CN112664539B

CN112664539B - 一种可离合螺母及其离合方法

Info

Publication number: CN112664539B
Application number: CN202011435097.0A
Authority: CN
Inventors: 祝佳; 钱志良
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: CN112664539A

Abstract

本发明公开了一种可离合螺母及其离合方法，可离合螺母包括导向组件、操纵环、螺母组件以及弹性组件，操纵环的内周面设有多个第一内凹弧形面和多个第二内凹弧形面，螺母组件包括多个部分螺母，部分螺母的内侧面设有第三内凹弧形面，部分螺母的外侧面设有外凸弧形面，第一工作状态下，多个第一内凹弧形面分别旋转至多个部分螺母的径向外侧，外凸弧形面抵靠在第一内凹弧形面上，部分螺母的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互啮合；第二工作状态下，多个第二内凹弧形面分别旋转至多个部分螺母的径向外侧，外凸弧形面抵靠在第二内凹弧形面上，部分螺母的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互分离。本发明结构简单，可作可靠，制造、安装和维护方便。

Description

一种可离合螺母及其离合方法

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种可离合螺母及其离合方法。

背景技术

螺旋传动按螺旋副的摩擦性质不同,可分成滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋，本发明涉及滑动螺旋。滑动螺旋传动由螺杆和螺母组成，用于将回转运动转变成直线运动，同时传递运动和动力。螺旋传动具有结构简单、制造方便、工作可靠、传动平稳、能用较大的转角实现微量精确的直线移动、能用较小的转矩获得较大的轴向力、能实现自锁等优点，在工程中应用非常广泛。尤其是在大传动比高增力应用埸合，与其他传动方案相比较，螺旋传动在结构简单、尺寸紧凑、传动可靠性和制造成本等方面都有具有无可比拟的优越性。

螺母是滑动螺旋传动的主要组件，通常为整体式单一零件，结构简单，制造方便，成本低廉。为补偿螺旋副磨损产生的轴向间隙，或为了消除或减小反向传动时的空行程，螺母也常采用组合式或剖分式，此种情况下，螺母结构较复杂，且需定期调整。

在滑动螺旋传动中，螺母与螺杆的螺旋面呈面接触，承载能力大，可通过较小的转矩获得很大的轴向作用力，但在此情况下，螺旋传动的传动比通常也很大，也就是说，螺母相对于螺杆的转角与螺母相对于螺杆的轴向移动量之比很大，这降低了滑动螺旋传动某些工程应用埸合的适用性，如：螺母相对于螺杆需移动较长距离才能到达工作位置的情况。另外，目前的传统螺母无法按工程实用需求实现与螺杆的接合与分离，不能通过使螺母与螺杆脱离啮合的方式御载螺旋传动上的轴向力，这也降低了滑动螺旋传动某些工程应用埸合的适用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可离合螺母及其离合方法，该可离合螺母结构简单，可作可靠，制造、安装和维护方便。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种可离合螺母，包括：

导向组件，其包括分别套设于被离合螺杆沿轴向不同位置的径向外侧的两块环形端板、设于至少一块所述环形端板上的旋转导向部以及设于至少一块所述环形端板上的径向导向部，所述两块环形端板相对固定；

操纵环，其套设于所述被离合螺杆的径向外侧并位于所述两块环形端板之间，所述操纵环绕被离合螺杆的中心轴线可转动的连接于所述旋转导向部上，所述操纵环的内周面设有沿周向均布设置的多个第一内凹弧形面和沿周向均布设置的多个第二内凹弧形面，所述第一内凹弧形面的中心轴线与所述第二内凹弧形面的中心轴线平行设置，所述第二内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线平行设置，所述第一内凹弧形面与所述第二内凹弧形面交替布置并且圆滑过渡连接；

螺母组件，其包括设于被离合螺杆、所述两块环形端板以及所述操纵环围成的环形空间内并且围绕被离合螺杆均布设置的多个部分螺母，每个所述部分螺母沿被离合螺杆的径向可移动的连接于所述径向导向部上，每个所述部分螺母具有分别面向所述两块环形端板的两个端面、分别面向所述径向导向部的两个导向面、面向被离合螺杆的内侧面以及面向所述操纵环的内周面的外侧面，所述部分螺母的内侧面设有第三内凹弧形面，所述第三内凹弧形面的中心轴线与所述第二内凹弧形面的中心轴线平行设置，所述第三内凹弧形面设有内螺纹，所述部分螺母的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互匹配，所述部分螺母的外侧面设有外凸弧形面，所述外凸弧形面的中心轴线与所述第二内凹弧形面的中心轴线平行设置；

弹性组件，其包括向所述部分螺母施加复位作用力并驱动所述部分螺母沿被离合螺杆的径向远离被离合螺杆的弹性部件；

第一工作状态下，所述多个第一内凹弧形面分别旋转至所述多个部分螺母的径向外侧，所述外凸弧形面在所述弹性部件的复位力作用下抵靠在所述第一内凹弧形面上，所述第三内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合，所述部分螺母的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互啮合；

第二工作状态下，所述多个第二内凹弧形面分别旋转至所述多个部分螺母的径向外侧，所述外凸弧形面在所述弹性部件的复位力作用下抵靠在所述第二内凹弧形面上，所述第三内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线平行，所述部分螺母的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互分离。

进一步的，所述第一内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合。

进一步的，所述多个部分螺母的多个内螺纹围成一完整圆周内螺纹。

进一步的，其中一块所述环形端板上设有套设在被离合螺杆外侧的环形凸台，所述环形凸台的外圆周面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合，所述环形凸台的外圆周面为导向连接所述操纵环的旋转导向部，所述环形凸台上还设有沿被离合螺杆的径向延伸的多条径向凹槽，所述径向凹槽为一一对应的导向连接所述部分螺母的径向导向部，另一块所述环形端板连接于所述环形凸台上。

进一步的，所述环形端板通过螺钉连接于所述环形凸台上。

进一步的，所述外凸弧形面滚动连接于所述操纵环的内周面上。

进一步的，所述弹性部件设于所述两块环形端板相背面的外侧件。

进一步的，所述部分螺母设有贯通其两端面的销轴通孔和贯通其外侧面与所述销轴通孔内侧壁的滚子通孔，所述销轴通孔中固定连接有销轴，所述销轴上可转动的连接有滚子，所述销轴的两端伸出所述销轴通孔，所述滚子的局部外侧面伸出所述滚子通孔，每块所述环形端板设有沿被离合螺杆的径向延伸的多条槽孔，所述部分螺母的销轴自所述槽孔伸出，所述弹性部件连接于所述销轴上，所述滚子的圆柱面作为所述外凸弧形面，所述滚子滚动连接于所述操纵环的内周面上。

进一步的，所述弹性部件为同轴套设于被离合螺杆外侧的弹簧圈。

进一步的，所述内螺纹的牙根和牙顶所在圆柱面的半径分别为R4和R1，所述部分螺母沿被离合螺杆的径向外移距离为δ，

进一步的，所述部分螺母的内螺纹为梯形螺纹，所述梯形螺纹的螺距为P，

进一步的，所述部分螺母的导向面与所述径向导向部形成接触区，所述接触区靠近被离合螺杆的一端的摩擦角为φ，所述操纵环的内周面作用力的作用角为θ，所述接触区远离被离合螺杆的一端所在圆柱面的半径为R2，所述外凸弧形面的中轴线所在圆柱面半径为R3,a＝R3-R2，

a-b tanφ≤0，

θ≤90°-φ。

本发明还提供另外一个技术方案：一种可离合螺母的离合方法，采用如上所述的可离合螺母，包括如下步骤：

1)将可离合螺母套设于螺杆的外侧；

2)旋转所述操纵环，使所述第一内凹弧形面与所述外凸弧形面抵靠在一起，所述多个部分螺母与螺杆啮合传动；

3)旋转所述操纵环，使所述第二内凹弧形面与所述外凸弧形面抵靠在一起，所述多个部分螺母沿螺杆的径向外移后与螺杆分离。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1)本发明提供的可离合螺母，在与螺杆啮合且承受较大轴向载荷的情况下，仅需将操纵环相对于导向组件转一角度，即可使螺母与螺杆脱离啮合，实现瞬时御载，本发明中的可离合螺母是纯机械部件，并且结构简单，尺寸紧凑，制造、安装和维护方便，成本低廉；

2)本发明提供的可离合螺母，各个部分螺母沿被离合螺杆径向的位置，取决于部分螺母上的滚子与操纵环内周面的接触位置，合理设计操纵环的内周面，即能保证可离合螺母具有平稳的离合过程及其稳定可靠的啮合和分离状态；

3)本发明提供的可离合螺母，能保证可离合螺母与螺杆啮合时，各部分螺母能构成完整的内螺纹，具有与传统整体螺母相同的承载能力、传动平稳性和工作可靠性；

4)本发明提供的可离合螺母，在与螺杆啮合与分离时，部分螺母沿被离合螺杆径向的位移量仅需略大于螺母螺牙的高度，所以，控制部分螺母径向位置的操纵环内周面的行程很小，仅需操纵环相对于导向组件转动一个较小的角度即可实现。

附图说明

图1为本发明公开的可离合螺母的俯视图；

图2为本发明公开的可离合螺母的主视图；

图3为本发明公开的部分螺母的俯视图；

图4为本发明公开的部分螺母与操纵环位置关系示意图；

图5为本发明公开的部分螺母的受力示意图。

其中，11、环形端板；12、旋转导向部；13、径向导向部；14、环形凸台；15、螺钉；21、操纵环；22、第一内凹弧形面；23、第二内凹弧形面；31、部分螺母；32、端面；33、导向面；34、内侧面；35、外侧面；36、销轴；37、滚子；41、弹性部件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

参见图1至图5，如其中的图例所示，一种可离合螺母，包括：

导向组件，其包括分别套设于被离合螺杆沿轴向不同位置的径向外侧的两块环形端板11、设于至少一块环形端板11上的旋转导向部12以及设于至少一块环形端板11上的径向导向部13，两块环形端板11相对固定；

操纵环21，其套设于被离合螺杆的径向外侧并位于两块环形端板11之间，操纵环21绕被离合螺杆的中心轴线可转动的连接于旋转导向部12上，操纵环21的内周面设有沿周向均布设置的多个第一内凹弧形面22和沿周向均布设置的多个第二内凹弧形面23，第一内凹弧形面22的中心轴线与第二内凹弧形面23的中心轴线平行设置，第二内凹弧形面23的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线平行设置，第一内凹弧形面22与第二内凹弧形面23交替布置并且圆滑过渡连接；

螺母组件，其包括设于被离合螺杆、两块环形端板11以及操纵环21围成的环形空间内并且围绕被离合螺杆均布设置的多个部分螺母31，每个部分螺母31沿被离合螺杆的径向可移动的连接于径向导向部13上，每个部分螺母31具有分别面向两块环形端板11的两个端面32、分别面向径向导向部13的两个导向面33、面向被离合螺杆的内侧面34以及面向操纵环21的内周面的外侧面35，部分螺母31的内侧面34设有第三内凹弧形面，第三内凹弧形面的中心轴线与第二内凹弧形面23的中心轴线平行设置，第三内凹弧形面设有内螺纹，部分螺母31的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互匹配，部分螺母31的外侧面设有外凸弧形面，外凸弧形面的中心轴线与第二内凹弧形面23的中心轴线平行设置；

弹性组件，其包括向部分螺母31施加复位作用力并驱动部分螺母31沿被离合螺杆的径向远离被离合螺杆的弹性部件41；

第一工作状态下，多个第一内凹弧形面22分别旋转至多个部分螺母31的径向外侧，外凸弧形面在弹性部件41的复位力作用下抵靠在第一内凹弧形面22上，第三内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合，部分螺母31的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互啮合；

第二工作状态下，多个第二内凹弧形面23分别旋转至多个部分螺母31的径向外侧，外凸弧形面在弹性部件41的复位力作用下抵靠在第二内凹弧形面23上，第三内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线平行，部分螺母31的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互分离。

本实施例中优选的实施方式，第一内凹弧形面22的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合。

本实施例中优选的实施方式，多个部分螺母31的多个内螺纹围成一完整圆周内螺纹。

本实施例中优选的实施方式，其中一块环形端板11上设有套设在被离合螺杆外侧的环形凸台14，环形凸台14的外圆周面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合，环形凸台14的外圆周面为导向连接操纵环21的旋转导向部12，环形凸台14上还设有沿被离合螺杆的径向延伸的多条径向凹槽，径向凹槽为一一对应的导向连接部分螺母31的径向导向部13，另一块环形端板11连接于环形凸台14上。

本实施例中优选的实施方式，环形端板11通过螺钉15连接于环形凸台14上。

本实施例中优选的实施方式，外凸弧形面滚动连接于操纵环21的内周面上。

本实施例中优选的实施方式，弹性部件41设于两块环形端板11相背面的外侧件。

本实施例中优选的实施方式，部分螺母31设有贯通其两端面的销轴通孔和贯通其外侧面与所述销轴通孔内侧壁的滚子通孔，销轴通孔中固定连接有销轴36，销轴36上可转动的连接有滚子37，销轴36的两端伸出销轴通孔，滚子37的局部外侧面伸出滚子通孔，每块环形端板11设有沿被离合螺杆的径向延伸的多条槽孔，部分螺母31的销轴36自槽孔伸出，弹性部件41连接于销轴36上，滚子37的圆柱面作为外凸弧形面，滚子37滚动连接于操纵环21的内周面上。

本实施例中优选的实施方式，弹性部件41为同轴套设于被离合螺杆外侧的弹簧圈。

本实施例中优选的实施方式，内螺纹的牙根和牙顶所在圆柱面的半径分别为R4和R1，部分螺母31沿被离合螺杆的径向外移距离为δ，

本实施例中优选的实施方式，部分螺母31的内螺纹为梯形螺纹，梯形螺纹的螺距为P，

本实施例中优选的实施方式，部分螺母31的导向面与径向导向部13形成接触区，接触区靠近被离合螺杆的一端的摩擦角为φ，操纵环21的内周面作用力的作用角为θ，接触区远离被离合螺杆的一端所在圆柱面的半径为R2，外凸弧形面的中轴线所在圆柱面半径为R3,a＝R3-R2，

a-b tanφ≤0，

θ≤90°-φ。

本发明还提供另外一个技术方案：一种可离合螺母的离合方法，采用如上的可离合螺母，包括如下步骤：

1)将可离合螺母套设于螺杆的外侧；

图3中，R4和R1分别是内螺纹的牙根和牙顶所在圆柱面的半径(即内螺纹的大径和小径之半)，由图可见，部分螺母仅需沿螺纹径向向外移动距离δ，部分螺母的螺牙即可全部位于内螺纹的大径之外，也就是说，部分螺母仅需径向外移δ，就能与螺杆完全脱离啮合。由图1应有：

对于梯形螺纹而言，根据螺纹的国家标准，(R₄-R₁)略大于螺纹的螺距P的二分之一，所以，部分螺母从与螺杆的啮合状态到与螺杆完全脱离啮合所需的径向位移量δ为：

显然，径向位移量很小，这表明：部分螺母仅需径向移动一个很小的距离，就能实现与螺杆的啮合或分离。据此，参见附件图2，操纵环上控制部分螺母径向位置的曲线段所需的升程δ也很小，操纵环仅需相对于导向组件(也即部分螺母)转动一个较小的角度α即可实现所需的升程δ，由此，通过操纵环也就很容易实现可离合螺母与螺杆的啮合和分离；并且，在可离合螺母与螺杆啮合、承载的状态下，必须对部分螺母施加一个径向保持力F，才能维持可离合螺母与螺杆的啮合，本发明技术方案中，该径向保持力是由操纵环提供的，只要操纵环具有足够的强度，所提供的径向保持力F是稳定可靠的。

图4和图5中，操纵环相对于环形端板转动，通过操纵环内轮廓与部分螺母组件上的滚子接触，驱使部分螺母沿环形端板上的径向槽移动，实现与螺杆的啮合。显然，要保证上述过程能完成，部分螺母组件在操纵环内轮廓的作用力F的作用下不能自锁，部分螺母组件径向移动不自锁的条件可导出如下：

取水平方向力平衡，应有：

F sinθ+F₂ cosφ＝F₁ cosφ

于是有：

F sinθ＝(F₁-F₂)cosφ (3)

式中，θ是操纵环内轮廓作用力F的作用角，φ是部分螺母与环形端板接触面的摩擦角。

对滚子4的中心求矩，应有：

a·F₁ cosφ-b·F₁ sinφ＝(l+a)·F₂ cosφ-b·F₂ sinφ

于是有：

式中，a为部分螺母与环形端板接触面的上端点到滚子中心的垂直距离，l为部分螺母与环形端板接触面的上端点与下端点之间的距离，b为部分螺母宽度的二分之一(见附图3)。

把式(4)代入式(3)得：

部分螺母在作用力F作用下不自锁的条件为：

Fcosθ≥F₁ sinφ+F₂ sinφ＝(F₁+F₂)sinφ

把上式与式(4)和式(5)联立，可得：

当：

a-b tanφ≤0 (7)

成立时，式(6)的部分螺母不自锁条件为tan(90°-θ)≥tanφ，即：

θ≤90°-φ (8)

显然，设计部分螺母的结构，使部分螺母与环形端板接触面上端点至滚子中心的垂直距离a及部分螺母的宽度之半b满足式(7)条件是容易的，在此情况下，式(8)部分螺母不自锁的条件也是极易满足的，因为，部分螺母与环形端板接触面的摩擦角φ一般较小，而操纵环内轮廓对部分螺母组件滚子的作用角θ取决于操纵环内轮廓极径相对于极角的变化率，操纵环内轮廓极径的变化率越大，作用角θ也越大，但在本发明技术方案中，操纵环内轮廓的升程δ很小(见式(2))，所以操纵环内轮廓极径相对于极角的变化率也很小，所以操纵环内轮廓对部分螺母组件滚子的作用角θ也较小。

在可离合螺母与螺杆处于啮合状态且承受轴向载荷的情况下，操纵环相对导向组件转动，就能使可离合螺母与螺杆脱离啮合，并且脱离啮合的过程是方便可靠的。首先，因为在可离合螺母与螺杆啮合时，操纵环内轮廓的圆弧段与部分螺母组件的滚子接触，接触载荷沿操纵环的半径方向，所以仅需较小的转矩就能驱使操纵环相对于导向组件转动；其次，操纵环相对导向组件转动，撤除了操纵环对部分螺母组件的径向约束力，部分螺母组件必然在螺杆反力和簧圈弹簧力的作用下沿导向组件径向槽外移，从而与螺杆脱离啮合。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种可离合螺母，其特征在于，包括：

第二工作状态下，所述多个第二内凹弧形面分别旋转至所述多个部分螺母的径向外侧，所述外凸弧形面在所述弹性部件的复位力作用下抵靠在所述第二内凹弧形面上，所述第三内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线平行，所述部分螺母的内螺纹与被离合螺杆的外螺纹相互分离；

所述内螺纹的牙根和牙顶所在圆柱面的半径分别为R4和R1，所述部分螺母沿被离合螺杆的径向外移距离为δ，并满足:

；

所述部分螺母的内螺纹为梯形螺纹，所述梯形螺纹的螺距为P，并满足：

；

所述部分螺母的导向面与所述径向导向部形成接触区，所述操纵环的内周面作用力的作用角为θ，所述接触区远离被离合螺杆的一端所在圆柱面的半径为R2，所述外凸弧形面的中轴线所在圆柱面半径为R3，a为所述部分螺母与环形端板接触面的上端点到滚子中心的垂直距离，b为所述部分螺母宽度的二分之一，并满足：

a=R3-R2，

，

；

所述部分螺母设有贯通其两端面的销轴通孔和贯通其外侧面与所述销轴通孔内侧壁的滚子通孔，所述销轴通孔中固定连接有销轴，所述销轴上可转动的连接有滚子，所述销轴的两端伸出所述销轴通孔，所述滚子的局部外侧面伸出所述滚子通孔，每块所述环形端板设有沿被离合螺杆的径向延伸的多条槽孔，所述部分螺母的销轴自所述槽孔伸出，所述弹性部件连接于所述销轴上，所述滚子的圆柱面作为所述外凸弧形面，所述滚子滚动连接于所述操纵环的内周面上。

2.如权利要求1所述的可离合螺母，其特征在于，所述第一内凹弧形面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合。

3.如权利要求1所述的可离合螺母，其特征在于，所述多个部分螺母的多个内螺纹围成一完整圆周内螺纹。

4.如权利要求1所述的可离合螺母，其特征在于，其中一块所述环形端板上设有套设在被离合螺杆外侧的环形凸台，所述环形凸台的外圆周面的中心轴线与被离合螺杆的中心轴线重合，所述环形凸台的外圆周面为导向连接所述操纵环的旋转导向部，所述环形凸台上还设有沿被离合螺杆的径向延伸的多条径向凹槽，所述径向凹槽为一一对应的导向连接所述部分螺母的径向导向部，另一块所述环形端板连接于所述环形凸台上。

5.如权利要求4所述的可离合螺母，其特征在于，所述环形端板通过螺钉连接于所述环形凸台上。

6.如权利要求1所述的可离合螺母，其特征在于，所述外凸弧形面滚动连接于所述操纵环的内周面上。

7.如权利要求1所述的可离合螺母，其特征在于，所述弹性部件设于所述两块环形端板相背面的外侧件。

8.如权利要求1所述的可离合螺母，其特征在于，所述弹性部件为同轴套设于被离合螺杆外侧的弹簧圈。

9.一种可离合螺母的离合方法，采用如权利要求1-8任一所述的可离合螺母，其特征在于，包括如下步骤：

1）将可离合螺母套设于螺杆的外侧；

2）旋转所述操纵环，使所述第一内凹弧形面与所述外凸弧形面抵靠在一起，所述多个部分螺母与螺杆啮合传动；

3）旋转所述操纵环，使所述第二内凹弧形面与所述外凸弧形面抵靠在一起，所述多个部分螺母沿螺杆的径向外移后与螺杆分离。