CN212225912U - 一种具有减速功能的行星滚柱丝杠 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，包括丝杆、螺母和位于所述丝杆外周和所述螺母内周之间的若干滚柱，在所述丝杆外周还套设有保持架，该保持架上设置有若干保持孔，所述滚柱一一对应地穿设在所述保持孔中，所述螺母的内周设置有内螺纹，所述滚柱的外周设置有与所述内螺纹啮合的第一外螺纹，所述丝杆的外周设置有与所述第一外螺纹啮合的第二外螺纹；所述内螺纹和所述第一外螺纹的旋向相同，所述第二外螺纹与所述第一外螺纹的旋向相反。本实用新型的丝杆和螺母的旋向不同，便于通过改变丝杆滚柱直径比、丝杆的螺距和头数来设计滚柱丝杠的传动比，使得滚柱丝杠具有减速功能。

Description

一种具有减速功能的行星滚柱丝杠

技术领域

本实用新型涉及行星滚柱丝杠技术领域，具体涉及一种具有减速功能的行星滚柱丝杠。

背景技术

行星滚柱丝杠最早由瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年发明，因为结构复杂，加工精度要求高等原因一直没能得到广泛的应用。直到1980年代后因为加工技术的进步特别是数控加工设备的普及和市场需求的推动该技术才逐步得到了应用和发展，并在各种工业领域被越来越多的采用。行星滚柱丝杠的特点在于：1)高承载力长寿命；相对滚珠丝杠承载力大约可以提高3-5倍，寿命更可达滚珠丝杠的近10-15倍；2)高输入转数高输出速度，输入最高转速可以达6000rpm输出速度最高可达2000mm/s；3)振动和噪音小、体积小；4)高可靠性低维护成本。

自滚柱丝杠发明以来，其螺母、丝杆和滚柱的旋向就一直被设计为相同的，而丝杆和滚柱为外啮合，二者旋向相同即意味着在啮合点处二者的螺旋线切线是相反并以较大角度交叉的，交叉角为二者螺旋角之和。因此导致丝杆和滚柱间的啮合条件恶化，各自螺旋角越大时啮合条件越恶劣。螺旋线在啮合点的大角度交叉会导致丝杠和滚柱的中径减小或分离并使承载能力降低，丝杆和滚柱磨损加大；而且，传统的滚柱丝杠，其丝杆的导程与螺母的轴向位移一致，即滚柱丝杠副自身的传动比为1，如果需要降低螺母的输出速度，只能选择减小丝杆的螺距，但与此同时，会带来因牙型太小而使滚柱丝杠承载能力下降及丝杠副刚度低等问题；此外，传统的滚柱丝杠中，普遍不具有自锁功能，这是由于其丝杆与螺母的头数必须相同，螺旋角比较大。那么如果想要降低螺旋角来实现自锁功能，就只有减小丝杆的螺距或者增加丝杆的直径，但是减小螺距会导致牙型变小，承载能力下降，增加丝杆直径会导致产品尺寸变大，成本增加。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，其丝杆和螺母的旋向不同，便于通过改变丝杆滚柱直径比、丝杆的螺距和头数来设计滚柱丝杠的传动比，使得滚柱丝杠具有减速功能并在工程设计上具有更大的灵活性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，包括丝杆、螺母和位于所述丝杆外周和所述螺母内周之间的若干滚柱，在所述丝杆外周还套设有保持架，该保持架上设置有若干保持孔，所述滚柱一一对应地穿设在所述保持孔中，所述螺母的内周设置有内螺纹，所述滚柱的外周设置有与所述内螺纹啮合的第一外螺纹，所述丝杆的外周设置有与所述第一外螺纹啮合的第二外螺纹；所述内螺纹和所述第一外螺纹的旋向相同，所述第二外螺纹与所述第一外螺纹的旋向相反。

本实用新型中，滚柱与螺母为内啮合，故将二者的旋向设计为相同，而滚柱与丝杆为外啮合，故将二者的旋向设计为相反，与传统的滚柱、螺母和丝杆三者旋向均相同的情况比，本实用新型的旋向设计更加合理，在传动时，第一外螺纹和第二外螺纹之间的滑动率较小，有利于提高丝杆和滚柱的使用寿命；此外，本实用新型中，滚柱与丝杆的旋向相反，则在丝杆转动一周后，滚柱的轴向位移可小于丝杆的导程甚至小于螺距，使得本实用新型的滚柱丝杠具有减速功能，而且，在丝杆与滚柱旋向相反的情况下，丝杆的头数无需再与螺母的头数保持一致，故可以根据需要合理选择丝杆的头数，以在不改变螺距的情况下改变导程，进而获得所需的减速比，且不影响滚柱丝杠的承载能力。

优选地，所述滚柱的数量x＝a+b，其中，a为所述螺母的头数，b为所述丝杆的头数。传统结构滚柱丝杠副中的滚柱的数量在空间限制的极限下，可以在数量3以上任意选择不受限制，当然从承载能力方面考虑应该选用尽可能多的滚柱。而本实用新型中，当丝杆与滚柱的旋向相反时，滚柱的数量需按照上述公式计算获得，以确保螺母、滚柱和丝杆三者可以正常传动。

优选地，所述丝杆的头数b≠d₁/d₂,其中，d₁为所述丝杆的中径，d₂为所述滚柱的中径。当丝杆的头数与丝杆和滚柱的中径比相同时，在丝杆转动一周后，滚柱相对于丝杆的轴向位移为零，故此，在设计丝杆的头数时，需要防止出现丝杆的头数与丝杆滚柱中径比相等的情况。

优选地，若干所述滚柱周向均布在所述螺母和所述丝杆之间。

优选地，以与所述丝杆同轴的圆柱面为投影面，所述内螺纹和第二外螺纹在该投影面上分别投影形成若干第一线条和若干第二线条，若干所述滚柱的轴线在该投影面上投影形成若干第三线条，在将所述投影面展开为平面时，所述第一线条和第二线条的交点均位于相应的所述第三线条上。采用这种结构，可以确保滚柱和丝杆、螺母可以正常啮合。

优选地，所述第二外螺纹、第一外螺纹和内螺纹的牙型均为三角形，且三者的牙型角均为50°-70°。传统的滚柱丝杠中，丝杆、螺母和滚柱的螺纹的牙型角均为90°，本实用新型将牙型角缩小，可以提高第二外螺纹和第一外螺纹以及第一外螺纹和内螺纹的接触线长度和接触线处的曲率半径，进而提高滚柱丝杠的承载能力。

优选地，所述第二外螺纹和所述第一外螺纹形成的螺旋副的当量螺纹升角小于所述第二外螺纹和所述第一外螺纹形成的螺旋副的当量摩擦角。传统的滚柱丝杠，受限于丝杆、螺母和滚柱的旋向相同，使得其丝杆的外螺纹的螺纹升角偏大，因为丝杆头数一定，如果减小螺纹升角，在不改变丝杆直径的情况下，只能减小螺距，使得螺纹更加细密，但是螺距的减小空间有限，无法达到小于当量摩擦角的程度，且还会导致承载能力下降的问题；而本实用新型中，丝杆的旋向不同，使得丝杆的头数无需与螺母的头数相同，在不改变丝杆直径和螺距的情况下，可以通过本实用新型的减速作用来减小当量导程，进而减小螺纹升角，使滚柱丝杠具有自锁功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型实施例的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的螺母、滚柱和丝杆在径向方向的连接结构示意图；

图3为本实用新型实施例的滚柱轴线位置示意图；

图4为本实用新型实施例的滚柱位移的计算图解。

附图说明：

1-丝杆；2-螺母；3-滚柱；4-保持架；5-第一线条；6-第二线条；7-第三线条；8-第四线条；9-第五线条；10-第六线条；11-第七线条；

201-内齿圈；301-外齿轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，包括丝杆1、螺母2和位于丝杆1外周和螺母2内周之间的若干滚柱3，在丝杆1外周还套设有保持架4，该保持架4上设置有若干保持孔，滚柱3一一对应地穿设在保持孔中；此外，在螺母2的内周两端附近固定连接有内齿圈201，在每个滚柱3的两端均设置有与该内齿圈201啮合的外齿轮301，内齿圈201和外齿轮301的啮合，可以保证滚柱3与螺母2的中径处在无滑动的纯滚动并同步旋转的状态。

上述螺母2的内周设置有内螺纹，滚柱3的外周设置有与内螺纹啮合的第一外螺纹，丝杆1的外周设置有与第一外螺纹啮合的第二外螺纹，其中，内螺纹和第一外螺纹的旋向相同，第二外螺纹与第一外螺纹的旋向相反。

本实施例中，由于丝杆1和滚柱3的旋向相反，则为了螺母2、滚柱3和丝杆1可以正常啮合，滚柱3的数量x应满足x＝a+b，其中，a为螺母2的头数，b为丝杆1的头数，且b≠d₁/d₂,其中，d₁为丝杆1的中径，d₂为滚柱3的中径。

需要说明的是，本实施例的螺母2的头数的计算方式与传统的滚柱丝杠的计算方式相同，均是由丝杆1与滚柱3的中径比和滚柱3的头数决定，若滚柱3的头数为c，则螺母2的头数为(d₁/d₂+2)c，传统的滚柱丝杠结构中，丝杆的头数应与螺母的头数一致，而本实施例中，丝杆1的头数可以自由选择，只要保证丝杆1的头数不等于丝杆1与滚柱3的中径比即可。

本实施例中，滚柱3需要周向均布在螺母2和丝杆1之间，且为了确保滚柱3与丝杆1、螺母2可以正常啮合，滚柱3的轴线的位置应满足如下条件：以与丝杆1同轴的圆柱面为投影面(参考图3，图中投影面为丝杆的中径所在的圆柱面)，内螺纹和第二外螺纹在该投影面上分别投影形成若干第一线条5和若干第二线条6，若干滚柱3的轴线在该投影面上投影形成若干第三线条7，在将投影面展开为平面时，第一线条5和第二线条6的交点均位于相应的第三线条7上。

本实施例中，丝杆与滚柱、螺母的旋向不同，在传动时，第一外螺纹和第二外螺纹之间的滑动率较小，有利于提高丝杆1和滚柱3的使用寿命；此外，，滚柱3与丝杆1的旋向相反，则在丝杆1转动一周后，滚柱3的轴向位移可小于丝杆1的导程甚至小于螺距，使得滚柱丝杠具有减速功能，而减速比的大小则与丝杆的头数、螺距以及丝杆与滚柱的中径比有关。

下面对丝杆1转动一周，滚柱3的轴向位移的计算方法进行介绍。

首先计算得出丝杆1转动一周，对应的滚柱3的角位移，设丝杆的角速度为ω_s，滚柱的角速度为ω_r，丝杆与滚柱接触点的线速度为v_s，滚柱与螺母的接触点的瞬时速度为0，滚柱中心的线速度为v_r，则v_s＝2v_r，用矢量法或行星机构减速比计算公式可以得到，ω_s/ω_r＝2(d₁+d₂)/d₁,一般来说，为了防止滚柱丝杠的尺寸过大，现实中，丝杆和滚柱的中径比一般采用1、2、3或4，当d₁/d₂＝1时，ω_s/ω_r＝4，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.25圈；当d₁/d₂＝2时，ω_s/ω_r＝3，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.33圈；当d₁/d₂＝3时，ω_s/ω_r＝2.667，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.375圈；当d₁/d₂＝4时，ω_s/ω_r＝2.5，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.4圈。

然后，采用图解法得出丝杆1转动一圈后，滚柱3相对于丝杆1的轴向位移，本实施例中以丝杆1和滚柱3的中径比为3的滚柱丝杠为例进行说明，该滚柱丝杠中，丝杆1为左旋，其头数为4，中径为45mm，滚柱3为右旋，其头数为1，中径为15mm，数量为9个，螺母2为右旋，其头数为5，中径为75mm，三者的螺距均为2mm。

参考图4，滚柱3和丝杆1的螺旋线投影在直径为45mm的圆柱面上分别形成第四线条8和第五线条9，将该圆柱面展开，得到如图4所示的平面图，图上虚线滚柱为滚柱3的初始位置，实线滚柱为滚柱3转过0.375圈的终止位置，当该滚柱位于其终止位置时，其中心线与第四线条8和第五线条9分别形成一个交点，两个交点之间的距离即为滚柱3在丝杆1转过一圈后的轴向位移，本实施例中，量得两个交点之间的距离为1mm。

为便于说明本实施例的滚柱丝杠的减速效果，特此对传统的滚柱丝杠的丝杆转过一圈，滚柱的轴向位移进行计算，仍以丝杆和滚柱的中径比为3的滚柱丝杠为例进行说明，只是，其丝杆为左旋，头数为5(需与螺母头数相同)，中径为45mm，滚柱为左旋，其头数为1，中径为15mm，螺母为左旋，其头数为5，中径为75mm，三者的螺距均为2mm。参考图4，在丝杆转过一圈后，滚柱仍然转过0.375圈，其丝杆和滚柱的螺旋线在直径为45mm的圆柱面上分别形成第六线条10和第七线条11，位于终止位置的滚柱的中心线与第六线条10和第七线条11分别形成一个交点，两个交点之间的距离即为滚柱在丝杆转过一圈后的轴向位移，传统的滚柱丝杠结构中，量得两个交点之间的距离为10mm。

由此可见，本实施例的滚柱丝杠结构，可以大大降低丝杆1转过一周后的滚柱3的轴向位移。

需要说明的是，以上只是针对丝杆滚柱中径比为3的特定尺寸的滚柱丝杠为例，说明滚柱的轴向位移的图解计算方法，在实际中，对于不同型号的滚柱丝杠，如需利用图解法得到滚柱的轴向位移，可以先根据丝杆和滚柱的中径比，确定丝杆转动一周后的滚柱转动的圈数，然后根据丝杆的螺距和头数，画出丝杆转过一周后的丝杆的外螺纹的展开线(以丝杆的中径为投影面展开)，然后在展开图上画出滚柱的轴线的初始位置和终止位置，以及滚柱的外螺纹的展开线，则在展开图上，滚柱的轴线分别与丝杆的外螺纹和滚柱的外螺纹相交，形成两个交点，这两个交点之间的距离即是滚柱的轴向位移。

进一步地，本实施例中，上述第二外螺纹、第一外螺纹和内螺纹的牙型均为三角形，且三者的牙型角均为50°-70°，更优地，牙型角为60°。传统的滚柱丝杠中，丝杆、螺母和滚柱的螺纹的牙型角均为90°，本实施例将牙型角缩小，可以提高第二外螺纹和第一外螺纹以及第一外螺纹和内螺纹的接触线长度和接触线处的曲率半径，进而提高滚柱丝杠的承载能力。

进一步地，上述第二外螺纹和第一外螺纹形成的螺旋副的当量螺纹升角小于第二外螺纹和第一外螺纹形成的螺旋副的当量摩擦角，传统的滚柱丝杠，受限于丝杆、螺母和滚柱的旋向相同，使得其丝杆的外螺纹的螺纹升角偏大，因为丝杆头数一定，如果减小螺纹升角，在不改变丝杆直径的情况下，只能减小螺距，使得螺纹更加细密，但是螺距的减小空间有限，无法达到小于当量摩擦角的程度，且还会导致承载能力下降的问题，如上述给出的传统滚柱丝杠结构，其螺旋角为arctan10/45π≈4°；而本实施例中，丝杆的旋向不同，使得丝杆的头数无需与螺母的头数相同，在不改变丝杆直径和螺距的情况下，可以通过本实施例的滚柱丝杠的减速作用来减小当量导程，进而减小当量螺纹升角，使滚柱丝杠具有自锁功能，该当量螺纹升角为丝杆转过一周后，滚柱的轴向位移与丝杆的中径处的周长的比值的反正切值，如上述给出的改进后的滚柱丝杠结构，其当量螺纹升角为arctan1/45π≈0.4°，是传统的滚柱丝杠的螺纹升角4°的十分之一。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，包括丝杆、螺母和位于所述丝杆外周和所述螺母内周之间的若干滚柱，在所述丝杆外周还套设有保持架，该保持架上设置有若干保持孔，所述滚柱一一对应地穿设在所述保持孔中，其特征在于：

所述螺母的内周设置有内螺纹，所述滚柱的外周设置有与所述内螺纹啮合的第一外螺纹，所述丝杆的外周设置有与所述第一外螺纹啮合的第二外螺纹；

所述内螺纹和所述第一外螺纹的旋向相同，所述第二外螺纹与所述第一外螺纹的旋向相反。

2.根据权利要求1所述的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，其特征在于：

所述滚柱的数量x＝a+b，其中，a为所述螺母的头数，b为所述丝杆的头数。

3.根据权利要求2所述的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，其特征在于：

所述丝杆的头数b≠d₁/d₂,其中，d₁为所述丝杆的中径，d₂为所述滚柱的中径。

4.根据权利要求2所述的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，其特征在于：

若干所述滚柱周向均布在所述螺母和所述丝杆之间。

5.根据权利要求4所述的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，其特征在于：

以与所述丝杆同轴的圆柱面为投影面，所述内螺纹和第二外螺纹在该投影面上分别投影形成若干第一线条和若干第二线条，若干所述滚柱的轴线在该投影面上投影形成若干第三线条，在将所述投影面展开为平面时，所述第一线条和第二线条的交点均位于相应的所述第三线条上。

6.根据权利要求1所述的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，其特征在于：

所述第二外螺纹、第一外螺纹和内螺纹的牙型均为三角形，且三者的牙型角均为50°-70°。

7.根据权利要求1所述的一种具有减速功能的行星滚柱丝杠，其特征在于：

所述第二外螺纹和所述第一外螺纹形成的螺旋副的当量螺纹升角小于所述第二外螺纹和所述第一外螺纹形成的螺旋副的当量摩擦角。

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