CN110701269B - 一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱 - Google Patents

Abstract

一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱，包括两端齿轮段结构与中间螺纹段结构，两端齿轮段结构为斜齿形结构；对于标准型行星滚柱丝杠，滚柱的两端齿轮段结构的齿顶圆半径

减小，不与第一丝杠进行物理接触，且滚柱齿轮与内齿圈的传动比i符合行星滚柱丝杠中滚柱、第一丝杠与第一螺母的运动关系；同理，在反向式行星滚柱丝杠当中，两端齿轮段结构的齿顶圆半径

减小，不与第二螺母的内螺纹进行物理接触，滚柱齿轮与齿轮环的传动比i符合行星滚柱丝杠中滚柱、第二丝杠与第二螺母的运动关系；本发明使滚柱两端斜齿仅和螺母上的斜内齿圈或短丝杠两端的保持架斜齿轮啮合进行行星运动，减少滚柱的轴向力以及轴向变形，简化结构，便于同步滚轧加工成形。

Description

一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱。

背景技术

传统的行星滚柱丝杠结构有两类：标准型和反向式，标准型行星滚柱丝杠为长丝杠、短螺母结构，滚柱与螺母之间没有轴向相对运动；反向式行星滚柱丝杠为短丝杠、长螺母结构，滚柱与丝杠之间无轴向相对运动。标准型和反向式行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母以及众多滚柱组成，其滚柱结构分为中间螺纹段与两端齿轮段：中间螺纹段与丝杠螺纹段以及螺母的螺纹段相接触，传递动力，承受载荷；两端齿轮段与标准行星滚柱丝杠副的内齿圈或反向式行星滚柱丝杠副的齿轮环相互啮合，以减小各滚柱的滑动，保持行星运动的一致性，此外又需要与丝杠接触啮合；滚柱两端齿轮段与标准行星滚柱丝杠副的内齿圈或反向式行星滚柱丝杠副的齿轮环相互啮合的重合度影响着传动系统的稳定性；此外，在传动过程中，滚柱因载荷而产生的轴向力作用，存在着轴向变形与赫兹接触变形，影响滚柱的受力情况与传动精度。

行星滚柱丝杠滚柱的两端齿轮段同时存在着齿轮与螺纹，目前采用切削加工的工艺方法，效率低，材料浪费严重；此外一般先切削螺纹，后加工齿形，在行星滚柱丝杠滚柱当中，螺纹与齿轮段的相位有着特殊要求，同一行星滚柱丝杠副的滚柱要完全相同，要在加工当中保证齿轮与螺纹相位的一致性，但切削加工的方法难以保证滚柱之间相位的一致性，需要额外的工装来保证相位精度，增加制造周期。

在中国专利ZL201310034355.8中提出了同步滚轧成形具有螺纹与齿轮特征轴类零件的新加工方法，利用相应模具，一次滚压成形具有螺纹与齿轮的轴类零件，可以提高制造效率，保证螺纹与齿轮的相位精度，但是原有行星滚柱丝杠滚柱的两端齿轮段存在齿轮与螺纹的特殊复杂结构，并不有利于同步滚轧成形滚柱。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱，使滚柱两端齿轮仅和螺母上的内齿圈或短丝杠两端的保持架齿轮啮合进行行星运动，且滚柱两端齿轮为斜齿轮，同时行星滚柱丝杠副中的运动规律保持不变，简化结构，便于同步滚轧加工成形，提高滚柱运动过程中的稳定性，减少滚柱在传递载荷中的变形，提升行星滚柱丝杠副的总体性能。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱，包括两端齿轮段结构1与中间螺纹段结构2，两端齿轮段结构1为斜齿形结构。

对于标准型行星滚柱丝杠，滚柱3的两端齿轮段结构1的齿顶圆半径

减小，不与第一丝杠6进行物理接触，且滚柱齿轮与内齿圈4的传动比i符合行星滚柱丝杠中滚柱、第一丝杠6与第一螺母5的运动关系；同理，在反向式行星滚柱丝杠当中，两端齿轮段结构1的齿顶圆半径

减小，不与第二螺母9的内螺纹进行物理接触，滚柱齿轮与齿轮环的传动比i符合行星滚柱丝杠中滚柱、第二丝杠8与第二螺母9的运动关系。

若为标准式行星滚柱丝杠副，所述的行星滚柱丝杠副的滚柱的两端齿轮段结构1实现方法如下：

取滚柱3的两端齿轮段结构1的齿顶圆半径为

其和第一丝杠6的关系为：

其中a为滚柱3与第一丝杠6之间的中心距，r_a为第一丝杠6的螺纹外径参数；

取两端齿轮段结构1与内齿圈4的齿数分别为Z₁、Z₂，其中Z₂/Z₁＝i；取两端齿轮段结构1与内齿圈4的端面模数分别为m_t1、m_t2，有

取两端齿轮段结构1与内齿圈4端面压力角分别为α_t1、α_t2，其取值大小根据传动要求进行选取，有m_t1cosα_t1＝m_t2cosα_t2；；取两端齿轮段结构1与内齿圈4的斜齿轮螺旋升角为β，其旋向相同，且与中间螺纹段结构2的旋向相反，螺纹取值大小根据传动要求进行选取；

取两端齿轮段结构1、内齿圈4的齿顶高系数为

取两端齿轮段结构1、内齿圈4的变位系数x_t1、x_t2，有

取内齿圈4齿顶圆半径为r_a2，有

两端齿轮段结构1与内齿圈4的啮合重合度为ε_α，其取值根据两端齿轮段结构1的齿数Z₁、端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿顶圆半径

与内齿圈4的齿数Z₂、端面模数m_t2、端面压力角α_t2、齿顶圆半径

螺旋升角β、啮合齿宽B确定，有

根据公式(1)进行判断，若重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需调整相应参数m_t1、m_t2与Z₁、Z₂直到能够满足重合度ε_α≥1的要求；

在行星滚柱丝杠副当中，要求m_t1＝m_t2，α_t1＝α_t2，如所用参数不能满足要求，需要进行变模数啮合，即m_t1≠m_t2、α_t1≠α_t2，

取内齿圈4的端面模数、端面压力角为m_t2、α_t2，其内齿圈模数m_t2的取值根据节点内齿轮啮合特性及滚柱3与第一丝杠6的中心距，传动比i，滚柱齿轮的端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿数Z₁确定，有：

内齿圈的端面压力角α_t2根据滚柱齿轮的模数、压力角与内齿圈的模数确定，有：m_t1cosα_t1＝m_t2cosα_t2、m_t1≠m_t2；

取两端齿轮段结构1与内齿圈4的螺旋升角β、啮合齿宽B，代入式(1)中进行判断，当重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需继续调整相应参数m_t1、m_t2与Z₁、Z₂直到能够满足重合度ε_α≥1的要求。

若为反向式行星滚柱丝杠副，所述行星滚柱丝杠滚柱的两端齿轮段结构1实现方法如下：

取滚柱3的两端齿轮段结构1的齿顶圆半径为

其和第二螺母9的关系为：

其中a为滚柱3与第二丝杠8之间的中心距，

为第二螺母9的螺纹大径参数；

取两端齿轮段结构1与齿轮7的齿数分别为Z₁、Z₃，其中Z₃/Z₁＝i；取两端齿轮段结构1与齿轮7的端面模数分别为m_t1、m_t3，有

取两端齿轮段结构1与齿轮7的端面压力角分别为α_t1、α_t3，其取值大小根据传动要求进行选取，且m_t1cosα_t1＝m_t3cosα_t3；取滚柱两端齿轮段结构1与齿轮7的螺旋升角为β，其旋向相反，且滚柱两端齿轮段1与滚柱中间螺纹段结构2的旋向相反，取值大小根据传动要求进行选取；

取两端齿轮段结构1与齿轮7的齿顶高系数为

两端齿轮段结构1与齿轮7的端面变位系数为x_t1、x_t3，有

取齿轮7齿顶圆半径为

有

滚柱齿轮与齿轮7的啮合重合度为ε_α，其取值根据滚柱齿轮3的齿数Z₁、端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿顶圆半径

与齿轮7的齿数Z₃、模数m_t3、压力角α_t3、齿顶圆半径

螺旋升角β、啮合齿宽B确定，有

根据公式(2)进行判断，若重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需调整相应参数m_t1、m_t3与Z_t1、Z_t3直到能够满足重合度ε_α≥1的要求；

在行星滚柱丝杠副当中，有m_t1＝m_t3，α_t1＝α_t3，由于结构的限制，参数均不能满足要求，需要进行变模数啮合，即m_t1≠m_t3、α_t1≠α_t3，

取齿轮7的端面模数、端面压力角为m_t3、α_t3，其模数m_t3的取值根据节点内齿轮啮合特性及滚柱3与齿轮7的中心距a，传动比i，滚柱齿轮的端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿数Z₁确定，有：

齿轮7的端面压力角α_t3根据滚柱齿轮的模数、压力角与齿轮7的模数确定，有：m_t1cosα_t1＝m_t3cosα_t3、m_t1≠m_t3；

代入式(2)中进行判断，当重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需继续调整相应参数m_t1、m_t2与Z_t1、Z_t2直到能够满足重合度ε_α≥1的要求。

本发明的有益效果为：

(1)本发明中滚柱两端齿轮不需同丝杠接触，仅和内齿圈啮合进行行星运动，既保证了传动与之前相同，保证了齿轮传动的平稳性，又避免了齿轮段上的螺纹结构。

(2)本发明中滚柱两端齿轮段为斜齿轮结构，增大了啮合重合度，提高了滚柱传动的稳定性，且滚柱齿轮的螺旋方向与滚柱螺纹段的旋向相反，可以减少滚柱的轴向力，以减小滚柱的轴向变形，提高行星滚柱丝杠副的传动精度。

(3)本发明行星滚柱丝杠副滚柱的结构得到了简化，便于同步滚轧的塑性成型加工，材料强度与机械性能得到提升，齿轮与螺纹的相位精度得到保证。

附图说明

图1为本发明实施例的滚柱三维示意图。

图2为本发明实施例1行星滚柱丝杠副三维示意图。

图3为本发明实施例1行星滚柱丝杠副剖面示意图。

图4为本发明实施例2行星滚柱丝杠副三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1，一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱，包括两端齿轮段结构1与中间螺纹段结构2，中间螺纹段结构2与传统的行星滚柱丝杠滚柱的中间螺纹段结构形式一致，两端齿轮段结构1仅有斜齿形结构。

实施例1，参照图1、图2和图3，取滚柱3的两端齿轮段结构1的齿顶圆半径为

其和第一丝杠6的关系为：

其中a为滚柱3与第一丝杠6之间的中心距，r_a为第一丝杠6的螺纹外径参数；

取两端齿轮段结构1与内齿圈4的齿数分别为Z₁、Z₂，其中Z₂/Z₁＝i；取两端齿轮段结构1与内齿圈4的端面模数分别为m_t1、m_t2，有

取两端齿轮段结构1与内齿圈4端面压力角分别为α_t1、α_t2，其取值大小根据传动要求进行选取，有m_t1cosα_t1＝m_t2cosα_t2；；取两端齿轮段结构1与内齿圈4的斜齿轮螺旋升角为β，其旋向相同，且与滚柱中间螺纹段结构2的旋向相反，螺纹取值大小根据传动要求进行选取；

取两端齿轮段结构1、内齿圈4的齿顶高系数为

取两端齿轮段结构1、内齿圈4的变位系数x_t1、x_t2，有

取内齿圈4齿顶圆半径为r_a2，有

两端齿轮段结构1与内齿圈4的啮合重合度为ε_α，其取值根据两端齿轮段结构1的齿数Z₁、端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿顶圆半径

与内齿圈4的齿数Z₂、端面模数m_t2、端面压力角α_t2、齿顶圆半径

螺旋升角β、啮合齿宽B确定，有

根据公式(1)进行判断，若重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需调整相应参数m_t1、m_t2与Z₁、Z₂直到能够满足重合度ε_α≥1的要求；

在行星滚柱丝杠副当中，要求m_t1＝m_t2，α_t1＝α_t2，如所用参数不能满足要求，需要进行变模数啮合，即m_t1≠m_t2、α_t1≠α_t2，

取内齿圈4的端面模数、端面压力角为m_t2、α_t2，其内齿圈模数m_t2的取值根据节点内齿轮啮合特性及滚柱3与第一丝杠6的中心距，传动比i，滚柱齿轮的端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿数Z₁确定，有：

内齿圈的端面压力角α_t2根据滚柱齿轮的模数、压力角与内齿圈的模数确定，有：m_t1cosα_t1＝m_t2cosα_t2、m_t1≠m_t2；

取两端齿轮段结构1与内齿圈4的螺旋升角β、啮合齿宽B，代入式(1)中进行判断，当重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需继续调整相应参数m_t1、m_t2与Z₁、Z₂直到能够满足重合度ε_α≥1的要求。

实施例2，参照图1和图4，在反向式行星滚柱丝杠当中，取滚柱3的两端齿轮段结构1的齿顶圆半径为

其和第二螺母9的关系为：

其中a为滚柱3与第二丝杠8之间的中心距，

为第二螺母9的螺纹大径参数；

取两端齿轮段结构1与齿轮7的齿数分别为Z₁、Z₃，其中Z₃/Z₁＝i；取两端齿轮段结构1与齿轮7的端面模数分别为m_t1、m_t3，有

取两端齿轮段结构1与齿轮7的端面压力角分别为α_t1、α_t3，其取值大小根据传动要求进行选取，且m_t1cosα_t1＝m_t3cosα_t3；取滚柱两端齿轮段结构1与齿轮7的螺旋升角为β，其旋向相反，且滚柱两端齿轮段1与滚柱中间螺纹段结构2的旋向相反，取值大小根据传动要求进行选取；

取两端齿轮段结构1与齿轮7的齿顶高系数为

两端齿轮段结构1与齿轮7的端面变位系数为x_t1、x_t3，有

取齿轮7齿顶圆半径为

有

滚柱齿轮与齿轮7的啮合重合度为ε_α，其取值根据滚柱齿轮3的齿数Z₁、端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿顶圆半径

与齿轮7的齿数Z₃、模数m_t3、压力角α_t3、齿顶圆半径

螺旋升角β、啮合齿宽B确定，有

根据公式(2)进行判断，若重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需调整相应参数m_t1、m_t3与Z_t1、Z_t3直到能够满足重合度ε_α≥1的要求；

在行星滚柱丝杠副当中，有m_t1＝m_t3，α_t1＝α_t3，由于结构的限制，参数均不能满足要求，需要进行变模数啮合，即m_t1≠m_t3、α_t1≠α_t3，

取齿轮7的端面模数、端面压力角为m_t3、α_t3，其模数m_t3的取值根据节点内齿轮啮合特性及滚柱3与齿轮7的中心距a，传动比i，滚柱齿轮的端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿数Z₁确定，有：

齿轮7的端面压力角α_t3根据滚柱齿轮的模数、压力角与齿轮7的模数确定，有：m_t1cosα_t1＝m_t3cosα_t3、m_t1≠m_t3；

代入式(2)中进行判断，当重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需继续调整相应参数m_t1、m_t2与Z_t1、Z_t2直到能够满足重合度ε_α≥1的要求。

Claims (2)

1.一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱，其特征在于：包括两端齿轮段结构(1)与中间螺纹段结构(2)，两端齿轮段结构(1)为斜齿形结构，两端齿轮段结构(1)与行星滚柱丝杠副第一螺母上的内齿圈(4)相互啮合；

行星滚柱丝杠为标准型行星滚柱丝杠，滚柱(3)的两端齿轮段结构(1)的齿顶圆半径

减小，不与第一丝杠(6)进行物理接触，且两端齿轮段结构与内齿圈(4)的传动比i符合行星滚柱丝杠中滚柱、第一丝杠(6)与第一螺母(5)的运动关系；

所述的行星滚柱丝杠副的滚柱的两端齿轮段结构(1)实现方法如下：

取滚柱(3)的两端齿轮段结构(1)的齿顶圆半径为

其和第一丝杠(6)的关系为：

其中a为滚柱(3)与第一丝杠(6)之间的中心距，r_a为第一丝杠(6)的螺纹外径参数；

取两端齿轮段结构(1)与内齿圈(4)的齿数分别为Z₁、Z₂，其中Z₂/Z₁＝i；取两端齿轮段结构(1)与内齿圈(4)的端面模数分别为m_t1、m_t2，有

取两端齿轮段结构(1)与内齿圈(4)端面压力角分别为α_t1、α_t2，其取值大小根据传动要求进行选取，有m_t1cosα_t1＝m_t2cosα_t2；取两端齿轮段结构(1)与内齿圈(4)的斜齿轮螺旋升角为β，其旋向相同，且与中间螺纹段结构(2)的旋向相反，螺纹取值大小根据传动要求进行选取；

取两端齿轮段结构(1)、内齿圈(4)的齿顶高系数为

取两端齿轮段结构(1)、内齿圈(4)的变位系数x_t1、x_t2，有

取内齿圈(4)齿顶圆半径为r_a2，有

两端齿轮段结构(1)与内齿圈(4)的啮合重合度为ε_α，其取值根据两端齿轮段结构(1)的齿数Z₁、端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿顶圆半径

与内齿圈(4)的齿数Z₂、端面模数m_t2、端面压力角α_t2、齿顶圆半径

螺旋升角β、啮合齿宽B确定，有

根据公式(1)进行判断，若重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合副在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需调整相应参数m_t1、m_t2与Z₁、Z₂直到能够满足重合度ε_α≥1的要求；

在行星滚柱丝杠副当中，要求m_t1＝m_t2，α_t1＝α_t2，如所用参数不能满足要求，需要进行变模数啮合，即m_t1≠m_t2、α_t1≠α_t2，

取内齿圈(4)的端面模数、端面压力角为m_t2、α_t2，其内齿圈模数m_t2的取值根据节点内齿轮啮合特性及滚柱(3)与第一丝杠(6)的中心距，传动比i，两端齿轮段结构的端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿数Z₁确定，有：

内齿圈的端面压力角α_t2根据两端齿轮段结构的模数、压力角与内齿圈的模数确定，有：m_t1cosα_t1＝m_t2cosα_t2、m_t1≠m_t2；

取两端齿轮段结构(1)与内齿圈(4)的螺旋升角β、啮合齿宽B，代入式(1)中进行判断，当重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合副在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需继续调整相应参数m_t1、m_t2与Z₁、Z₂直到能够满足重合度ε_α≥1的要求。

2.一种改善滚柱受力的行星滚柱丝杠副的滚柱，其特征在于：包括两端齿轮段结构(1)与中间螺纹段结构(2)，两端齿轮段结构(1)为斜齿形结构，两端齿轮段结构(1)与行星滚柱丝杠副第二丝杠两端的齿轮(7)相互啮合；

行星滚柱丝杠为反向式行星滚柱丝杠，两端齿轮段结构(1)的齿顶圆半径

减小，不与第二螺母(9)的内螺纹进行物理接触，两端齿轮段结构与齿轮(7)的传动比i符合行星滚柱丝杠中滚柱、第二丝杠(8)与第二螺母(9)的运动关系；

所述行星滚柱丝杠滚柱的两端齿轮段结构(1)实现方法如下：

取滚柱(3)的两端齿轮段结构(1)的齿顶圆半径为

其和第二螺母(9)的关系为：

其中a为滚柱(3)与第二丝杠(8)之间的中心距，

为第二螺母(9)的螺纹大径参数；

取两端齿轮段结构(1)与齿轮(7)的齿数分别为Z₁、Z₃，其中Z₃/Z₁＝i；取两端齿轮段结构(1)与齿轮(7)的端面模数分别为m_t1、m_t3，有

取两端齿轮段结构(1)与齿轮(7)的端面压力角分别为α_t1、α_t3，其取值大小根据传动要求进行选取，且m_t1cosα_t1＝m_t3cosα_t3；取滚柱两端齿轮段结构(1)与齿轮(7)的螺旋升角为β，其旋向相反，且滚柱两端齿轮段(1)与滚柱中间螺纹段结构(2)的旋向相反，取值大小根据传动要求进行选取；

取两端齿轮段结构(1)与齿轮(7)的齿顶高系数为

两端齿轮段结构(1)与齿轮(7)的端面变位系数为x_t1、x_t3，有

取齿轮(7)齿顶圆半径为

有

两端齿轮段结构与齿轮(7)的啮合重合度为ε_α，其取值根据两端齿轮段结构(1)的齿数Z₁、端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿顶圆半径

与齿轮(7)的齿数Z₃、模数m_t3、压力角α_t3、齿顶圆半径

螺旋升角β、啮合齿宽B确定，有

根据公式(2)进行判断，若重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合副在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需调整相应参数m_t1、m_t3与Z_t1、Z_t3直到能够满足重合度ε_α≥1的要求；

在行星滚柱丝杠副当中，有m_t1＝m_t3，α_t1＝α_t3，由于结构的限制，参数均不能满足要求，需要进行变模数啮合，即m_t1≠m_t3、α_t1≠α_t3，

取齿轮(7)的端面模数、端面压力角为m_t3、α_t3，其模数m_t3的取值根据节点内齿轮啮合特性及滚柱(3)与齿轮(7)的中心距a，传动比i，两端齿轮段结构的端面模数m_t1、端面压力角α_t1、齿数Z₁确定，有：

齿轮(7)的端面压力角α_t3根据两端齿轮段结构的模数、压力角与齿轮(7)的模数确定，有：m_t1cosα_t1＝m_t3cosα_t3、m_t1≠m_t3；

代入式(2)中进行判断，当重合度ε_α≥1时，即表明该齿轮啮合副在传动过程中运动平稳，所取参数符合结构要求；若重合度ε_α<1，则表示参数并不能满足要求，需继续调整相应参数m_t1、m_t2与Z_t1、Z_t2直到能够满足重合度ε_α≥1的要求。

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