑的关系也可以由以下表达式来表示，其中N8是螺纹T8的数量：

L8＝N8×p8 (式3)或

L8＝2×p8 (式3’)。

在机构2中满足以下条件：

条件1：角α8等于角α6。

该条件是必要的，以避免滚子在围绕螺杆轴4转动时趋向于从体积V2脱出来(comeout)。在实际中，项(item)6与8之间的这种相对的轴向运动可能引起机构2的卡阻。

条件2：螺距p4、p6和p8相等。

对于螺纹T4、T6和T8来说，该条件是必须要正确匹配的。

条件3：螺母6的内公称直径(internal nominal diameter)D6等于螺杆轴4的公称外直径D4与二倍的滚子8的外公称直径D8之和。换言之，存在以下关系：

D6＝D4+2×D8 (式4)

由于条件1、2和3，因此机构2的主要元件的尺寸的计算导致了以下关系：

该式对于N8等于1的现有技术的机构也是有效的。

因此，对于这些机构，该关系为：

该式5’表明数量N6必须大于等于3。

在实际中，数量N4和N6大于数量N8。换言之，螺杆轴4和螺母6上的螺纹比滚子8上的螺纹多。特别地，为了使式5的分母为正，必要的是螺纹T8的数量N8小于螺纹T6的数量N6的一半。

参照(taking into)式5’，对于具有给定直径的螺母的现有技术的行星滚子丝杠机构，如果增加螺纹T6的数量N6，则滚子8的直径D8减小。由于式4(在这种情况下也适用)，因此螺杆轴4的直径D4减小，使得机构的容量(capacity)或鲁棒性降低。因此，增加现有技术的机构的螺母6上的螺纹T6的数量不是令人满意的解决方案。

让我们考虑以下情况：在行星滚子丝杠机构上需要大导程，例如80mm，并且N4等于N6。

让我们考虑根据现有技术的第一比较例1，其中直径D4将等于87mm并且螺纹T4的数量将等于5。于是，应当被用于螺杆轴4的螺纹T4的螺距p4将等于导程L4除以螺纹T4的数量，即：

p4＝L4/N4＝80/5＝16mm。

这种长的螺距将意味着螺纹T4的深度d4将会非常高，使得在实际中在螺杆轴4上加工该螺纹将是长时间(long)和非常复杂的。由于其大尺寸，该螺纹的接触(contact)的数量也将减少。这样的几何构造将不会在实际中实施。

可以考虑根据现有技术的第二比较例2，其中满足导程L4等于40mm。在这种情况下，螺纹轴4上有五个螺纹T4，螺纹的螺距p4等于8mm，关系如下：

p4＝L4/N4＝40/5＝8mm。

另一方面，由于式5’，滚子的直径D8为87/(5-2)＝29mm，并且由于式4，螺母的直径D6为87+2×29＝145mm。这样的机构合理地(reasonably)易于制造，但是导程不在80mm的范围内，因为其等于40mm。

让我们考虑根据现有技术的第三比较例，其中导程将为80mm，并且将在螺杆轴4上使用10个螺纹，其螺距p4等于8mm，这正如在示例2中的情况。在这种情况下，由于式5’，因此滚子的直径D8将等于87/(10-2)＝11mm。并且，由于式4，螺母6的直径将等于87+2×11＝109mm。因此，机构2的直径将减小，这将降低其容量和鲁棒性。在实际中，这样的几何构造将不会被实施。

现在让我们考虑本发明的第一实施例，其在图中示出并且得到80mm的导程L4，螺纹T4的数量N4等于10个。在这种情况下，螺距p4等于8，滚子的直径D8等于29mm，这正如在前两个比较例中的情况。在该示例中，数量N4和N6均等于数量N8的五倍。

换言之，由于螺纹T8的数量N8，能够得到等于80mm的长导程L4、等于8mm的相对小的螺距p4和分别等于29mm和145mm直径D8和D6，这确保了机构2的令人满意的容量或鲁棒性。

下面的表1中说明了比较例1、2和3以及本发明的第一实施例的螺杆轴4、滚子8和螺母6的直径、导程、螺纹的数量和螺距的值。

表1(所有尺寸的单位均为mm)

在该表中，当考虑到导程L4等于60mm且螺纹T4的数量N4等于5或10时，给出了根据现有技术的另外两个比较例4和5。

在本发明的第二实施例中，该导程L4利用十个螺纹T4得到，因此螺距p4为6mm，而滚子8和螺母6的直径D8和D6保持可接受，分别为6和80mm。还在该示例中，数量N4和N6均等于数量N8的五倍。

在实际中，在本发明的两个实施例中等于6或8mm的螺距p4、p6和p8在大多数情况下可以选择在0、2与10mm之间，即，直径D8在3与100mm之间，直径D6在9与500mm之间。

在本发明的两个实施例中，螺杆轴4、螺母6和滚子8上无需具有深螺纹。因此，深度d4、d6和d8能够保持低于10mm，优选低于6mm，而导程L4和/或L6大于50mm，优选大于60mm。因此，螺纹的加工保持相对容易。

在表1中，如具有粗体分隔线的框中所示，对于两个实施例，螺纹T8的数量N8等于2。然而，数量N8可以等于三个或三个以上。

在上面的表1中，螺杆轴4的导程L4和螺母6的导程L6相等，这是优选的。然而，这并不是强制必须的，这取决于螺纹的数量N4和N6。

由于本发明，能够得到具有长导程L4和L6的鲁棒性好的行星滚子丝杠机构。

在所有实施例中，为了鲁棒性的缘故，直径D8小于直径D4。

机构2的滚子8的数量可以不同于4个。在实际中，根据直径D4、D6和D8，滚子8的数量大于3个，最多可达(up to)14个。

在所有的实施例中，数量N4和N6是数量N8的相同倍数，这是优选的，这是因为这允许自由定位滚子8和自由选择数量N8或滚子8。然而，数量N4和N6可以使用不用的值。

以上考虑的实施例和替代实施例的特征可以被组合以产生本发明的新实施例。

Claims

1.一种行星滚子丝杠机构(2)，包括：

-螺杆轴(4)，其设置有至少一个外螺纹(T4)，

-螺母(6)，其设置有至少三个内螺纹(T6)，和

-至少三个滚子(8)，其相对于所述螺杆轴的中心轴线(X4)在径向上布置在所述螺杆轴与所述螺母之间，

其特征在于：

-每个滚子(8)均设置有至少两个外螺纹(T8₁、T8₂)，

-所述螺杆轴(4)的外螺纹(T4)的数量(N4)是滚子的外螺纹的数量(N8)的倍数，

-所述螺母(6)的内螺纹(T6)的数量(N6)是滚子的外螺纹的数量的倍数，

所述螺母(6)的内螺纹(T6)的数量(N6)等于所述螺杆轴(4)的外螺纹(T4)的数量(N4)。

2.根据权利要求1所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，滚子(8)的数量大于等于4。

3.根据权利要求1或2所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，每个滚子(8)的公称直径(D8)通过以下关系与所述螺杆轴(4)的公称直径(D4)有关：

其中，D8是滚子(8)的公称直径，

D4是所述螺杆轴(4)的公称直径，

N6是所述螺母的内螺纹(T6)的数量，

N8是所述滚子的外螺纹(T8)的数量。

4.根据权利要求1或2所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，各滚子(8)的公称直径(D8)小于所述螺杆轴(4)的公称直径(D4)。

5.根据权利要求1或2所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，所述螺杆轴(4)的外螺纹(T4)的螺距(p4)与所述螺母(6)的内螺纹(T6)的螺距(p6)相同并且与各滚子(8)的外螺纹(T8)的螺距(p8)相同。

6.根据权利要求1或2所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，所述行星滚子丝杠机构具有大于等于50mm的导程(L4、L6)，所有螺纹的深度(d4、d6、d8)小于等于10mm。

7.根据权利要求1或2所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，

-所述螺杆轴(4)的外螺纹(T4)的数量(N4)等于10，

-各滚子(8)的外螺纹(T8)的数量(N8)等于2，

-所有螺纹的螺距(p4、p6、p8)在4与12mm之间。

8.根据权利要求1或2所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，滚子(8)的外螺纹(T8)的数量(N8)小于所述螺杆轴(4)的外螺纹(T4)的数量(N4)并且小于所述螺母(6)的内螺纹(T6)的数量(N6)。

9.根据权利要求8所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，滚子(8)的外螺纹(T8)的数量(N8)小于所述螺杆轴(4)的外螺纹(T4)的数量(N4)的一半。

10.根据权利要求2所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，滚子(8)的数量大于等于6。

11.根据权利要求6所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，所述行星滚子丝杠机构具有大于等于60mm的导程(L4、L6)。

12.根据权利要求6所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，所有螺纹的深度(d4、d6、d8)小于等于6mm。

13.根据权利要求7所述的行星滚子丝杠机构，其特征在于，所有螺纹的螺距(p4、p6、p8)在6与10mm之间。