CN114439894B - 一种端面内循环返向器的制作方法 - Google Patents

一种端面内循环返向器的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种端面内循环返向器的制作方法，以解决现有设计方法的不足，即在钢球处于受力与非受力临界点时，钢球的中心是滚珠丝杠滚道螺旋线上的切点，未加其他限制，所以导致返向器的设计长度没有理论依据，返向器设计长度不准确，而通过本设计，使返向器上钢球在受力与非受力临界点与钢球中心及滚珠丝杠中心线位于同一平面上，并使钢球在过临界点时按照抛切线运行，确保了钢球在运行时不会产生跑偏现象，避免了钢球会在临界点卡滞，甚至卡死的情况，有效增加了滚珠丝杠副返向器的使用寿命。

Description

一种端面内循环返向器的制作方法
技术领域
本发明涉及汽车转向系统技术领域，特别是涉及一种端面内循环返向器的制作方法。
背景技术
循环球式电动助力转向器中有一个非常重要的部件，即滚珠丝杠副。影响滚珠丝杠副使用寿命的主要因素，其一为滚珠丝杠副自身的强度是否满足工作中承受的载荷？其二为滚珠丝杠副的结构设计是否符合其运行原理？目前行业中选择的解决方案的设计原理为：钢球从滚珠丝杠与滚珠螺母联合组成的滚道中以受力状态进入返向器返向通道时变为非受力状态，以及从返向器返向通道中以非受力状态进入滚珠丝杠与滚珠螺母联合组成的滚道中变为受力状态时，钢球的运行轨迹线在受力与非受力临界点都应该与滚珠丝杠螺旋线相切。其原理是没有问题的，但普遍没有注意的一个问题是：钢球在受力与非受力临界点，钢球的中心与钢球的实际受力点并不重合。在设计返向器时，只注意返向器返向通道引导线与滚珠丝杠螺旋线相切，返向器长度尺寸没有设计依据，其随意性大，致钢球实际运行轨迹与理论运行轨迹不符。如果返向器设计时长度找点不准，则钢球在受力与非受力临界点就不会按切线方向运行，就会对返向器产生额外的冲击，产生噪音，也严重影响返向器使用寿命，且返向器长期在有冲击的工况下工作会产生变形、破裂而导致滚珠丝杠副卡死，产品失效等情况，达不到产品设计寿命，也有可能引起安全事故，为此我们提出一种端面内循环返向器的制作方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种端面内循环返向器的制作方法，以解决现有设计方法的不足，即在钢球处于受力与非受力临界点时，钢球的中心是滚珠丝杠滚道螺旋线上的切点，未加其他限制，所以导致返向器的设计长度没有理论依据，返向器设计长度不准确。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种端面内循环返向器的制作方法，包括如下步骤；
S1：根据负载及工作条件选择滚珠丝杠副的规格，包括滚珠丝杠螺旋线直径尺寸d0，受力钢球数量及钢球直径d1，钢球受力接触角α，根据经验公式计算出滚道通道半径RK及偏心距e1与偏心距e2，计算或测量出钢球受力点与钢球中心的距离ΔR；
S2：在3D软件上做滚珠丝杠滚道螺旋线设计，取滚珠丝杠螺旋线直径d0 与节距P，曲线只要半圈足够返向器的设计，则笛卡尔螺旋线方程为： x＝0.5*d0*cos(t*360*0.5),y＝±0.5*d0*sin(t*360*0.5),z＝0.5*P*t，其中 t为可变参数，根据实际使用的需求，此处应确定滚珠丝杠的旋转方向：左旋， y取负值，右旋，y取正值，得出滚道螺旋线；
S3：根据钢球直径d1选取返向器通道孔内径d3及返向器宽度d4，开始返向器外形设计：在3D软件中，取螺旋线投影成半圆的平面为设计基准平面，以滚珠丝杠螺旋线的螺旋线投影中心、参考平面一和参考平面二为设计基准，绘出一条中心线L1与螺旋线投影相切，得到中心线L1与滚珠丝杠螺旋线之间的角度θ，通过螺旋线投影中心作中心线L1的垂线得中心线L2，得到中心线L2与螺旋线投影的交点P0，通过螺旋线投影中心作半径为R2(R2＝d0/2+△R)(△ R＝d1*cosα)的短弧，短弧与中心线交点为P1，至此，钢球的中心、钢球的实际受力临界点都在中心线L2上，与螺旋线中线可以形成一个平面。继续返向器外形设计，将切线平移(d4-d3)/2的距离，得到中心线L5，通过受力临界点P1 为圆心作直径为d4的圆与中心线L5相交，得交点即为返向器外形长度方向的第二个圆心P2，将中心线L2平移通过交点P2得中心线L4，通过中心线L1与基准面的交点P3作与中心线的垂线得中心线L3，取中心线L3与中心线L5的交点P4为返向器外形长度方向的第一个圆心，以第一个圆心P4及交点P2为返向器外形的上下圆心，返向器宽度d4为直径作跑道形返向器外形线，完成返向器外形设计；
S4：在3D软件中，调整返向器厚度及安装凸台后，开始返向舌头的切制：以滚道形状为参照向内偏置缩小后作为截面，沿滚道螺旋线为参考扫掠出套装在滚珠丝杠滚道中的返向舌头；
S5：在3D软件中，选取S3中垂直绘图平面且包含中心线L1的平面作为返向器返向通道扫掠曲线的绘制平面，以滚道螺旋线、返向器通道孔内径d3的中心线、返向器侧外形线、返向器上外形线为参考基准，做滚道螺旋线的切线，限定此切线与返向器上外形线的角度为滚道螺旋线的螺旋升角β，取返向器侧外形线与切线的交点P5，再沿返向器通道孔的中心线作一条直线，上述两线相交处以圆弧连接，得到返向器返通道的引导曲线。沿此引导曲线，以返向器通道孔内径d3为底径的马蹄形面为截面，扫掠出返向器返向通道；
S6：依照3D软件设计完成的零件图纸对滚珠丝杠副各零件进行加工制作，当滚珠丝杠副所有零件检验合格后，通过测量与计算确定可以装入此滚珠丝杠副的钢球大小。将两个返向器套装于滚珠螺母中，装上两端压板，拧紧相应数量的螺钉锁紧压板，用工装将滚珠螺母中滚道装满钢球，再用工装将上述已装满钢球的滚珠螺母与滚珠丝杠装配到一起，完整的滚珠丝杠副装配完成。
作为本发明的一种优选技术方案，每套产品需要搭配两组返向器，且两组返向器相对设置。
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
通过本设计，使返向器上钢球在受力与非受力临界点与钢球中心及滚珠丝杠中心线位于同一平面上，并使钢球在过临界点时按照抛切线运行，确保了钢球在运行时不会产生跑偏现象，避免了钢球会在临界点卡滞，甚至卡死的情况，有效增加了滚珠丝杠副返向器的使用寿命。
附图说明
附图1是根据本发明的一般滚道截面设计示意图。
附图2是根据本发明的一种与返向器相关的滚道螺旋线设计示意图。
附图3是根据本发明的一种左旋滚珠丝杠的端面内循环返向器外形设计示意图。
附图4是根据本发明的一种右旋滚珠丝杠的端面内循环返向器外形设计示意图。
附图5是根据本发明的一种左旋滚珠丝杠的端面内循环返向器钢球返向通道设计示意图。
附图6是根据本发明的一种左旋滚珠丝杠的两个成对端面内循环返向器实际安装示意图。
附图7是根据本发明的一种完整的左旋滚珠丝杠副安装后将滚珠螺母剖开的设计示意图。
1、返向器；101、滚珠丝杠螺旋线；102、钢球；103、钢球受力接触角α；104、滚道通道半径RK；105、偏心距e1；106、偏心距e2；107、钢球受力点与钢球中心的距离；108、滚珠丝杠螺旋线直径d0；109、钢球直径d1；
2、滚珠螺母；201、滚道螺旋线；202、基准平面；203、螺旋线投影中心；204、参考平面一；205、参考平面二；
3、滚珠丝杠；301、返向器通道孔内径d3；302、返向器宽度d4；303、中心线 L1；304、角度θ；305、中心线L2；306、交点P0；307、短弧；308、受力临界点P1；309、中心线L5；310、交点P2；311、中心线L4；312、中心线L3； 313、交点P3；314、交点P4；315、返向器侧外形线；
4、压板；5、螺钉；501、返向器上外形线；502、切线；503、螺旋升角β；504、交点P5；505、直线；506、圆弧；507、引导曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例：
本发明的技术方案与设计主要过程是：
S1：根据负载及工作条件选择滚珠丝杠副的规格，包括滚珠丝杠螺旋线直径d0108的尺寸，受力钢球102数量及钢球直径d1109，钢球受力的接触角α103，根据经验公式计算出滚道通道半径RK104(RK＝(0.52～0.55)*d1)及偏心距e1105 与偏心距e2106(e＝(RK-0.5*d1)*sinα)，计算或测量出钢球受力点与钢球中心的距离△R107(△R＝d1*cosα)，如附图一所示；
S2、在3D软件上做滚珠丝杠滚道螺旋线201设计，取滚珠丝杠螺旋线直径 d0108与节距P，曲线只要半圈足够返向器的设计，则笛卡尔螺旋线方程为： x＝0.5*d0*cos(t*360*0.5),y＝±0.5*d0*sin(t*360*0.5),z＝0.5*P*t，其中 t为可变参数，根据实际使用的需求，此处应确定滚珠丝杠的旋转方向：左旋， y取负值，右旋，y取正值，得出滚道螺旋线201如附图二所示；
S3、根据钢球直径d1109选取返向器通道孔内径d3301直径及返向器宽度 d4302，开始返向器外形设计：在3D软件中，取螺旋线投影成半圆的平面为设计基准平面如附图二中基准平面202，以滚珠丝杠螺旋线101的螺旋线投影中心 203、参考平面一204和参考平面二205为设计基准，与图2、图3、图4可知参考平面一204和参考平面二205分别为Y轴基准面和X轴基准面，且两者相互垂直，绘出一条中心线L1303与螺旋线101投影相切，得到中心线L1303与滚珠丝杠螺旋线(101)之间的角度θ304，通过螺旋线投影中心203作中心线L1303的垂线得中心线L2305，得到中心线L2305与螺旋线投影的交点P0306，通过螺旋线投影中心203作半径为R2(R2＝d0/2+△R)(△R＝d1*cosα)的短弧307，短弧307与中心线L2305的交点为钢球的实际受力临界点P1308，至此，交点P0306、钢球的实际受力临界点P1308都在中心线L2305上，与螺旋线投影中心203可以形成一个平面。继续返向器外形设计，将中心线L1303平移d4-d3/2的距离，得到中心线L5309，通过受力临界点P1308为圆心作直径为返向器宽度d4302 的圆与中心线L5309相交，得交点P2310即为返向器外形长度方向的第二个圆心，将中心线L2305平移通过交点P2310得中心线L4311，通过中心线L1303 与基准面的交点P3313作与中心线L1303的垂线得中心线L3312，取中心线L3312 与中心线L5309的交点P4314为返向器外形长度方向的第一个圆心，以交点 P2310及交点P4314为返向器外形的上下圆心，返向器宽度d4302为直径作跑道形返向器侧外形线315，完成返向器外形设计。相关设计示意图，左旋返向器外形线设计为附图三，右旋返向器外形线设计为附图四；
S4、在3D软件中，调整返向器厚度及安装凸台后，开始返向舌头的切制：以滚道形状为参照向内偏置缩小后作为截面，沿附图二中所设计的滚道螺旋线 201为参考扫掠出套装在滚珠丝杠滚道中的返向舌头；
S5、在3D软件中，选取附图三、附图四中垂直绘图平面且包含中心线L1303 的平面作为返向器返向通道扫掠曲线的绘制平面，如附图五、附图六所示，以滚道螺旋线201、返向器通道孔内径301的中心线、返向器侧外形线315、返向器上外形线501为参考基准，做滚道螺旋线201的切线502，限定此切线502与返向器上外形线501的角度为滚道螺旋线201的螺旋升角β503，取返向器侧外形线315与切线502的交点P5504，再沿返向器通道孔内径301的中心线作一条直线505，上述两线相交处以圆弧506连接，得到返向器返通道的引导曲线507。引导曲线设计示意图，左旋为附图五。沿此引导曲线507，以返向器通道孔内径 d3301直径为底径的马蹄形面为截面，扫掠出返向器返向通道。至此，本发明所述的端面内循环返向器主体设计完成，完成后的返向器如附图六。每套产品使用两个返向器1，相对布置；
S6、依照3D软件设计完成的零件图纸对滚珠丝杠副各零件进行加工制作，当滚珠丝杠副所有零件检验合格后，通过测量与计算确定可以装入此滚珠丝杠副的钢球大小。将两个返向器1套装于滚珠螺母2中，装上两端压板4，拧紧相应数量的螺钉5锁紧压板，用工装将滚珠螺母2中滚道装满钢球，再用工装将上述已装满钢球的滚珠螺母与滚珠丝杠3装配到一起。完整的滚珠丝杠副装配完成，如附图七所示。
本发明的技术方案：因为滚珠丝杠在承受负载正常工作时，钢球受力点共有 4点，在确定滚珠丝杠的主要技术参数(滚珠丝杠中径、滚道螺旋线节距、钢球直径、钢球受力接触角)后，就可以确定钢球在正常工作时的4个受力点在球体上的位置。而与返向器设计相关时，我们所要重点关注的钢球是在脱离滚珠丝杠与滚珠螺母联合组成的滚道进入返向器返向通道或者从返向器返向通道进入滚珠丝杠与滚珠螺母联合组成的滚道的钢球，此时的钢球在受力与非受力两种状态之间变换。钢球运行时受离心力的影响，会首先在远离球心的受力点上接触，即临界点时受力接触点是在钢球外侧的两个点，又由于滚珠丝杠滚道螺旋升角的存在，这两个临界点在受力接触点的连线与滚珠丝杠中心线并不平行，但这两个点之间的距离比较小且相对中心平面对称，可以近似取这两点的中点作为实际受力临界点，设为P1(如附图三、附图四中的点308)，钢球在临界点时的球心位置必定在滚珠丝杠螺旋线上，设为P0(如附图三、附图四中的点306)。从上述分析可得：P1在返向器与滚珠螺母相接处，也是钢球受力与非受力状态的临界点； P0既在滚珠丝杠滚道螺旋线101上也在返向器返向通道中心线(如附图三、附图四中的中心线L1303上)；P0作为切点时，P1也正好处在临界位置。限定此三个条件就可以确定返向器外形长度方向的第二个圆心，就可以设计出符合实际使用要求的端面内循环返向器。
按上述的具体实施方式进行此返向器的设计与制作，安装到一款循环球式电动助力转向器中进行寿命试验，达到寿命试验要求后拆开产品进行分析，未发现滚珠丝杠副返向器方面的异常，再次装好继续试验，超过50％寿命试验要求后拆开产品进行分析，也未发现滚珠丝杠副返向器方面的异常。而早期的返向器设计，未注意返向器上钢球在受力与非受力临界点应该与钢球中心同在通过滚珠丝杠中心线的同一平面上，钢球在过临界点时未按抛切线运行，会因跑偏出现异常冲击，并且首先受影响的是返向舌头701(附图六中)，返向舌头701损坏后钢球会在临界点卡滞，甚至卡死，所以之前的寿命试验均不能通过，约在10％～40％寿命试验时返向器失效而终止。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种端面内循环返向器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤；
S1：根据负载及工作条件选择滚珠丝杠副的规格，包括滚珠丝杠螺旋线直径d0(108)尺寸，受力钢球(102)数量及钢球直径d1(109)，钢球受力接触角α(103)，根据经验公式计算出滚道通道半径RK(104)(RK＝(0.52～0.55)*d1)及偏心距e1(105)与偏心距e2(106)(e＝(RK-0.5*d1)*sinα)，计算或测量出钢球受力点与钢球中心的距离△R(107)(△R＝d1*cosα)；
S2：在3D软件上做滚珠丝杠滚道螺旋线(201)设计，取滚珠丝杠螺旋线直径d0(108)与节距P，曲线只要半圈足够返向器(1)的设计，则笛卡尔螺旋线方程为：x＝0.5*d0*cos(t*360*0.5),y＝±0.5*d0*sin(t*360*0.5),z＝0.5*P*t，其中t为可变参数，根据实际使用的需求，此处应确定滚珠丝杠的旋转方向：左旋，y取负值，右旋，y取正值，得出滚道螺旋线(201)；
S3：根据钢球直径d1(109)选取返向器通道孔内径d3(301)及返向器宽度d4(302)，开始返向器(1)外形设计：在3D软件中，取螺旋线投影成半圆的平面为设计基准平面(202)，以滚珠丝杠螺旋线(101)的螺旋线投影中心(203)、参考平面一(204)和参考平面二(205)为设计基准，绘出一条中心线L1(303)与滚珠丝杠螺旋线(101)投影相切，得到中心线L1(303)与滚珠丝杠螺旋线(101)之间的角度θ(304)，通过螺旋线投影中心(203)作中心线L1(303)的垂线得中心线L2(305)，得到中心线L2(305)与螺旋线投影的交点P0(306)，通过螺旋线投影中心(203)作半径为R2(R2＝d0/2+△R)(△R＝d1*cosα)的短弧(307)，短弧(307)与中心线L2(305)交点为受力临界点P1(308)，至此，交点P0(306)、钢球的实际受力临界点P1(308)都在中心线L2(305)上，与螺旋线投影中心(203)可以形成一个平面。继续返向器(1)外形设计，将中心线L1(303)平移(d4-d3)/2的距离，得到中心线L5(309)，通过受力临界点P1(308)为圆心作直径为返向器宽度d4(302)的圆与中心线L5(309)相交，得交点P2(310)即为返向器(1)外形长度方向的第二个圆心，将中心线L2(305)平移通过交点P2(310)得中心线L4(311)，通过中心线L1(303)与基准面的交点P3(313)作与中心线L1(303)的垂线得中心线L3(312)，取中心线L3(312)与中心线L5(309)的交点P4(314)为返向器(1)外形长度方向的第一个圆心，以交点P2(310)及交点P4(314)为返向器(1)外形的上下圆心，返向器宽度d4(302)为直径作跑道形返向器侧外形线(315)，完成返向器(1)外形设计；
S4：在3D软件中，调整返向器(1)厚度及安装凸台后，开始返向舌头的切制：以滚道形状为参照向内偏置缩小后作为截面，沿滚道螺旋线(201)为参考扫掠出套装在滚珠丝杠滚道中的返向舌头；
S5：在3D软件中，选取S3中垂直绘图平面且包含中心线L1(303)的平面作为返向器(1)返向通道扫掠曲线的绘制平面，以滚道螺旋线(201)、返向器通道孔内径d3(301)的中心线、返向器侧外形线(315)、返向器上外形线(501)为参考基准，做滚道螺旋线(201)的切线(502)，限定此切线(502)与返向器上外形线(501)的角度为滚道螺旋线(201)的螺旋升角β(503)，取返向器侧外形线(315)与切线(502)的交点P5(504)，再沿返向器通道孔(301)的中心线作一条直线(505)，上述两线相交处以圆弧(506)连接，得到返向器返通道的引导曲线(507)。沿此引导曲线(507)，以返向器通道孔内径d3(301)为底径的马蹄形面为截面，扫掠出返向器返向通道；
S6：依照3D软件设计完成的零件图纸对滚珠丝杠副各零件进行加工制作，当滚珠丝杠副所有零件检验合格后，通过测量确定可以装入此滚珠丝杠副的钢球大小，将两个返向器(1)套装于滚珠螺母(2)中，装上两端压板(4)，拧紧相应数量的螺钉(5)锁紧压板(4)，用工装将滚珠螺母(2)中滚道装满钢球，再用工装将上述已装满钢球的滚珠螺母与滚珠丝杠(3)装配到一起，完整的滚珠丝杠副装配完成。
2.根据权利要求1所述的一种端面内循环返向器的制作方法，其特征在于：每套产品需要搭配两组返向器(1)，且两组返向器(1)相对设置。
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