CN112313430B - 滚珠丝杠 - Google Patents

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Abstract

滚珠丝杠具有：在外周面形成有螺旋状的第1螺纹槽(11)的螺杆轴(10)；配置在螺杆轴(10)的周围并且在内周面形成有螺旋状的第2螺纹槽(21)的螺母(20)；容纳在利用对置的两螺纹槽(11、21)形成的滚动路径23内的多个滚珠(30)；以及构成用于使多个滚珠(30)在(1)圈以下的滚动路径(23)中循环的滚珠返回通道(42)的循环盖板(40)。然后，通过以使用了导程(L)、滚珠直径(Da)、导程角(β)的式子求出滚珠返回通道(42)的最大倾斜角度(α)，减小进出变动。

Description

滚珠丝杠
技术领域
本发明涉及滚珠丝杠，更详细而言，涉及一种内部循环方式的滚珠丝杠，其中，使穿过在螺杆轴与螺母之间形成的滚动路径的多个滚珠进行循环。
背景技术
滚珠丝杠作为可实现精密定位的装置，应用于工作设备、工业设备等的搬运装置、工作台输送装置、汽车的转向装置等。另外，在内部循环方式的滚珠丝杠中，使用了循环盖板的盖板式的滚珠丝杠在各种滚珠丝杠中具有最能够紧凑化的优点。
专利文献1公开了一种滚珠丝杠装置，其具备：以水平状态配置并旋转的螺杆轴；外嵌于该螺杆轴的螺母；能够滚动地填充在由螺杆轴和螺母的滚珠滚动槽形成的滚道内的多个滚珠；以及具有滚珠返回槽且内装于螺母的多个循环盖板。多个循环盖板以在螺母的轴向为一列并且各循环盖板的相位略微在上的方式进行配置，由此，使滚珠返回槽内一直产生间隙以防止滚珠堵塞现象，抑制滚珠通过周期的工作扭矩的变动，实现抑制工作扭矩的变动所伴随的不良状况。
另外，专利文献2中已知一种滚珠丝杠，其中，在各滚珠间设置弹性体，对作用于循环部一端的滚珠与另一端的滚珠之间的滚珠进出方向的弹性体的弹性常数进行规定，由此吸收循环部内的滚珠的进出变动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-47333号公报
专利文献2：日本特开2004-108395号公报
发明内容
发明欲解决的技术问题
然而，若在由槽、圆筒等形成的曲线路径上使球体排列移动，则会产生球体列的总长根据曲线路径上的球体的位置而变化的现象。例如，如果在如图14这样的曲线路径中填充球体B，则在图14的(a)和(b)中球体B的位置存在差异，其总长微微不同。其原因在于，连结球体B的中心线S1从槽的中心线S2偏离而缩短，但其缩短量因球体B的位置而变化。换言之，若球体列通过图14这样的槽，则其总长L1、L2发生伸缩。
如果是无限连续的球体列通过曲线路径，则即使发生伸缩，由于在前后存在球体B也无法伸长，从而球体B自身发生弹性变形而消除伸长。作为结果，在伸长的时刻，球体B相互挤压碰撞，因此无法顺畅地通过曲线路径。但是，伸缩量根据曲线路径的曲率半径、曲线的长度而变化，因此若已知伸缩量变小的曲线形状，则能够实现球体B的顺畅的通过。
另外，若球体列伸缩，则在曲线路径的进出口，球体B进入到入口的量以及从出口出去的量不会相同，按照伸缩的程度而存在差异。因此，有时将该现象称为进出变动，并将伸缩量称为进出变动量。
盖板式滚珠丝杠在循环盖板的内部具有复杂的3维曲线形状的循环路径，成为球体列在其中通过的结构。即，如图14所示，在以固定曲率的曲线描画滚珠返回通道的情况下，该进出变动量能够通过算式求得，但是，循环盖板的滚珠避让通道并非由固定曲率的曲线构成，而是三维曲线形状(参照图2)，因此很难计算求得进出变动量。作为结果，存在无法减小进出变动而球体不会在滚珠返回通道内顺畅地循环的问题。
另外，根据专利文献1记载的滚珠丝杠装置，需要在螺母上设置用于嵌合循环盖板的孔或槽，存在螺母在热处理时容易变形的生产上的问题。另外，位于循环盖板内的滚珠无法承受负荷，各滚珠的负荷平衡变差，作为结果，滚珠丝杠装置的寿命可能下降。
另外，专利文献2记载的滚珠丝杠需要根据在滚珠间设置弹性体的程度，减少滚珠数量。因此，滚珠丝杠的负荷容量降低。另外，组装时的滚珠填充作业变得繁杂，并且担心由柔软性高的材质构成的弹性体的强度、耐磨损性，很难在高速旋转条件下使用。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种具有循环部的滚珠丝杠，该循环部能够减小滚珠通过滚珠返回通道时的进出变动。
用于解决问题的技术手段
本发明的上述目的通过下述结构而达成。
(1)一种滚珠丝杠，其特征在于，具备：
螺杆轴，所述螺杆轴在外周面形成有螺旋状的螺纹槽；
螺母，所述螺母配置在所述螺杆轴的周围，并且在内周面形成有螺旋状的螺纹槽；
多个滚珠，所述滚珠容纳在由对置的两个所述螺纹槽形成的滚动路径内；以及
循环部，所述循环部构成用于使该多个滚珠在1圈以下的所述滚动路径中进行循环的滚珠返回通道，
所述循环部的滚珠返回通道被形成为：设导程为L，滚珠直径为Da，导程角为β，则所述滚珠返回通道的最大倾斜角度α满足下述(c1)～(c3)中任一者。
α＝22.63(L/Da)2-32.17(L/Da)+27.00-β±5 (c1)
α＝5.86(L/Da)2+2.09(L/Da)+2.45-β±5 (c2)
α＝7.24(L/Da)2-23.65(L/Da)+44.83-β±5 (c3)
(2)根据(1)所述的滚珠丝杠，其特征在于，
所述循环部由循环盖板构成。
发明效果
根据本发明的滚珠丝杠，通过使循环部的滚珠返回通道形成为滚珠返回通道的最大倾斜角度α满足上述(c1)～(c3)中任一者，从而能够减小滚珠通过滚珠返回通道时的进出变动。
附图说明
图1是本发明涉及的滚珠丝杠的立体图。
图2是示出通过循环路的钢珠列以及螺杆轴和循环盖板的立体图。
图3中，(a)是示出螺杆轴的螺纹槽和循环盖板的滚珠返回通道的示意图；(b)是示出循环盖板的滚珠返回通道的形状的俯视图；(c)是沿着(a)的滚珠返回通道中心线的剖视图。
图4是在直径与滚珠中心圆相同的圆筒面上描绘的将滚珠返回通道平面展开时求得的滚珠返回通道的曲率半径的说明图。
图5是示出进出变动量与盖板中心的路径角度α的关系的图像。
图6是示出使路径的半径R/滚珠直径Da在1.5～2.2之间变化时的使路径变动最小的最大倾斜角度α的图像。
图7是示出使路径的半径R/滚珠直径Da在1.5～2.2之间变化时的使路径变动最小的γ的图像。
图8是示出导程/滚珠直径与γ的关系的图像。
图9中，(a)是示出进出变动量与盖板中心的路径角度α的关系的图像，(b)是示出进出变动量与盖板中心的路径角度α的关系的图像。
图10是示出路径的半径R/滚珠直径Da与在以使进出变动量为最小的方式设定了最大倾斜角度α时的进出变动量的值的关系的图像。
图11中，(a)和(b)是用于说明槽的接缝的侧视图和内侧剖视图。
图12是示出具有高度差的情况下的滚珠列的图。
图13是具有定位用的突出部的循环盖板的俯视图。
图14中，(a)和(b)是表示球体列的总长基于球体位置而变化的图。
符号说明
1 滚珠丝杠
10 螺杆轴
11第1螺纹槽(螺纹槽)
20螺母
21第2螺纹槽(螺纹槽)
23 滚动路径
30 滚珠
40循环盖板(循环部)
42 滚珠返回通道
Da 滚珠直径
L 导程
R滚珠返回通道的曲率半径
S与螺杆轴的轴向垂直的面
α在滚珠返回通道的路径上的盖板中心处的角度(最大倾斜角度)
β螺纹槽的导程角
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明涉及的滚珠丝杠的一实施方式。
图1是本发明涉及的滚珠丝杠的立体图，图2是示出通过循环路的钢珠列以及螺杆轴和循环盖板的立体图。
该滚珠丝杠1构成为具备螺杆轴10、螺母20、多个滚珠30以及作为循环部的多个循环盖板40。螺杆轴10形成为以中心轴CL为中心的圆筒形状，在其外周面形成有具有规定导程的螺旋状的第1螺纹槽11。
螺母20呈大致圆筒状，其内径形成得比螺杆轴10的外径大，以规定间隙外嵌于螺杆轴10。在螺母20的一端部设置有用于与引导对象结合的凸缘25。在螺母20的内周面形成有第2螺纹槽21，其具有与螺杆轴10的第1螺纹槽11同等的导程，并且与第1螺纹槽11对置。而且，利用螺杆轴10的第1螺纹槽11和螺母20的第2螺纹槽21形成剖面大致圆形状的滚动路径23。在该滚动路径23内以能够滚动的方式填充配置有多个滚珠30。
另外，在螺母20的内周面，装配有用于使滚珠30返回到之前的滚动路径23的多个循环盖板40。在各循环盖板40形成有将滚动路径23的一端与近前一圈的滚动路径23的另一端连结的滚珠返回通道42。利用该滚珠返回通道42，将在滚动路径23上朝向各循环盖板40滚动来的滚珠30在螺杆轴10的径向捞起，进而使其越过螺杆轴10的螺纹牙12，返回到近前一圈(近前一个导程)的滚动路径23，由此，使滚珠30能够循环。
而且，利用该滚珠返回通道42和滚动路径23，在螺杆轴10的外侧形成大致圆环状的无限循环路径24。由此，随着螺杆轴10与螺母20的相对旋转，多个滚珠30在无限循环路径24内无限循环，由此，螺母20能够相对于螺杆轴10在螺杆轴10的轴向相对直线运动。
接着，参照图3详细说明各循环盖板40。循环盖板40是例如利用烧结合金形成的俯视时呈大致椭圆形的部件，在其内表面形成有大致S字型的滚珠返回通道42。另外，就滚珠返回通道42而言，从循环盖板40的长度方向两端朝向长度方向的中央部，循环盖板40的宽度方向的剖面呈具有与滚珠3的外径配合的内径的连续的U字形状，其与上述的大致S字型的形状成为一体而形成槽形状。
在与螺杆轴10的中心轴CL正交的面S与滚珠返回通道42内的滚珠30的轨迹T2所成的倾斜角度中，在循环盖板40的路径上的盖板中心C处的角度成为最大倾斜角度α。另外，螺杆轴10上的滚珠30的轨迹T1与正交于螺杆轴10的中心轴CL的面S所成的角度成为螺纹槽11、21的导程角β。
在此，发明人进行深入研究，通过分析结果进出变动量而求出，从而确认了进出变动变小的循环盖板40的设计。
若最大倾斜角度α和滚珠返回通道42的曲率半径R确定，则循环盖板40的滚珠返回通道42的形状基本确定。因此，这两个值在设计上尤为重要。在本实施方式中，在各种诸多滚珠丝杠1中，求出进出变动变小的滚珠返回通道42的最大倾斜角度α和曲率半径R，从而明确如何设定最大倾斜角度α和曲率半径R可以设计进出变动小的滚珠返回通道42。
而且，作为计算结果，可知为了减小进出变动量，与曲率半径R相比，更重要的是将最大倾斜角度α设定为某个值。细节在以下说明。
需要说明的是，此处的曲率半径R严格来说不是从图3的(b)记载的方向观察滚珠返回通道42时的曲率半径，而是如图4所示，在直径与滚珠中心圆相同的圆筒面上描画的将滚珠返回通道42展开成平面时求得的曲率半径。另一方面，最大倾斜角度α是从图3的(b)记载的方向观察而求得的值。
首先，若使滚珠返回通道42的曲率半径R固定、使滚珠返回通道42的最大倾斜角度α改变，并计算进出变动，则如图5所示，可知存在进出变动量改变而使进出变动成为最小的最大倾斜角度α。(图5中，α＝32°周边。另外，在该例中，设轴径为40mm，曲率半径R为12mm。)
接着，在轴径32mm～63mm的各种滚珠丝杠中，使滚珠返回通道42的曲率半径R除以滚珠直径Da得到的值R/Da在1.5～2.2之间变化，若将进出变动成为最小时的滚珠返回通道42的最大倾斜角度α汇总，则如图6所示。另外，使R/Da在1.5～2.2之间变化的原因在于，若R/Da小于1.5，则如图10所示，进出变动很难变小，若R/Da大于2.2，则滚珠返回通道42的总长变长而循环盖板变大。
进而，若使图6的纵轴不是最大倾斜角度α，而是角度γ(γ＝α+导程角β)，则如图8所示线发生重合，分成3个组。在此，确认各组的共通项，结果可知线重合后的滚珠丝杠的导程/滚珠直径基本为相同值。图7示出3个组各自的导程/滚珠直径。
根据图6和图7，可知即使改变滚珠返回通道42的曲率半径R，进出变动最小的角度γ也几乎不变。由于γ＝α+导程角β，因此只要规定了最大倾斜角度α，则能够无关于曲率半径R地决定进出变动成为最小的循环盖板40的滚珠返回通道42的形状。这表示，不论图4的(a)中观察循环盖板40的滚珠返回通道42时的曲线的曲率半径R如何，仅由最大倾斜角度α来决定进出变动最小的滚珠返回通道42的形状。
另外，根据图7，只要滚珠丝杠1的导程/滚珠直径相同，则进出变动最小的最大倾斜角度α基本相同。例如，下述3种A～C的滚珠丝杠1不论轴径如何，进出变动最小的最大倾斜角度α基本相同。
A：导程20mm、滚珠直径6.35mm
B：导程15mm、滚珠直径4.7625mm
C：导程10mm、滚珠直径3.175mm
针对22种滚珠丝杠，求出进出变动最小的γ，结果如图8所示，可知γ由导程/滚珠直径的关系表示。
在此，进出变动最小的最大倾斜角度α如图7所示地，根据曲率半径R而略微变动。因此，在图8中，在R/Da＝1.5～2.2之间求出得到的进出变动最小的最大倾斜角度α的平均值，根据其平均值算出γ的值并使用。
根据图8，若以满足下式的最大倾斜角度α设计循环盖板40，则能够减小进出变动。在式中，L为导程，Da为滚珠直径。
γ＝22.63(L/Da)2-32.17(L/Da)+27.00 (a1)
γ＝5.86(L/Da)2+2.09(L/Da)+2.45 (a2)
γ＝7.24(L/Da)2-23.65(L/Da)+44.83 (a3)
也就是说，
α＝22.63(L/Da)2-32.17(L/Da)+27.00-β (b1)
α＝5.86(L/Da)2+2.09(L/Da)+2.45-β (b2)
α＝7.24(L/Da)2-23.65(L/Da)+44.83-β (b3)
另外，进出变动量的值优选能够使其成为0.1mm以下，确认了只要相对于变动量最小的最大倾斜角度α的值进入大致±5°的范围，则能够实现变动量为0.1mm以下。作为例子，图9的(a)示出轴径为50mm且曲率半径R为12.5mm的情况下的滚珠丝杠，图9的(b)示出轴径为40mm且曲率半径R为12mm的情况下的滚珠丝杠。于是，为了实现进出变动量为0.1mm以下，使用上述式(b1)～(b3)，可得下式(c1)～(c3)。
α＝22.63(L/Da)2-32.17(L/Da)+27.00-β±5 (c1)
α＝5.86(L/Da)2+2.09(L/Da)+2.45-β±5 (c2)
α＝7.24(L/Da)2-23.65(L/Da)+44.83-β±5 (c3)
进而，更优选能够使进出变动量为0.06mm以下。因此，根据图9的(a)和图9的(b)，若在上式(c1)～(c3)中使±5°为±3.5°，则能够实现0.06mm以下。
然而，在循环盖板40的设计中存在如下优点，最大倾斜角度α越小则滚珠返回通道42的总长越短，能够将循环盖板40的大小抑制得较小，反之若最大倾斜角度α大，则能够使图3所示的循环盖板40的外周与滚珠返回通道42之间的壁厚T变大。因此，需要优先循环盖板40的大小、肉厚T，在很多情况下无法仅考虑进出变动量来设定最大倾斜角度α。因此，可以认为，相对于式(b1)～(b3)，进入±5°程度的范围的式(c1)～(c3)更为现实。
因此，在最大倾斜角度α的设定中，除考虑进出变动量以外，还考虑循环盖板40的大小、循环盖板40的外周与滚珠返回通道42之间的壁厚T等，而选择式(c1)～(c3)中任一者。
图10示出滚珠返回通道42的曲率半径R/滚珠直径Da与以进出变动量最小的方式设定最大倾斜角度α时的进出变动量的值的关系。根据该图可知，若使曲率半径R/滚珠直径Da为1.5以上，则可得到更小的进出变动量。由此优选设定从螺杆轴径方向观察滚珠返回通道42时的曲率半径R，以使滚珠返回通道42的任何部分均为曲率半径R/滚珠直径Da≥1.5。
另外，如图11所示，若在滚珠返回通道42与螺母20的第2螺纹槽21的接缝J存在高度差s，则这也会成为发生进出变动的主要因素。图12示出在接缝J存在高度差的情况下的循环路径内的滚珠列。在此，为了减小接缝J的高度差s，要求使循环盖板40与螺母20的第2螺纹槽21高精度地对位。作为高精度地对位的方法，例如图13所示，在循环盖板40设置用于与螺母20嵌合的突出部46的方法。
另外，在滚珠返回通道42的宽度相对于循环盖板40内的滚珠30较宽时，滚珠30会从滚珠返回通道42的中心偏离，因此滚珠30的排列变得不稳定，也会影响循环盖板40内的滚珠30的轨迹T2。使滚珠30如设计的那样在滚珠返回通道42的中央附近排列，因此如图3的(b)所示，滚珠返回通道42的宽度W优选为滚珠30的直径×1.07以下，更优选设为滚珠30的直径×1.05以下。
如以上说明所示，根据本实施方式的滚珠丝杠1，具有：在外周面形成有螺旋状的第1螺纹槽11的螺杆轴10；配置在螺杆轴10的周围并且在内周面形成有螺旋状的第2螺纹槽21的螺母20；容纳在利用对置的两螺纹槽11、21形成的滚动路径23内的多个滚珠30；以及构成用于使多个滚珠30在1圈以下的滚动路径23中循环的滚珠返回通道42的循环盖板40。而且，循环盖板40的滚珠返回通道42形成为：设导程为L，滚珠直径为Da，导程角为β，则滚珠返回通道42的最大倾斜角度α满足下述(c1)～(c3)中的任一项。
α＝22.63(L/Da)2-32.17(L/Da)+27.00-β±5 (c1)
α＝5.86(L/Da)2+2.09(L/Da)+2.45-β±5 (c2)
α＝7.24(L/Da)2-23.65(L/Da)+44.83-β±5 (c3)
由此，能够减小滚珠30通过滚珠返回通道42时的进出变动。
此外，本发明不限定于上述的实施方式，能够适当进行变形、改良等。
滚珠返回通道42只要形成为滚珠30在1圈以下的滚动路径23中循环的方式形成即可，能够采用任意形式。例如，在本实施方式中利用在螺母20的内表面配设的循环盖板40形成滚珠返回通道42，但不限于循环盖板40，也可以由在内周面一体形成有滚珠返回通道的螺母(参照日本特开2003-307623号公报)构成循环部。在该情况下，由于滚珠返回通道与螺母一体化，因此能够无高度差地形成滚珠返回通道与螺母的螺纹槽，滚珠30不会卡在高度差处，能够实现平滑的动作。
另外，关于滚珠返回通道，可以将滚珠从螺杆轴的外周面隔离，仅利用循环盖板使滚珠30循环(参照日本特开1993-10412号公报)，另外，滚珠返回通道可以形成为隧道状(参照日本授权专利第4462458号)。进而，循环盖板可以具有进入螺杆轴的螺纹槽内的舌部分。
需要说明的是，本申请基于2018年4月24日申请的日本专利申请(特愿2018-083390号)，其内容在本申请中援引加入以作为参照。

Claims (2)

1.一种滚珠丝杠，具备：
螺杆轴，所述螺杆轴在外周面形成有螺旋状的螺纹槽；
螺母，所述螺母被配置在所述螺杆轴的周围，并且在内周面形成有螺旋状的螺纹槽；
多个滚珠，所述滚珠被容纳在由对置的两个所述螺纹槽形成的滚动路径内；以及
循环部，所述循环部构成用于使该多个滚珠在1圈以下的所述滚动路径中循环的滚珠返回通道，其特征在于，
所述循环部的滚珠返回通道被形成为：设导程为L，滚珠直径为Da，导程角为β，则所述滚珠返回通道的最大倾斜角度α满足下述(c1)～(c3)中任一者，
α＝22.63(L/Da)2-32.17(L/Da)+27.00-β±5(c1)，
α＝5.86(L/Da)2+2.09(L/Da)+2.45-β±5(c2)，
α＝7.24(L/Da)2-23.65(L/Da)+44.83-β±5(c3)。
2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠，其特征在于，
所述循环部由循环盖板构成。
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