CN113175500A - 一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置及系统，其中，球滚子蜗轮蜗杆传动装置包括沿周向设置于蜗轮上的滚子，用于在蜗轮蜗杆传动期间承受驱动力。蜗轮的蜗轮主体的一台阶部构成用于限制滚子的第一封装体，在蜗轮主体上沿轴向套设有用于与第一封装体共同限制滚子的第二封装体，其中，在利用从蜗杆传递来的、作用于滚子的驱动力共同地由第一和第二封装体来承受时，滚子在第一和第二封装体之间滚动时的圆滚线所形成的平面相对于蜗轮主体的旋转轴线是倾斜延伸的。

Description

一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置及系统

技术领域

本发明涉及机械工业技术领域，尤其涉及一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置及系统。

背景技术

蜗轮蜗杆传动方式被广泛应用，蜗轮和蜗杆均通过转轴、轴承等安装在机体上，蜗杆外侧加工有螺旋齿，蜗轮周边加工有与螺旋齿相配的蜗轮齿，驱动装置带动蜗杆转动，通过螺旋齿带动蜗轮转动，达到传递动力的目的。由于蜗轮蜗杆传动摩擦力较大，磨损严重，运行一定时间后螺旋齿与蜗轮齿之间会产生较大间隙，目前使用的蜗轮蜗杆结构无法调整上述间隙，使传动精度下降，噪声增大，运行不平稳。

现有技术中针对无侧隙和齿侧间隙可调的蜗杆传动装置有很多，例如以下的专利设计的就是针对蜗轮蜗杆的啮合结构进行改进和创新：

CN205244327 U涉及了一种滚子蜗杆蜗轮传动箱，其包括传动箱本体和蜗轮，还包括滚道蜗杆、传动滚子、保护套、滚子换向套和蜗杆定位盖，传动箱本体内设有相互啮合的蜗轮和滚道蜗杆，滚道蜗杆上的螺旋槽内设有传动滚子，滚道蜗杆的螺旋槽两端设有滚子换向套，滚道蜗杆外设有传动滚子的保护套，保护套固定在蜗杆定位盖上，滚道蜗杆通过两端的轴承设置在蜗杆定位盖与传动箱本体内。该专利利用推动滚子式的蜗杆蜗轮传动结构，使滚道蜗杆、蜗轮的齿槽在传动过程中均只与传动滚子接触，并基本呈滚动摩擦形式，这样与传统的蜗杆蜗轮传动比较，将较大的提高传动效率，同时当滚道蜗杆、蜗轮的齿槽表面经提高硬度处理后，能有效的提高使用寿命。

CN212080052 U涉及了一种滚珠蜗轮蜗杆传动机构，涉及蜗杆传动技术领域，为解决现有的蜗轮与蜗杆之间摩擦力较大，从而降低了蜗杆的传动效率的问题。所述蜗轮主体的下端安装有蜗杆主体，所述蜗轮主体的外部设置有若干轮齿，所述轮齿包括固定轴和滚子，且滚子位于固定轴的外部，且固定轴与滚子通过第一轴承连接，且固定轴与蜗轮主体焊接连接，所述蜗杆主体的外部设置有啮合块，且啮合块与蜗杆主体设置为一体成型结构，所述啮合块的内部安装有保持架，所述保持架的内部设置有固定槽，所述固定槽的内部安装有滚珠。该实用新型通过将蜗杆的蜗道与蜗轮的接触表面设置为滚珠式可转动表面，解决了现有的蜗轮与蜗杆之间摩擦力较大，从而降低了蜗杆的传动效率的问题。

上述现有技术均采用了将蜗杆的蜗道内设置滚珠滚子结构，从而使得蜗轮蜗杆啮合传动时，降低相互之间的摩擦力，将传动啮合的滑动摩擦变为滚动摩擦，但蜗杆的蜗道上设置的滚子均属于不可调状态，既不能对滚子和齿侧间隙进行灵活调整，同时也没有其他手段进一步地降低相互之间的摩擦力，以使得传动精度还不够高。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术的不足，为解决蜗轮蜗杆传动过程中的降低磨损、灵活调节、降低摩擦、传动精度等问题，本发明旨在提供一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置及系统，通过将球形滚子以可转动且不脱落的方式设置于带有导油孔的滚槽，滚槽采用两半封装结构以实现结构的灵活调整，并在使用过程中通过导油孔向滚槽内通入液压油的技术方案，以实现降低磨损、灵活调节、降低摩擦的目的，从而提高蜗轮蜗杆传动过程中的传动精度。本发明所提供的球滚子蜗轮蜗杆传动装置及系统由于具有更高的传动精度，以更适宜应用于对传动精度要求更高但传动效率要求相对不高的特定领域，例如采用了本发明的高精度电动机能够将转动角度精确至万分位，以达到对电动机运转的精确控制。

本发明公开了一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其包括沿周向设置于蜗轮上的滚子，用于在蜗轮蜗杆传动期间承受驱动力。蜗杆为球滚子蜗轮蜗杆传动装置的主动件，蜗轮为球滚子蜗轮蜗杆传动装置的被动件。主动件是指机械结构中直接跟动力装置相连的部件，被动件是指机械结构中不直接跟动力装置相连的部件。蜗轮的蜗轮主体的一台阶部构成用于限制滚子的第一封装体，在蜗轮主体上沿轴向套设的第二封装体用于与第一封装体共同限制滚子。在利用从蜗杆传递来的、作用于滚子的驱动力共同地由第一和第二封装体来承受时，滚子在第一和第二封装体之间滚动时的圆滚线所形成的平面相对于蜗轮主体的旋转轴线是倾斜延伸的。进一步地，滚子在第一和第二封装体之间滚动时的圆滚线所形成的平面与蜗轮主体的直径延伸方向是不平行的。

该技术方案的优点在于：相对于一体式成型的封装体，本发明采用分体式结构设计的封装体，使第二封装体安装于蜗轮主体时能够与第一封装体共同对滚子进行限制。如此设置可以使滚槽分为第一槽面和第二槽面分别进行加工的形式，可以便于加工刀具以恰当的角度和深度进出，在加工精度、平整度以及碎屑清理等方面得到保证，并极大地降低了加工成本，以解决一体式结构在加工时难以确定切入角度和/或切入深度的问题，在避免采用镗孔等难度加工的同时，防止了加工过程中对用于限制滚子的细薄部位可能造成的损坏。另外从加工平整度来看，较难的加工方式带来的不仅是对滚槽内部的磨损或不平整，其还可能造成滚槽内部碎屑无法清除导致滚子运行中的磨损，或者加工产生的碎屑经由导油孔进入油箱造成更大的清理难度。采用两半封装结构的封装体可有利于封装体部件和/或滚子在故障或损坏时更换。根据蜗杆的顺时针方向转动和逆时针方向转动，蜗轮蜗杆传动装置在实际运行时，经常会出现蜗杆沿一个方向转动的时间明显多于其沿另一个方向转动的时间，使得蜗杆在驱动滚子转动时，滚子的圆滚线大部分时间能够相交于第一槽面和第二槽面的其中一个，以使得第一槽面或第二槽面与滚子之间产生更多的摩擦，从而引起一个槽面的磨损量明显多于另一个槽面的情况。因此，采用两半封装结构的封装体可通过对第一封装体和第二封装体采用不同热处理方法加工成的不同硬度的材料，以使得对于长期受到摩擦的一侧槽面能够借助更高硬度的材料以减轻磨损量，从而保证了蜗轮蜗杆传动装置的使用寿命，也节约了第一封装体和/或第二封装体的维护成本。可选地，第二封装体可采用胀套的方式设置于蜗轮主体上。

在第二封装体与第一封装体共同形成限制滚子的区域内，在第二封装体的第二径向外表面与第一封装体的第一径向外表面之间的轴向缺口起到限制滚子的作用。第二封装体的第二径向外表面与构成第一封装体的第一径向外表面处于彼此相同的径向高度，径向高度构成轴向缺口的径向最高位置，处于径向最高位置的第二封装体和第一封装体的最外端分别充当共同限制滚子的限制部。第二封装体的轴向外表面在背离第一封装体一侧呈环状，轴向外表面能够充当第二封装体沿轴向的调节面。第二封装体能够相对于第一封装体沿蜗轮轴向调节其位置，用以补偿磨损。

该技术方案的优点在于：通过第一封装体和第二封装体的结构配合，使得第一封装体和第二封装体能够通过各自的径向最高位置或最外端对滚子进行共同限制，滚子的至少部分区域能够在蜗杆的驱动下于第一封装体和第二封装体的共同限制区域内转动，以使得蜗轮蜗杆传动时的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而降低传动过程中的摩擦力。同时，由于第一封装体和第二封装体采用的是两半封装结构，第二封装体能够可移动地安装于蜗轮主体上，通过对第二封装体的轴向外表面沿轴向进行调整，可以实现第二封装体相对于第一封装体位置的调节，从而至少能够实现滚子限制空间的调整，尤其是在随着传动过程中的不断磨损而产生齿侧间隙的情况时，能够通过第二封装体的调整以补偿磨损。同时在通过对第二封装体的调整以实现滚子限制区域的调整的情况下，能够调整至滚子在承受蜗杆传动的作用力而进行滚动时，圆滚线所形成的平面相对于蜗轮主体的旋转轴线是倾斜延伸的，在该情况下滚子的受力更加平衡，以避免第一封装体和/或第二封装体在各自的径向最高位置或最外端对滚子进行限制时在滚子表面造成大量的磨损，从而保证蜗轮蜗杆传动机构的传动精度。第一径向外表面和第二径向外表面的径向高度可相同也可不相同，以使得用户可根据滚子结构、自身需求等多种因素而选择适宜的第二封装体安装于蜗轮主体上，从而在增加用户选择性的同时，使蜗轮蜗杆传动装置的适应性更强。优选地，第一径向外表面和第二径向外表面以相同的径向高度设置，以增加蜗轮蜗杆传动装置的在运行时的稳定性。

在蜗轮主体上沿轴向套设的第二封装体与由蜗轮主体的一台阶部构成的第一封装体之间留有作为导油孔的润滑液通道，用以向各个滚子以加压方式提供润滑油。作为导油孔的润滑液通道沿蜗轮主体的径向延伸，从而导油孔面向滚子的出油口与滚子的圆滚线不相交。导油孔可包括第一通孔和第二通孔。第二通孔是通过在第一封装体的轴向端面中开设的第一凹部与在第二封装体的轴向端面中开设的第二凹部彼此向对地紧密贴合来形成的。第一通孔设置于蜗轮主体内部，并与第二通孔连通以构成导油孔。

该技术方案的优点在于：润滑液通道的导油孔沿蜗轮主体的径向延伸，其一端可以与供油通道连接，而另一端可以与出油口连接，以使得供油通道内的润滑油能够通过导油孔从面向滚子的出油口输出，并至少在滚子表面及滚子滚动过的表面上形成一层油膜，以通过形成的油膜实现蜗轮与蜗杆之间的自动调隙或误差补偿，并且使得转动区域的表面实现完全的液体润滑，极大程度的减小了摩擦损耗。润滑油能够以加压方式通过导油孔输出于滚子表面，以使得各个滚子能够承受从下向上的压力，从而保证滚子与蜗杆的齿廓能够更紧密地啮合。同时由于出油口与滚子的圆滚线不相交，使得从出油口输出的润滑油能够随着滚子的斜向滚动而更大程度且更快速度地覆盖滚子表面的更多区域，从而更高效地降低传动时的摩擦力。第二通孔是在第二封装体安装于蜗轮主体时由第一凹部与第二凹部的紧密贴合而形成的，“紧密贴合”是指沿凹口周向区域(即凹口两侧)彼此贴合，尽量不留缝隙，以减少或避免润滑油泄露，从而形成针对滚子的油压。为了增大润滑油在出油口的压力，可将通油孔设置为多段台阶式渐缩通道，以实现不借助外部动力的增加，但由于导油孔的孔径很细，要加工成多段台阶式渐缩通道的加工成本和加工难度都很高，尤其是针对于蜗轮主体内部的第一通孔。因此，分段设计的导油孔可通过调整第二通孔在第二凹部的结构，以更为简单的加工方式实现导油孔的多段台阶式渐缩结构。

第二封装体的第二槽面是与对应的第一封装体的第一槽面采用镜像对称的方式构成的。第一、第二槽面大体呈围绕滚子的球心所形成的部分球形轮廓，部分球形轮廓的弧长在沿直径的剖视图中超出滚子的周长的四分之一。在蜗轮的轴向上彼此相向对接的第一、第二槽面构成大体呈半球形结构的滚槽，滚槽底部设有凹口，用于构成导油孔的面向滚子的出油口。与轴向缺口的径向最高位置相比，面向滚子的出油口位于滚槽的径向最低位置。径向最高位置同滚子圆心的连线与径向最低位置同滚子圆心的连线形成钝角，从而在蜗杆驱动蜗轮、进而引起滚子沿其圆滚线滚动时，滚子以不可丢失的方式被限制在径向最高位置与径向最低位置之间。径向最高位置所在的平面与滚子所形成的割线短于滚子的直径。滚子沿其圆滚线滚动时的受力方向取决于蜗杆的旋转方向，但始终相对于蜗轮的径向呈锐角，尤其是使得滚子的圆滚线所在的平面既不与第一封装体的径向最高位置相交，也不与第二封装体的径向最高位置相交。优选地，滚子的受力方向既不垂直于蜗轮的轴向，也不平行于轴向。滚子的圆滚线所形成的平面与蜗轮的直径剖视面形成夹角，夹角尤其为锐角。

该技术方案的优点在于：第一、第二封装体以镜像对称的方式设置有第一槽面和第二槽面，在第一封装体和第二封装体进行组合时，第一槽面和第二槽面在蜗轮的轴向上彼此相向对接以构成大体呈半球形结构的滚槽，滚槽底部设置的凹口能够与出油口连接以使得导油孔的润滑油能够进入凹槽，并至少能够在第一槽面和/或第二槽面的表面充分附涂油膜，以进一步降低滚子滚动的摩擦力。同时滚槽的结构设计能够使得滚子的至少部分区域能够被限制于滚槽的限定空间中而不会发生脱落，同时也能够保证滚子的至少部分区域能够在滚槽的限定空间中自由转动而不会被卡死。通过第二封装体的调整能够对滚子的受力方向进行调整，以使得滚子在滚槽的受力支撑点至少可以在第一槽面或第二槽面上且不位于第一封装体或第二封装体的径向最高位置处的任意一点，从而可以减少作为限制部的第一封装体和/或第二封装体的径向最高位置的结构对滚子在滚动过程中的磨损。

蜗杆在加工之前，能够建立若干坐标系并基于微分几何和齿轮啮合原理对蜗杆的齿面方程进行计算，以确定加工参数。坐标系至少包括基于球形滚子的坐标系S₀。蜗杆在按照加工参数进行加工时，能够先利用基础的磨具对蜗杆的毛坯进行粗加工，并再利用与滚子结构相同的磨具进行精加工，以得到结构匹配于滚子的蜗杆。蜗杆在按照加工参数进行加工时，蜗杆绕蜗杆转动轴线沿蜗杆第一转动方向转动，磨具绕蜗轮转动轴线沿磨具第一转动方向转动。蜗杆与磨具在转动时的角速度根据预设的传动比而确定。

该技术方案的优点在于：通过建立若干坐标系并基于微分几何和齿轮啮合原理对蜗杆的齿面方程进行计算，以获取蜗杆在加工时的加工参数，从而使得加工而成的蜗杆的齿廓能够与预设的球形滚子的结构相配合，以避免齿廓与滚子在啮合时出现不能啮合或齿侧间隙过大的情况，从而保证球滚子蜗轮蜗杆传动装置的正常且高精度的运行。

蜗杆能够在与设置有滚子的蜗轮以蜗杆转动轴线与蜗轮转动轴线彼此异面的方式相结合时，蜗轮周向排列的滚子能够与蜗杆的齿廓对应啮合。进一步地，蜗杆与蜗轮彼此轴线异面是指蜗杆转动轴线与蜗轮转动轴线为异面直线，即蜗杆转动轴线和蜗轮转动轴线不处于同一平面上，两者既不相交又不平行。优选地，蜗杆转动轴线和蜗轮转动轴线彼此正交。滚子的部分区域设置于滚槽中，滚子的至少部分区域能够穿过滚槽的轴向缺口而与蜗杆的齿廓啮合，随着蜗杆的转动，滚子能够在齿廓上滚动。

该技术方案的优点在于：蜗杆转动轴线与蜗轮转动轴线彼此异面时，蜗杆的蜗道能够与蜗轮的滚子啮合，以构成球滚子蜗轮蜗杆传动装置。当蜗杆转动轴线和蜗轮转动轴线彼此正交时，能够进一步减少蜗杆与蜗轮上的滚子之间的摩擦，从而获得更大的传动比。滚子的一侧能够在滚槽中转动，滚子的另一侧能够在齿廓中转动，以使得传动过程中的滑动摩擦变为了滚动摩擦，以进一步降低相互之间的摩擦力，从而提高传动精度。

本发明还公开了一种球滚子蜗轮蜗杆传动系统，其至少包括上述球滚子蜗轮蜗杆传动装置。蜗杆周向上的一端能够与伺服驱动装置连接，蜗轮周向上的一端能够与联轴器连接，蜗杆与蜗轮通过滚子啮合连接。

该技术方案的优点在于：由于球滚子蜗轮蜗杆传动系统采用了上述球滚子蜗轮蜗杆传动装置，蜗杆与蜗轮之间通过球形滚子实现啮合，球形滚子将滑动摩擦变为滚动摩擦并通过导油孔引入高压润滑油以实现蜗轮与蜗杆之间的自动调隙或误差补偿的同时，在蜗轮滚槽、滚子表面和蜗杆齿廓上实现完全的液体润滑，以极大程度地减小了摩擦损耗。同时，采用两半封装体结构的用于限制滚子的第一封装体和第二封装体至少能够通过第二封装体的调节以传动过程中的稳定性和精准性，从而使得通过蜗杆连接有伺服驱动装置何通过蜗轮连接有联轴器的球滚子蜗轮蜗杆传动系统具有更高的传动精度。

附图说明

图1为蜗杆在实施例1中的加工示意图；

图2为蜗杆在加工时建立的坐标系；

图3为基于球形滚子建立的坐标系；

图4为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例2中的爆炸图；

图5为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例2中位于啮合处的剖面图；

图6为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例2中位于啮合处的结构示意图；

图7为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例3中的三视图。

附图标记列表

100：蜗杆 101：蜗杆转动轴线

102：蜗杆第一转动方向 110：齿廓

120：蜗杆转轴 121：第一蜗杆台

122：第二蜗杆台 123：第三蜗杆台

124：第四蜗杆台 130：蜗杆齿顶

200：蜗轮 201：蜗轮转动轴线

210：第一封装体 211：第一槽面

212：第一槽间间隙 213：第一径向外表面

214：第一凹部 220：第二封装体

221：第二槽面 222：第二槽间间隙

223：第二径向外表面 224：轴向外表面

225：主体连接面 226：第二凹部

230：滚槽 231：导油孔

232：第一通孔 233：第二通孔

240：蜗轮通孔 300：滚子

400：磨具 401：磨具转动轴线

402：磨具第一转动方向 B：第一封装体的径向最高位置

C：第二封装体的径向最高位置 D：直径

L：割线 N：受力方向

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明公开了一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其包括蜗杆100、蜗轮200和滚子300，其中，滚子300为球形滚子300。设置于蜗轮200上的滚子300能够与蜗杆100的齿廓110相啮合，以构成完整的球滚子蜗轮蜗杆传动装置。

实施例1

如图1所示为蜗杆100在实施例1中的加工示意图。

蜗杆100的加工可包括蜗杆100的转动部轴柱加工和蜗杆100的啮合部齿廓110加工，其中，蜗杆100的轴柱至少包括处于最中心的蜗杆转轴120，蜗杆转轴120能够与动力装置连接以绕着蜗杆转动轴线旋转。蜗杆转轴120上可沿蜗杆100的轴向方向上依次设置有若干同轴但不同直径的蜗杆台。可选地，沿蜗杆100的轴向方向上依次包括第一蜗杆台121、第二蜗杆台122、第三蜗杆台123和第四蜗杆台124，其中，第一蜗杆台121和第二蜗杆台122设置于啮合部的同一侧，第三蜗杆台123和第四蜗杆台124同向设置于啮合部的另一侧。

在加工蜗杆100的齿廓110时，蜗杆100的毛坯可经过如图1所示的加工方式以形成能够与预设的滚子300结构相匹配的蜗杆100的齿廓110结构。相邻齿廓110之间由蜗杆齿顶130隔开。优选地，将蜗杆100的毛坯加工为环面蜗杆100，以增加接触齿数。在一种优选实施方式中，蜗杆100的毛坯可先利用基础磨具400以特定的切入角度和切入深度同时绕着磨具转动轴线401和基础磨具400中轴线转动，以完成对蜗杆100毛坯的粗加工，进而得到蜗杆100的粗加工品。由于磨具在加工时的转动即为模拟蜗轮的转动，因此磨具转动轴线401应该与蜗轮转动轴线201为同一条线。利用基础磨具400对蜗杆100毛坯进行粗加工的情况下，当蜗杆100绕蜗杆转动轴线101沿蜗杆第一转动方向102转动时，基础磨具400绕蜗轮转动轴线201沿磨具第一转动方向402转动，以得到特定旋转方向的齿廓110结构的蜗杆100的粗加工品。蜗杆100绕蜗杆转动轴线101转动的速度与基础磨具400绕蜗轮转动轴线201转动的速度之比等于预设的传动比，以使得构成的球滚子蜗轮蜗杆传动装置最终也能够以预设的传动比进行正常工作。

利用滚子300或与滚子300结构相对应的磨具400对加工而成的蜗杆100的粗加工品进行精加工，以使得蜗杆100的齿廓110能够匹配于滚子300的结构。优选地，磨具400选用球形结构，可选用与滚子300尺寸相同的球形磨具400对蜗杆100的齿廓110进行二次精加工。球形磨具400的硬度相比于滚子300更高，以便于更好地对蜗杆100的齿廓110进行磨削。在进行精加工磨削的情况下，当蜗杆100绕蜗杆转动轴线101沿蜗杆第一转动方向102转动时，球形磨具400绕蜗轮转动轴线201沿磨具第一转动方向402转动，以得到特定旋转方向的齿廓110结构的蜗杆100的精加工品。球形磨具400在绕着蜗轮转动轴线201转动的过程中与蜗杆100的粗加工品间的关系交替处于接触状态和非接触状态，其中，球形磨具400在与蜗杆100的粗加工品处于接触状态时，能够在不同时刻与蜗杆100的不同分段接触。以蜗杆100绕蜗杆转动轴线101沿蜗杆第一转动方向102转动，磨具400绕蜗轮转动轴线201沿磨具第一转动方向402转动的优选实施方式为例，球形磨具400可依次磨削过准备进入段、靠近段、中心段、远离段和准备退出段，其中，靠近段和远离段可以包括若干层级，例如，在实施例1中蜗杆100可分别包括第一靠近段，第二靠近段和第一远离段，第二远离段。球形磨具400由非接触状态转换为接触状态时，球形磨具400刚好贴合于蜗杆100的准备进入段。球形磨具400由接触状态转换为非接触状态时，球形磨具400刚好脱离于蜗杆100的准备退出段。

根据一种优选实施方式，在进行蜗杆100加工前，需要基于微分几何和齿轮啮合原理对蜗杆100的齿面方程进行计算，以确定加工参数。首先建立了如图2所示的坐标系：

建立蜗杆100、蜗轮200的静坐标系S₁(i₁,j₁,k₁)、S₂(i₂,j₂,k₂)，及

建立蜗杆100、蜗轮200固联的动坐标系S_1′(i_1′,j_1′,k_1′)、S_2′(i2_′,j_2′,k_2′)，

其中，k₁＝k_1′＝ω₁/ω_1′为蜗杆转动轴线101，k₂＝k_2′＝ω₂/ω_2′为蜗轮转动轴线201,ω₁和ω₂分别为蜗杆100和蜗轮200的角速度。

此外，在滚子300/磨具400顶部中心，建立在滚子300/磨具400上与蜗轮200固联的坐标系S₀(i₀,j₀,k₀)，滚子300/磨具400的旋转轴线沿着蜗轮200的径向方向，且与蜗轮转动轴线201垂直相交，即与k_2′垂直相交。

在图2中，A为蜗杆100与蜗轮200的中心距，c₂为滚子300偏距，α为蜗轮200齿距角，φ₁、φ₂分别为蜗杆100、蜗轮200的转角，传动比i₁₂＝ω₁/ω₂＝φ₁/φ₂＝1/i₂₁，当φ₁＝φ₂＝0时，动坐标系与静坐标系重合，并设O₀点在S_2′坐标中的坐标为(a₂,b₂,c₂)，在接触点O_p处设置活动标架S_p(e₁,e₂,n)，对于球形滚子300的坐标系设置如图3所示，固定坐标系S₀的位置在滚子300顶部或中央。

根据啮合原理，空间啮合的两齿面，无论是点接触还是线接触在任一瞬时总是相切的，即在接触点总有公共的切平面和公共的法矢n，且两齿面在接触点的相对运动速度ν^1′2′必然和公法矢n相垂直，即两齿面在接触点的公法矢方向无相对运动。因此能够保证相互接触的两齿面不致脱离或产生卡死现象，从而使两齿面能连续地保持接触，即两齿面在接触点处必须满足啮合方程：

由母面(产形面)上所设置的接触点O_p的活动标架可知，n轴即为母面与蜗杆100齿面的公法矢，所以接触点O_p处的相对速度矢量ν^1′2′在活动标架S_p中沿n轴投影即得到该传动的啮合函数：

由啮合函数得到此蜗杆传动装置的啮合方程为：

上式中，u、θ分别为蜗轮200滚子300的设计参数，Φ₂为蜗轮200转动角，M₁，M₂，M₃为球滚子蜗轮蜗杆传动装置后续设计需要求解的参数。

实施例2

如图4所示为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例2中的爆炸图。如图5所示为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例2中位于啮合处的剖面图。如图6所示为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例2中位于啮合处的结构示意图。

在实施例2中的球滚子蜗轮蜗杆传动装置的蜗轮200上设置有用于与蜗杆100的齿廓110啮合的滚子300。蜗轮200至少包括带有蜗轮通孔240的蜗轮主体，其中，蜗轮主体上沿轴向设置有若干台阶部，其中一个台阶部能够构成用于限制滚子300的第一封装体210。优选地，在蜗轮主体的另一台阶部上可拆卸地设置有第二封装体220，第二封装体220在沿蜗轮轴向观察可大致视为环形结构。第二封装体220可通过主体连接面225与蜗轮主体连接。优选地，主体连接面225与蜗轮主体的连接关系可以是滑动连接，以使得第二封装体能够通过主体连接面225以相向于第一封装体210的方式滑动安装于蜗轮主体的其中一个台阶部上，并能够通过轴向外表面224充当第二封装体220沿蜗轮200轴向的调节面，以使得第二封装体220能够相对于第一封装体210沿蜗轮200轴向调节其位置，用以补偿磨损。

第二封装体220的第二槽面221是与对应的第一封装体210的第一槽面211采用镜像对称的方式构成的。第一槽面211和第二槽面221分别地大体呈围绕滚子300的球心所形成的部分球形轮廓，部分球形轮廓的弧长在沿直径的剖视图中超出滚子300的周长的四分之一。在蜗轮的轴向上彼此相向对接的第一槽面211和第二槽面221构成大体呈半球形结构的滚槽230。进一步地，第一槽面211与滚子300之间存在第一槽间间隙212，第二槽面221与滚子300之间存在第二槽间间隙222。滚槽230的顶部，在位于第二封装体220与第一封装体210共同形成限制滚子300的区域内，在第二封装体220的第二径向外表面223与第一封装体210的第一径向外表面213之间存在用于限制滚子300的轴向缺口，其中，第一径向外表面213与第二径向外表面223彼此径向高度相同，且分别在轴向缺口处存在径向最高位置B/C。滚槽230底部设有凹口，用于构成导油孔231的面向滚子300的出油口。与轴向缺口的径向最高位置B/C相比，面向滚子300的出油口位于滚槽230的径向最低位置。径向最高位置B/C同滚子300圆心的连线与径向最低位置同滚子300圆心的连线形成钝角，从而在蜗杆100驱动蜗轮200、进而引起滚子300沿其圆滚线滚动时，滚子300以不可丢失的方式被限制在径向最高位置B/C与径向最低位置之间。径向最高位置B/C所在的平面与滚子300所形成的割线L短于滚子的直径D，以使得滚子300既能够在滚槽230中转动，又不会从滚槽230中滑落出去，还能够使滚子300从滚槽230的轴向缺口露出部分区域以啮合于蜗杆100的齿廓110。滚槽230通过出油口与导油孔231连接，以使得润滑油能够以加压的方式在球滚子蜗轮蜗杆传动装置处于啮合状态时通过导油孔231进入至滚槽230的限定空间，并通过滚子300的滚动在滚子300表面、第一槽面211表面、第二槽面221表面和/或齿廓110表面形成能够实现液体润滑的油膜，使啮合处的摩擦方式由滑动摩擦变为滚动摩擦，从而极大程度地降低了传动过程中相互之间的摩擦力。并且在润滑油的压力作用下，能够保证蜗杆100与滚子300保持贴合状态，以提高球滚子蜗轮蜗杆传动装置的承载能力。每个滚槽230都可连接有对应的导油孔231。进一步地，每个导油孔231可包括相互连通的第一通孔232和第二通孔233，其中，第一通孔232设置于蜗轮主体内部，第二通孔233是通过在第一封装体210的轴向端面中开设的第一凹部214与在第二封装体220的轴向端面中开设的第二凹部226彼此向对地紧密贴合来形成的。通过第一凹部214与第二凹部226的沿凹口周向区域(即凹口两侧)的紧密贴合，以使得第二瞳孔233尽可能不留缝隙，以减少或避免润滑油泄露，从而形成针对滚子300的油压。

实施例3

如图7为球滚子蜗轮蜗杆传动装置在实施例3中的三视图。

将实施例1中基于滚子300的球形结构络合而成的蜗杆100与实施例2中以两半封装结构设置有滚子300的蜗轮200以蜗杆转动轴线101与蜗轮转动轴线201彼此异面的方式相结合，以得到实施例3中的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其中，蜗轮200上周向等间距排设的滚子300能够与蜗杆100的齿廓110以结构尺寸位置相对应的方式进行啮合。进一步地，蜗杆100与蜗轮200彼此轴线异面是指蜗杆转动轴线101与蜗轮转动轴线201为异面直线，即蜗杆转动轴线101和蜗轮转动轴线201不处于同一平面上，两者既不相交又不平行。优选地，蜗杆转动轴线101和蜗轮转动轴线201彼此正交，以进一步减少蜗杆100与蜗轮200上的滚子300之间的摩擦，从而获得更大的传动比。处于啮合状态的球滚子蜗轮蜗杆传动装置能够随着蜗杆100绕着蜗杆转动轴线101沿蜗杆第一转动方向102转动而通过驱动滚子300来带动蜗轮200绕着蜗轮转动轴线201沿与磨具第一转动方向402相同的蜗轮第一转动方向转动，滚子300在绕着蜗轮转动轴线201沿蜗轮第一转动方向公转的同时，还能够以自身任意轴线为转动轴线进行自转，以使得滚子300在啮合于蜗杆100的齿廓110时，至少能够将滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少两者之间的摩擦力。

根据一种优选实施方式，随着蜗杆100的转动，能够带动滚子300露出于轴向缺口的部分区域能够在蜗杆100的齿廓110中滚动，而使得滚子300的另一部分区域能够在滚槽的限定空间中滚动。滚子300的转动方向根据蜗杆100的转动方向而确定。通过轴向外表面224对第二封装体220的安装位置进行调整，以使得滚子300在第一封装体210和第二封装体220之间滚动时的圆滚线所形成的平面相对于蜗轮主体的旋转轴线是倾斜延伸的。优选地，滚子300的圆滚线所形成的平面与蜗轮200的直径剖视面形成夹角，夹角尤其为锐角。滚子300的圆滚线所形成的平面既不垂直于蜗轮200的轴向，也不平行于蜗轮200的轴向。通过上述的设置，使得滚子300在受到蜗杆100传动的作用力时，滚槽230的第一槽面211或第二槽面221部分区域能够对滚子300起支撑作用。优选地，滚子300的总的受力方向(N)不通过第一封装体210的径向最高位置B和第二封装体220的径向最高位置C，以使得第一封装体210的径向最高位置B和第二封装体220的径向最高位置C不会承受过大的作用力，从而在保护第一封装体210和/或第二封装体220在径向最高位置B/C的结构的同时，避免滚子300被第一封装体210和/或第二封装体220在径向最高位置B/C的结构过度磨损。

根据一种优选实施方式，蜗杆100绕着蜗杆转动轴线101沿蜗杆第一转动方向102转动，以使得蜗轮200绕着蜗轮转动轴线201沿蜗轮第一转动方向转动，蜗轮200上的任一滚子300能够在沿蜗轮第一转动方向转动的过程中交替处于啮合状态和非啮合状态，其中，在滚子300处于啮合状态时，同一滚子300能够在不同时刻与蜗杆100的不同分段啮合。可选地，蜗杆100可分为准备啮入段、靠近段、中心段、远离段和准备啮出段，其中，靠近段和远离段可以包括若干层级，例如，在实施例3中包括第一靠近段，第二靠近段，第一远离段和第二远离段。滚子300由非啮合状态转换为啮合状态时，滚子300与蜗杆100的准备啮入段刚好接触。滚子300由啮合状态转换为非啮合状态时，滚子300与蜗杆100的准备啮出段刚好分离。

实施例4

本发明还公开了一种球滚子蜗轮蜗杆传动系统，其包括实施例3中所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，球滚子蜗轮蜗杆传动装置由蜗杆100与带有滚子300的蜗轮200啮合而成。蜗杆100周向上的一端可与伺服驱动装置连接，蜗轮200周向上的一端可与联轴器连接，以构成实施例4中的球滚子蜗轮蜗杆传动系统。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其包括：

滚子(300)，沿周向设置于蜗轮(200)上，用于在蜗轮(200)蜗杆(100)传动期间承受驱动力，

其特征在于，

所述蜗轮(200)的蜗轮主体的一台阶部构成用于限制所述滚子(300)的第一封装体(210)，在所述蜗轮主体上沿轴向套设有用于与所述第一封装体(210)共同限制所述滚子(300)的第二封装体(220)，

其中，在利用从所述蜗杆(100)传递来的、作用于所述滚子(300)的驱动力共同地由所述第一和第二封装体(210、220)来承受时，所述滚子(300)在所述第一和第二封装体(210、220)之间滚动时的圆滚线所形成的平面相对于所述蜗轮主体的旋转轴线是倾斜延伸的。

2.根据权利要求1所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，在所述第二封装体(220)与所述第一封装体(210)共同形成限制所述滚子(300)的区域内，在所述第二封装体(220)的第二径向外表面(223)与所述第一封装体(210)的第一径向外表面(213)之间的轴向缺口起到限制所述滚子(300)的作用。

3.根据权利要求1或2所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，所述第二封装体(220)的第二径向外表面(223)与构成所述第一封装体(210)的第一径向外表面(213)处于彼此相同的径向高度，所述径向高度构成所述轴向缺口的径向最高位置(B、C)，处于所述径向最高位置(B、C)的所述第二封装体(220)和所述第一封装体(210)的最外端分别充当共同限制所述滚子(300)的限制部。

4.根据前述权利要求之一所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，在所述蜗轮主体上沿轴向套设的所述第二封装体(220)与由所述蜗轮主体的一台阶部构成的所述第一封装体(210)之间留有作为导油孔(231)的润滑液通道，用以向各个所述滚子(300)以加压方式提供润滑油，

其中，作为所述导油孔(231)的润滑液通道沿所述蜗轮主体的径向延伸，从而所述导油孔(231)面向所述滚子(300)的出油口与所述滚子(300)的圆滚线不相交，

其中，所述导油孔(231)的第二通孔(233)是通过在所述第一封装体(210)的轴向端面中开设的第一凹部(214)与在所述第二封装体(220)的轴向端面中开设的第二凹部(226)彼此向对地紧密贴合来形成的。

5.根据前述权利要求之一所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，所述第二封装体(220)的第二槽面(221)是与对应的所述第一封装体(210)的第一槽面(211)采用镜像对称的方式构成的，其中，第一、第二槽面(211、221)大体呈围绕所述滚子(300)的球心所形成的部分球形轮廓，所述部分球形轮廓的弧长在沿直径的剖视图中超出所述滚子(300)的周长的四分之一。

6.根据前述权利要求之一所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，在所述蜗轮(200)的轴向上彼此相向对接的第一、第二槽面(211、221)构成大体呈半球形结构的滚槽(230)，所述滚槽(230)底部设有凹口，用于构成所述导油孔(231)的面向所述滚子(300)的出油口。

7.根据前述权利要求之一所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，与所述轴向缺口的径向最高位置(B、C)相比，面向所述滚子(300)的出油口位于所述滚槽(230)的径向最低位置，

其中，所述径向最高位置(B、C)同所述滚子(300)圆心的连线与所述径向最低位置同所述滚子(300)圆心的连线形成钝角，从而在所述蜗杆驱动所述蜗轮、进而引起所述滚子(300)沿其圆滚线滚动时，所述滚子(300)以不可丢失的方式被限制在所述径向最高位置(B、C)与所述径向最低位置之间，

其中，所述径向最高位置(B、C)所在的平面与所述滚子(300)所形成的割线(L)短于所述滚子(300)的直径(D)。

8.根据前述权利要求之一所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，所述滚子(300)沿其圆滚线滚动时的受力方向(N)取决于蜗杆的旋转方向，但始终相对于所述蜗轮的径向呈锐角，尤其是使得所述滚子(300)的圆滚线所在的平面既不与所述第一封装体(210)的所述径向最高位置(B)相交，也不与所述第二封装体(220)的所述径向最高位置(C)相交，

其中，所述滚子(300)的圆滚线所形成的平面与所述蜗轮(200)的直径剖视面形成夹角，所述夹角尤其为锐角。

9.根据前述权利要求之一所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其特征在于，所述第二封装体(220)的轴向外表面(224)在背离所述第一封装体(210)一侧呈环状，所述轴向外表面(224)能够充当所述第二封装体(220)沿轴向的调节面，

其中，所述第二封装体(220)能够相对于所述第一封装体(210)沿蜗轮轴向调节其位置，用以补偿磨损。

10.一种球滚子蜗轮蜗杆传动系统，其特征在于，所述球滚子蜗轮蜗杆传动系统采用了前述任一权利要求所述的球滚子蜗轮蜗杆传动装置，其中，

蜗杆(100)周向上的一端能够与伺服驱动装置连接，蜗轮(200)周向上的一端能够与联轴器连接，所述蜗杆(100)与所述蜗轮(200)通过滚子(300)啮合连接。

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