CN111473098A - 具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠 - Google Patents

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CN111473098A CN202010285836.6A CN202010285836A CN111473098A CN 111473098 A CN111473098 A CN 111473098A CN 202010285836 A CN202010285836 A CN 202010285836A CN 111473098 A CN111473098 A CN 111473098A
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邓攀
黄鸿坤
童小川
黄强强
夏占
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    • F16H25/00—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
    • F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20—Screw mechanisms
    • F16H25/22—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members
    • F16H25/2247—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members with rollers
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Abstract

本发明涉及一种具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，包括丝杠、螺母、滚柱，丝杠与螺母之间通过滚柱传动连接，且滚柱与丝杠、螺母之间为传动螺纹连接，所述滚柱的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面，所述丝杠和螺母的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面或直线面。所述螺纹的侧面由渐开线螺旋面构成，一个螺纹牙由一对渐开线螺旋面构成，两个渐开线螺旋面位于螺纹牙的两侧对称性分布。本发明使得滚柱与丝杠、螺母的接触为线接触，可以大幅度的提升行星滚柱丝杠的承载能力。特别的该形式的牙形，可以降低在大螺距、高传动比的情况下边缘咬合、承载能力下降等不良影响。

Description

具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠
技术领域
本发明涉及一种行星滚柱丝杠，尤其是一种将旋转运动转化为直线运动的行星螺旋传动机构。
背景技术
相比滚珠丝杠，滚柱丝杠具有承载能力更强、速度更快、精度更高、寿命更长、维护成本低等特点，从而成为航空机械、数控机床、精密仪器和仪表等精密机械设备中最为关键的基础部件之一，并得到了相当广泛的应用。
如图1所示，行星滚柱丝杠除丝杠1、螺母3、滚柱4外，还包括内齿圈2、行星架5、挡圈6等零件。根据传动过程中滚柱与螺母、丝杠之间的相对运动形式，行星滚柱丝杠大体上可以分成标准型、螺母型和循环型等三种类型，其中标准型滚柱与螺母轴向保持相对静止，螺母型滚柱与丝杠轴向保持相对静止，循环型滚柱相对于螺母作轴向周期型前后运动。
在具体运动过程中滚柱螺纹与丝杠螺纹、螺母螺纹分别啮合，以传动动力。当丝杠旋转时，螺母沿丝杠轴线移动，滚柱自转同时绕丝杠作行星运动，同时保持与螺母相同的轴向移动速度。通过上述的运动将旋转运动转化为直线运动。
在传动过程中，平面轮廓的螺纹接触点多，但是不能保证滚柱与丝杠(螺母)接触点处的直径保持恒定。为了获得精确的导程必须保证螺纹接触点的稳定性和精确性，滚柱和丝杠(螺母)的螺纹牙轮廓应该至少有一处为曲面。在以往的设计中，丝杠1与螺母3是具有相同头数的三角螺纹，法向(轴向)牙廓为直线；而滚柱4一般为单头螺纹，法向(轴向)牙廓为圆弧R。螺纹的齿形角α一般为90°，具体如图2(a)，(b)，(c)所示。传统的滚柱丝杠螺母啮合如图3所示。传统的行星滚柱螺纹牙型为了保证滚柱与丝杠接触点处的直径保持恒定，采用直线与圆弧接触的形式保证接触点处的直径保持恒定。由于滚柱与丝杠的螺纹旋向相同，它们之间的接触点在螺纹的中径附近，而非完全处于螺纹中径；理想状态下，滚柱与螺母之间的接触点处于中径处，然而，实际状态下受加工与装配误差的影响，接触点会偏离理想位置。接触点的偏移使滚柱与丝杠、螺母在接触点滑动，严重影响行星滚柱丝杠的承载、摩擦、磨损、效率和润滑等传动性能。尤其是滚柱与丝杠、螺母之间的传动比严重依赖加工、装配，安装中心距、偏斜均会影响传动比。而且，这种形式的牙型使得滚柱与丝杠、螺母的接触为点接触，行星滚柱丝杠的承载能力大下降。
发明内容
为了进一步提高行星滚柱丝杠的承载能力，以及消除由于加工、装配等影响行星滚柱丝杠中滚柱、丝杠、螺母三者之间的相互啮合，保证在传动过程中三者之间的传动比不受接触点位置的影响，本发明提供一种具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，该行星滚柱丝杠继承渐开线斜齿轮传动的优势，大大降低了滚柱、丝杠、螺母三者传动受装配、加工的影响，保证传动的稳定性，同时，具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，它们之间的接触为线接触，可以大大提高行星滚柱丝杠的承载能力。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种渐开线螺旋面螺纹的行星滚柱丝杠，包括丝杠、螺母、滚柱，丝杠与螺母之间通过滚柱传动连接，且滚柱与丝杠、螺母之间为传动螺纹连接，所述滚柱的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面，所述丝杠和螺母的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面或直线面。
进一步，所述螺纹的侧面由渐开线螺旋面构成，一个螺纹牙由一对渐开线螺旋面构成，两个渐开线螺旋面位于螺纹牙的两侧对称性分布。
进一步，当所述滚柱与螺母的螺纹旋向相同、螺纹升角相等时，所述滚柱与螺母的端面牙型在螺纹中径处的牙厚相等；所述滚柱与螺母的渐开线基圆之比满足以下的关系：
Figure BDA0002448470420000021
其中，k1为螺母的螺纹头数，k2为滚柱的螺纹头数，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rn螺母的渐开线基圆半径。
进一步，当所述丝杠采用直线牙廓的三角螺纹或渐开线螺旋面的螺纹，螺纹头数与螺母相同；所述丝杠的端面渐开线的基圆半径与滚柱及螺母相关，具体关系为：
Rs＝Rn-2Rr
其中，Rs为丝杠的渐开线基圆半径，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rn螺母的渐开线基圆半径。
进一步，当所述滚柱与丝杠的螺纹旋向相同、螺纹升角相等时，所述滚柱与丝杠的端面牙型在螺纹中径处的牙厚相等；所述滚柱与丝杠的渐开线基圆之比满足以下的关系：
Figure BDA0002448470420000031
其中，ks为丝杠的螺纹头数，kr为滚柱的螺纹头数，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rs丝杠的渐开线基圆半径。
进一步，当所述螺母采用直线牙廓的三角螺纹或者渐开线螺旋面的螺纹，螺纹头数与丝杠相同；所述螺母端面渐开线的基圆半径与滚柱及丝杠相关，具体关系为：
Rn＝Rs+2Rr
其中，Rn螺母的渐开线基圆半径，Rs丝杠的渐开线基圆半径，Rr为滚柱的渐开线基圆半径。
进一步，所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，螺纹侧面为直线面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
进一步，所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
进一步，所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，丝杠螺纹侧面为渐开线螺纹旋面，螺母螺纹侧面为直线面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
进一步，所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，丝杠螺纹侧面为直线面，螺母螺纹侧面为渐开线螺纹旋面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
本发明的有益效果：
本发明所提供的互相呈螺旋啮合的一对渐开线螺旋面行星滚柱丝杠螺纹，在允许的啮合范围内，无论把他们安放在怎样的中心距和交叉角上，其传动速度比都是恒定的，即是中心距以及交叉角均可分，大大降低安装制造所导致的传动误差和不平稳性。
这种形式的牙型使得滚柱与丝杠、螺母的接触为线接触，可以大幅度的提升行星滚柱丝杠的承载能力。特别的该形式的牙形，可以降低在大螺距、高传动比的情况下边缘咬合、承载能力下降等不良影响。
附图说明
图1为现有的行星滚柱丝杠组件结构示意图；
图2为现有的行星滚柱丝杠牙型轮廓图；
其中：(a)滚柱，(b)螺母，(c)丝杠；
图3为现有的行星滚柱丝杠中滚柱、螺母、丝杠啮合图；
图4为渐开线螺旋面螺纹图；
图5为渐开线螺旋面图；
图6为渐开线螺纹旋面螺纹端面牙形图；
图7为渐开线牙形修型示意图；
图8为本发明的渐开线牙廓滚柱、螺母、丝杠啮合图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图4，8所示，本发明的渐开线螺旋面螺纹的行星滚柱丝杠，包括丝杠1、螺母3、滚柱4，丝杠1与螺母3之间通过滚柱4传动连接，且滚柱4与丝杠1、螺母3之间为传动螺纹连接。滚柱4的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL，丝杠1和螺母3的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL或直线面L。
如图4所示，螺纹的侧面由渐开线螺旋面JL构成。一个螺纹牙由一对渐开线螺旋面JL构成，两个渐开线螺旋面JL位于螺纹牙的两侧，成一定的“对称性”分布。丝杠的螺纹牙数即是该螺纹的头数，与特定的设计相关。
如图5，一般而言，圆柱螺旋线的切线组成的曲面，称为渐开线螺旋面。该螺旋线成为基圆螺旋线T，该螺旋线所在的圆柱为基圆柱U，基圆螺旋线的切线为直母线W。
渐开线螺旋面的一个重要性质是，其端面截形(如图6)为渐开线J，该渐开线J的基圆半径即是基圆柱的半径。需要特别注意的是，此时仅仅是端截面为渐开线，法截面则不是渐开线。因此，可以首先建立渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠螺纹的端面渐开线，渐开线螺旋面通过该端面渐开线绕螺旋线运动形成。
在具体实施时，对于标准型产品中，滚柱与螺母的螺纹旋向相同、螺纹升角相等。在设计过程中，为了保证两者相互啮合的平稳性，一般设计为：(1)两者的端面牙型在螺纹中径处的牙厚相等；(2)两者渐开线基圆之比需满足以下的关系：
Figure BDA0002448470420000051
其中，k1为螺母的螺纹头数，k2为滚柱的螺纹头数，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rn螺母的渐开线基圆半径。
丝杠设计可以采用直线牙廓的三角螺纹或者同样是渐开线螺旋面的螺纹，其头数与螺母相同。若采用渐开线螺旋面，丝杠端面渐开线的基圆半径与滚柱及螺母相关，具体关系为：
Rs＝Rn-2Rr
其中，Rs为丝杠的渐开线基圆半径，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rn螺母的渐开线基圆半径。
此外，丝杠与滚柱相互啮合时，需要对丝杠进行修型，具体方法为建立初始渐开线的等距渐开线，此等距渐开线与原始渐开线具有同样的基圆，它们仅仅是起点不同，同时可以保证螺纹的牙形角α保持不变，此性质对于螺纹的传动十分有利。如图7所示螺纹牙廓渐开线由位置M1平移到位置M2，牙厚由B'B变为B'xBx，但牙形角、牙廓形状并未变化。
对于螺母型产品中，滚柱与丝杠的螺纹旋向相同、螺纹升角相等。在设计过程中，为了保证两者相互啮合的平稳性，一般设计为：(1)两者的端面牙型在螺纹中径处的牙厚相等；(2)两者渐开线基圆之比需满足以下的关系：
Figure BDA0002448470420000061
其中，ks为丝杠的螺纹头数，kr为滚柱的螺纹头数，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rs丝杠的渐开线基圆半径。
螺母设计可以采用直线牙廓的三角螺纹或者同样是渐开线螺旋面的螺纹，其头数与丝杠相同。若采用渐开线螺旋面，螺母端面渐开线的基圆半径与滚柱及丝杠相关，具体关系为：
Rn＝Rs+2Rr
其中，Rn螺母的渐开线基圆半径。
应用渐开线牙形的，滚柱、丝杠、螺母三者之间的相互啮合关系如图8。此渐开线螺旋面建立同样可以适用于其他形式的行星滚柱丝杠。
其中：(1)丝杠1与螺母3是具有相同头数的螺纹，螺纹侧面为直线面L；而滚柱4为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL。(2)丝杠1与螺母3是具有相同头数的螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL；而滚柱4为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL。(3)丝杠1与螺母3是具有相同头数的螺纹，丝杠螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL，螺母3螺纹侧面为直线面L；而滚柱4为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL。(4)丝杠1与螺母3是具有相同头数的螺纹，丝杠螺纹侧面为直线面L，螺母3螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL；而滚柱4为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面JL。
本发明并不限于上述实例，在本发明的权利要求书所限定的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种变形或修改均受本发明的保护。

Claims (10)

1.一种具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，包括丝杠、螺母、滚柱，丝杠与螺母之间通过滚柱传动连接，且滚柱与丝杠、螺母之间为传动螺纹连接，其特征在于：所述滚柱的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面，所述丝杠和螺母的螺纹侧面为渐开线螺纹旋面或直线面。
2.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：所述螺纹的侧面由渐开线螺旋面构成，一个螺纹牙由一对渐开线螺旋面构成，两个渐开线螺旋面位于螺纹牙的两侧对称性分布。
3.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：当所述滚柱与螺母的螺纹旋向相同、螺纹升角相等时，所述滚柱与螺母的端面牙型在螺纹中径处的牙厚相等；所述滚柱与螺母的渐开线基圆之比满足以下的关系：
Figure FDA0002448470410000011
其中，k1为螺母的螺纹头数，k2为滚柱的螺纹头数，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rn螺母的渐开线基圆半径。
4.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：当所述丝杠采用直线牙廓的三角螺纹或渐开线螺旋面的螺纹，螺纹头数与螺母相同；所述丝杠的端面渐开线的基圆半径与滚柱及螺母相关，具体关系为：
Rs＝Rn-2Rr
其中，Rs为丝杠的渐开线基圆半径，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rn螺母的渐开线基圆半径。
5.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：当所述滚柱与丝杠的螺纹旋向相同、螺纹升角相等时，所述滚柱与丝杠的端面牙型在螺纹中径处的牙厚相等；所述滚柱与丝杠的渐开线基圆之比满足以下的关系：
Figure FDA0002448470410000012
其中，ks为丝杠的螺纹头数，kr为滚柱的螺纹头数，Rr为滚柱的渐开线基圆半径，Rs丝杠的渐开线基圆半径。
6.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：当所述螺母采用直线牙廓的三角螺纹或者渐开线螺旋面的螺纹，螺纹头数与丝杠相同；所述螺母端面渐开线的基圆半径与滚柱及丝杠相关，具体关系为：
Rn＝Rs+2Rr
其中，Rn螺母的渐开线基圆半径，Rs丝杠的渐开线基圆半径，Rr为滚柱的渐开线基圆半径。
7.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，螺纹侧面为直线面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
8.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
9.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，丝杠螺纹侧面为渐开线螺纹旋面，螺母螺纹侧面为直线面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
10.根据权利要求1所述的具有渐开线螺旋面的行星滚柱丝杠，其特征在于：所述丝杠与螺母是具有相同头数的螺纹，丝杠螺纹侧面为直线面，螺母螺纹侧面为渐开线螺纹旋面；而滚柱为单头螺纹，螺纹侧面为渐开线螺纹旋面。
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