CN107477158B - 一种重载滚珠丝杠副滚道结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种重载滚珠丝杠副滚道结构，滚道法面截形以滚珠中心所在纵轴为对称轴，以滚珠中心为中心，x轴与丝杠轴线平行，建立平面直角坐标系；法面截形的方程为：本发明基于滚珠丝杠副在承受重载时接触角增大以及滚道滚珠曲率半径比减小承载增大的力学规律，提出将滚珠丝杠滚道由传统的圆弧滚道更改为焦点在纵轴的椭圆弧滚道，实现了在同样体积质量下，滚珠丝杠承载能力提升效果。本发明将焦点设置在纵轴上，使得椭圆弧滚道具备接触角增大、滚道与滚珠曲率半径比减小的特点，从而增大了承载能力。

Description

一种重载滚珠丝杠副滚道结构
技术领域
本发明涉及一种重载滚珠丝杠副滚道结构，属于滚珠丝杠领域。
背景技术
滚珠丝杠因其效率高、位置精度高，成为机电伺服机构的主要传动机构之一。
滚珠丝杠副滚道形式有矩形、半圆弧形和双圆弧形等。在航天领域，考虑系统功率质量比，通常选型的滚珠丝杠副为单螺母内循环滚珠丝杠副，该类滚珠丝杠副通过大球预紧的方式实现预紧，优选的滚道形状为双圆弧滚道。
滚珠丝杠副的体积重量越大承载能力越强，而在功率质量比的限制下，要求在同等的承载能力下，尽量减小体积，减轻重量。如何在体积重量不变的情况下，提高承载能力是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种重载滚珠丝杠副滚道结构，将滚珠丝杠滚道由传统的圆弧滚道更改为焦点在纵轴的椭圆弧滚道，提升滚珠丝杠副目前技术的承载质量比。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种重载滚珠丝杠副滚道结构，滚道法面截形以滚珠中心所在纵轴为对称轴，以滚珠中心为中心，x轴与丝杠轴线平行，建立平面直角坐标系；法面截形的方程为：其中e为偏心距，a为半长轴距离，b为半短轴距离。
优选的，法面截形沿滚珠丝杠副的螺旋线螺旋上升，形成重载滚珠丝杠副滚道结构。
优选的，滚道结构法面截形的偏心距为e＝(rs45°-Dw/2)sin45°，rs45°为接触角为45度时的滚道曲率半径，Dw滚珠球径优选的，左段圆弧x≤0,y<0的焦点位于x＝e直线上，为左段圆弧方程上的点，其中，kN为需求最大承载力与额定载荷力的比值，Dw滚珠球径，rs45°为接触角为45度时的滚道曲率半径。
优选的，
其中，x≤0,y<0，其中β为滚道极限角。
优选的，右段圆弧x>0,y<0的焦点位于x＝-e直线上，为右段圆弧方程上的点，其中，kN为需求最大承载力与额定载荷力的比值，Dw滚珠球径，rs45°为接触角为45度时的滚道曲率半径。
优选的，，其中β为滚道极限角。
优选的，对于法面截形的方程，半焦距c与半长轴距离a之间须满足如下关系：优选的，滚珠丝杠副的螺旋线方程为：
其中d0滚珠丝杠的公称直径，θ为滚珠和滚道的接触角，ph滚珠丝杠副的导程。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明基于滚珠丝杠副在承受重载时接触角增大以及滚道滚珠曲率半径比减小承载增大的力学规律，提出将滚珠丝杠滚道由传统的圆弧滚道更改为焦点在纵轴的椭圆弧滚道，实现了在同样体积质量下，滚珠丝杠承载能力提升效果。
(2)本发明将焦点设置在纵轴上，使得椭圆弧滚道具备接触角增大、滚道与滚珠曲率半径比减小的特点，从而增大了承载能力。
(3)本发明根据载荷的不同建立了需求最大承载力与额定载荷力的比值(kN)与椭圆方程参数(半焦距c、半长轴距离a等)之间的关系，便于根据载荷需求设计滚道曲率。
(4)本发明在保证丝杠传动效率与加工实际能力的前提下，给出了kN的取值范围。
附图说明
图1为本发明的椭圆弧滚道结构的法面截形示意图，其中1为滚道椭圆弧左半段在轴截面投影所在椭圆，2为滚珠在轴截面投影，3为滚道椭圆弧右半段在轴截面投影所在椭圆；
图2为本发明滚珠丝杠副螺旋滚道的法截面示意图；
图3为本发明滚珠丝杠副的螺旋线示意图，其中图3(a)为滚珠丝杠副的螺旋线的主视图，图3(b)为滚珠丝杠副的螺旋线的俯视图。
具体实施方式
滚珠丝杠的双圆弧滚道的法面截形为椭圆形圆弧段，法面截形是指与滚珠丝副螺旋滚道升角垂直的截面，即滚珠丝杠副螺旋滚道的法截面，示意图如图1所示。
滚道以滚珠中心Ow所在纵轴为对称轴，分为左段和右段。
滚道的左段圆弧所在的椭圆的中心为Os，椭圆中心Os与滚珠中心Ow的偏心距为e＝(rs45°-Dw/2)sin45°(与传统双圆弧滚道中心位置一致)。rs45°为接触角为45度时的滚道曲率半径，Dw滚珠球径；滚珠丝杠的双圆弧滚道在法面截形左段所在椭圆(图1中曲线1)，以滚珠中心Ow为中心建立坐标系，即附图中的XOY坐标系，在平面直角坐标下的方程为：
具体要求为：
1)焦点位于x＝e直线上；
2)为椭圆方程上的点，其中，kN为需求最大承载力与额定载荷力的比值，即椭圆方程的半焦距c与半长轴距离a之间须满足如下关系：
3)以保证滚珠丝杠副重载下的传动效率，其中β为滚道极限角。
其中b为半短轴距离，a2-b2＝c2。
右段与左段关于y轴对称，右段所在的椭圆方程为
右段滚道所在椭圆方程具体要求为：
1)焦点位于x＝-e直线上；
2)为椭圆方程上的点，其中，kN为需求最大承载力与额定载荷力的比值，即椭圆方程的半焦距c与半长轴距离a之间须同样满足如下关系：
3)以保证滚珠丝杠副重载下的传动效率，其中β为滚道极限角。
因此法面截形的方程为：
滚珠丝杠的双圆弧滚道以法面截形为截面，沿滚珠丝杠副的螺旋线螺旋上升形成的空间曲面。
结合图2-3，以滚珠丝杠副轴线为z轴、以螺母滚道起点所在横截面为xoy平面，建立三维空间坐标系，滚珠丝杠副的螺旋线方程，即滚珠所在轨迹为：
d0滚珠丝杠的公称直径，θ为滚珠和滚道的接触角，ph滚珠丝杠副的导程，滚道为螺旋空间滚道，根据应用需求选择适合的螺旋升角。随着载荷增大，接触角上移，在椭圆轨道内接触角增大导致滚道与滚珠的曲率半径比减小，使得承载能力增强。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，滚道法面截形以滚珠中心所在纵轴为对称轴，以滚珠中心为中心，x轴与丝杠轴线平行，建立平面直角坐标系；法面截形的方程为：其中e为偏心距，a为半长轴距离，b为半短轴距离；
左段圆弧的焦点位于x＝e直线上，为左段圆弧方程上的点，其中，kN为需求最大承载力与额定载荷力的比值，Dw滚珠球径，rs45°为接触角为45度时的滚道曲率半径。
2.根据权利要求1所述的重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，法面截形沿滚珠丝杠副的螺旋线螺旋上升，形成重载滚珠丝杠副滚道结构。
3.根据权利要求1或2所述的重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，滚道结构法面截形的偏心距为e＝(rs45°-Dw/2)sin45°，rs45°为接触角为45度时的滚道曲率半径，Dw滚珠球径。
4.根据权利要求1所述的重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，
其中，x≤0,y<0，其中β为滚道极限角。
5.根据权利要求1或2所述的重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，
右段圆弧的焦点位于x＝-e直线上，为右段圆弧方程上的点，其中，kN为需求最大承载力与额定载荷力的比值，Dw滚珠球径，rs45°为接触角为45度时的滚道曲率半径。
6.根据权利要求5所述的重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，
其中β为滚道极限角。
7.根据权利要求5所述的重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，对于法面截形的方程，半焦距c与半长轴距离a之间须满足如下关系：
。
8.根据权利要求1或2所述的重载滚珠丝杠副滚道结构，其特征在于，滚珠丝杠副的螺旋线方程为：
其中d0滚珠丝杠的公称直径，θ为滚珠和滚道的接触角，ph滚珠丝杠副的导程。
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