TWI535955B - 可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿 - Google Patents

Description

可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿

本發明提供一種可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其是與線性傳動裝置有關。

滾珠螺桿，為一種穩定、安靜及具有高精密傳動精度之線性傳動裝置，而為確實達到所需高定位精度，一般會透過施加預壓的方式來達成；而如第1、2圖所示為一種習知的偏位預壓式滾珠螺桿10，該滾珠螺桿10主要包含一螺桿11，其外側穿套一螺帽12，螺桿11具有一螺旋狀之螺桿溝槽111，螺帽12具有一螺旋狀之螺帽溝槽121，且在該螺桿溝槽111與該螺帽溝槽121之間設置複數滾珠13，如第3圖所示為螺帽溝槽121的軸方向座標相對於螺旋角座標的關係圖，此型式滾珠螺桿之偏位預壓方式是於該螺帽溝槽121上設置一偏位點P，第3圖之橫軸表示螺帽溝槽121的螺旋角座標，縱軸表示螺帽溝槽121的軸方向座標，而在偏位點P的左側，螺帽溝槽121的螺旋角座標和軸方向座標呈一等比例關係，螺旋角座標每增加360度(即螺帽12旋轉一轉)所對應之軸方向座標增加量即定義為導程值L，而偏位點P的右側，螺帽溝槽121的螺旋角座標和軸方向座標也同樣呈一相 同的等比例關係，即導程值L；但是在偏位點P處，螺帽溝槽121產生一個預壓導程偏位值δ，藉此使其間產生導程偏位，而偏位點P兩側之滾珠13則能據此產生相反方向之預壓。第1圖下方所示為其上方結構之預壓力變化圖，圖的橫軸表示軸方向座標，而縱軸表示在該軸方向座標處之滾珠13所呈受的預壓力，正負符號表示預壓力的方向，從圖形可清楚發現，如第1圖例之該滾珠螺桿10的滾珠13所承受預壓力之方向在該偏位點P之處產生急劇變化，在該偏位點P之左側，該滾珠螺桿10的預壓力為正值，而在該偏位點P之右側，該滾珠螺桿10的預壓力突然變成負值，其預壓力之斜率為無窮大，亦可定義為該處曲線之一次微分為無窮大，因為負荷劇烈變化，而會產生整體滾珠螺桿10運轉不順暢之狀況；而第2圖例之另一設計之滾珠螺桿10，其滾珠13之預壓力則如第2圖下方所示，雖然預壓力有比較平緩的改變，但是在偏位點P附近同樣具有斜率無窮大之預壓力變化產生，而同樣具有相同之缺失；另外如第4、5圖所示之滾珠螺桿20則同樣包含一螺桿21，其外側穿套一螺帽22，且在該螺桿21與該螺帽22之間的循環迴路中設置複數滾珠23，其主要是於循環迴路中設置一無負荷區段B，而無負荷區段的兩側之負荷區段A及負荷區段C則分別承受相反方向之負荷，透過該無負荷區段B的設置釋放負荷區段A及負荷區段C中滾珠所受負荷，據以避免滾珠螺桿之預壓力會從正值以斜率無窮大之變化速率變成負值的問題，進而改善運轉的順暢度；然而，如第5圖下方所示為其上方結構之預壓力變化圖，圖的橫軸表示軸方向座標，而縱軸表示在該軸方向座標處之滾珠23所呈受的預壓力，正負符號表示預壓力的方向，從圖形可清楚發現在該循環 迴路的無負荷區段B兩側的滾珠由承受負荷進入該無負荷區段B的過程中仍會產生一斜率無窮大之預壓力變化，.即滾珠的預壓力在進入該無負荷區段B時會極速下降至0，由此可見，該滾珠螺桿20於循環過程中仍會產生預壓力的急速變化，而造成整體滾珠螺桿20於運行過程中產生噪音、震動之現象發生；並且，中間之無負荷區域B之滾珠23係無承受來自螺桿21與螺帽22之負荷，故該區域對滾珠螺桿10的負荷能力沒有幫助。

有鑑於此，本發明人潛心研究並更深入構思，歷經多次研發試作後，終於發明出一種可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿。

本發明提供一種可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其主要是改善一般滾珠螺桿配置導程偏位而會相應產生運轉不順暢之缺失；並且經由可擴充負荷區的設計，使滾珠螺桿可承受負荷之能力可以高於習用螺桿，使本發明之滾珠螺桿可承受更大的負荷。

為達前述目的，本發明提供一種可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，包含：一螺桿，沿一軸向延伸長度，該螺桿外表面具有一外螺紋槽，且該螺桿的外螺紋槽具有一固定之螺桿導程值；一螺帽，沿該軸向延伸長度，且該螺帽的內表面具有一內螺紋槽，該螺帽穿套於該螺桿外，並使該內螺紋槽與該外螺紋槽之間相對成為一個負荷路徑；該內螺紋槽至少包含連續銜接之一第一螺紋槽段、一第二螺紋槽段及一第三螺紋槽段，該第二螺紋槽段於該軸向上具有一第二螺紋槽段長度；且該第一螺紋槽段之螺旋角每增加360度(旋轉一 轉)於該軸向位移的值等於一第一導程值，該第二螺紋槽段之螺旋角每增加360度於該軸向位移的值等於一第二導程值，而該第三螺紋槽段之螺旋角每增加360度於該軸向位移的值等於一第三導程值；該第一導程值、該第三導程值與該螺桿導程值相同，且該第一導程值不等於該第二導程值；以及複數滾珠，容置於該負荷路徑內。

本發明透過於螺帽的第二螺紋槽段上設置連續變化的第二導程值，使容置於第二螺紋槽內的滾珠能同時承受正向力及反向力，進而達到擴充負荷區之效果。

《習知技術》

10‧‧‧滾珠螺桿

11‧‧‧螺桿

111‧‧‧螺桿溝槽

12‧‧‧螺帽

121‧‧‧螺帽溝槽

13‧‧‧滾珠

20‧‧‧滾珠螺桿

21‧‧‧螺桿

22‧‧‧螺帽

23‧‧‧滾珠

L‧‧‧導程值

P‧‧‧偏位點

δ‧‧‧預壓導程偏位值

A‧‧‧負荷區域

B‧‧‧無負荷區域

C‧‧‧負荷區域

《本發明》

30‧‧‧螺桿

31‧‧‧外螺紋槽

40‧‧‧螺帽

41‧‧‧內螺紋槽

411‧‧‧第一螺紋槽段

412‧‧‧第二螺紋槽段

413‧‧‧第三螺紋槽段

50‧‧‧滾珠

X‧‧‧軸向

L0‧‧‧螺桿導程值

L1‧‧‧第一導程值

L2‧‧‧第二導程值

L3‧‧‧第三導程值

P0‧‧‧預壓力

P1‧‧‧壓力

P2‧‧‧壓力

W‧‧‧第二螺紋槽段長度

δ‧‧‧預壓導程偏位值

第1圖 為習用滾珠螺桿的剖視圖及其預力變化圖。

第2圖 為另一種習用滾珠螺桿的剖視圖及其預力變化圖。

第3圖 為習用滾珠螺桿的螺帽溝槽軸方向座標相對於螺旋角座標的關係圖。

第4圖 為再一種具有無負荷區段的滾珠螺桿剖視圖。

第5圖 為第4圖例的側視圖及其預力變化圖。

第6圖 為本發明可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿的主要結構示意圖。

第7A圖 為本發明可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿之螺旋角-軸座標關係變化圖。

第7B圖 為本發明可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿之螺旋角-偏位量 關係變化圖。

第7C圖 為本發明可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿之螺旋角-受力關係變化圖。

為使貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後：本發明可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿之較佳實施例如第6至7圖所示，包含：一螺桿30，沿一軸向X延伸長度，該螺桿30外表面具有一外螺紋槽31，且該螺桿30的外螺紋槽31具有固定之一螺桿導程值L0，即外螺紋槽31之螺旋角每增加360度(旋轉一轉)於該軸向X位移的值等於該螺桿導程值L0；一螺帽40，沿該軸向X延伸長度，且該螺帽40的內表面具有一內螺紋槽41，該螺帽40穿套於該螺桿30外，並使該內螺紋槽41與該外螺紋槽31之間相對成為一個負荷路徑；該內螺紋槽41至少包含連續銜接之一第一螺紋槽段411、一第二螺紋槽段412及一第三螺紋槽段413；且第一螺紋槽段411之螺旋角每增加360度(旋轉一轉)於該軸向X位移的值等於一第一導程值L1，第二螺紋槽段412之螺旋角每增加360度於該軸向X位移的值等於第二導程值L2，而第三螺紋槽段413之螺旋角每增加360度於該軸向X位移的值等於第三導程值L3，該第一導程值L1、該第三導程值L3與該螺桿導程值L0相同。

請參閱第7A圖，第7A圖之橫軸表示螺旋角座標，而縱軸表 示所對應之該軸向X座標，其中由於第二螺紋槽段412的斜率和第一螺紋槽段411及第三螺紋槽段413明顯不同，故第一螺紋槽段411及第三螺紋槽段413的延伸線於該軸向X上存在一個軸向偏位值，定義該軸向偏位值為一預壓導程偏位值δ，且預壓導程偏位值δ不等於零，在第一導程值L1等於第三導程值L3的條件下，預壓導程偏位值δ等於W(L2-L1)/L2，其中W為該第二螺紋槽段412於該軸向X上之第二螺紋槽段長度W，而且第一導程值L1不等於第二導程值L2。在第6圖中，第二螺紋槽段長度W約為第二導程值L2，但值得說明的是，本案圖式第6圖為一示意圖，該第二螺紋槽段長度W並不限於第二導程值L2的一倍，且設計上第二螺紋槽段412之長度W可設計為第二導程值L2的0.5~2倍，而一倍左右為一良好的設計。此外，尤其需說明者，第7A圖為一示意圖，實務上，第一導程值L1和第二導程值L2的差值很小，而預壓導程偏位值δ是一個遠小於第一導程值L1的量，一般都小於或等於第一導程值L1的百分之一，(本案第7A圖為刻意放大誇示預壓導程偏位值δ的量值，以避免所繪出的圖形中第一螺紋槽段411、第二螺紋槽段412及第三螺紋槽段413等三段呈近似一直線而不易區分及表達)。

複數滾珠50，容置於該負荷路徑內，由於該第二螺紋槽段412相較於第一螺紋槽段411及第三螺紋槽段413具有預壓導程偏位值δ，據此使位於第一螺紋槽段411及第三螺紋槽段413內的滾珠50分別具有反向而同樣大小之預壓導程偏位值，如第7B圖所示，其橫軸代表該內螺紋槽41之螺旋角座標，而縱軸代表所對應之預壓導程偏位值，該第二螺紋槽段412內的預壓導程偏位值呈一傾斜直線，即預壓導程偏 位值會有連續之變化，也就是該第二螺紋槽段412內的預壓導程偏位值相對於第二螺紋槽段412之螺旋角的變化率固定。

請再參閱第7C圖，其橫軸代表內螺紋槽41之螺旋角座標，而縱軸代表示該位置之滾珠50所對應承受之力量，其中，第7C中之實線表示在螺帽40不承受外部負荷條件下滾珠50所承受之對應承受之力量，由於是在螺帽40不承受外部負荷條件下滾珠50所承受之力量，稱其為預壓力，在第一螺紋槽段411中，由於具有一固定之偏位值，其承受之預壓力也是一個定值，表示為預壓力P0，而在第三螺紋槽段413中，則承受一個和預壓力P0相反的力，由於作用力相反，故表示為-P0；而在該第二螺紋槽段412內的預壓導程偏位值則呈一傾斜直線，故在該第二螺紋槽段412內的滾珠50所承受負荷也呈連續之變化，經模擬後，中間有一小段為不受力的區域，但是在第二螺紋槽段412的範圍內完全沒有斜率為無窮大(即受力急劇變化)的區域，也就是說本發明之設計在螺帽40不承受外部負荷條件下滾珠50的受力不會有如習知技術一樣的急速變化。

以上為本發明可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿的結構組態及特徵；該第二螺紋槽段412因其於該軸向X上具有連續變化的第二導程值L2，因此在滾珠50承受負荷的過程中雖改變承受負荷的方向，但不會產生急劇之線性變化(預壓力相對螺桿的螺旋角之變化關係之一次微分為無窮大)，滾珠50的承受力量為連續變化負荷，即該第二螺紋槽段412中之滾珠50承受負荷相對螺桿的螺旋角之變化關係之一次微分不為無窮大。

請繼續參考第7C圖，當本發明施加於該螺桿30外部一個外力F1(未示出)時，此時之滾珠50承受力量需要加大以和外力F1平衡，於此狀態下會使第一螺紋槽段411內的滾珠50承受力量提升至一壓力P1，而在第二螺紋槽段412的預壓導程偏位值δ不變之狀況下，即第7C圖中位於第二螺紋槽段412的滾珠承受負荷曲線係平行地位移銜接P1曲線，則位於該第二螺紋槽段412內的滾珠50承受之正向負荷亦隨之增加，滾珠50承受之反向負荷則減小，如第7C圖中之一點鏈線所示； 同理，當本發明施加於螺帽40在承受外部負荷條件的力量加大到外力F2(未示出)時，外力F2大於F1，此時第一螺紋槽段411內的滾珠承受負荷提升至壓力P2，而在第二螺紋槽段412的預壓導程偏位值δ不變之狀況下，即第10圖中位於第二螺紋槽段412的鋼珠負荷曲線係平行地位移銜接P2曲線，則位於該第二螺紋槽段412內的滾珠50承受之正向負荷亦隨之增加，滾珠50承受之反向負荷則減小；且使滾珠50在第二螺紋槽段412內完全承受正向負荷，藉此使整體滾珠螺桿承受正向負荷的能力提升，且只要改變施加於螺桿30的外部正向力即能調整滾珠50承受負荷的狀態，提高整體滾珠螺桿的適用性；而使同時，位於該第三螺紋槽段413內的滾珠50承受之力量降為零，反向的內應力減少，使第二螺紋槽段412內的滾珠50完全承受正向負荷。同理，螺帽40在承受一反向外力時，第二螺紋槽段412內的滾珠50也可承受反向負荷。即，第二螺紋槽段412內的滾珠50可以因為外力的方向的不同，而擴充負荷區，並承受正向或反向的負荷，使滾珠螺桿可承受負荷之能力高於習用螺桿，使本發明之滾珠螺桿可承受更大的負荷。

而更值得說明的是，由於本發明之第二螺紋槽段412的第二導程值L2為連續變化之態樣，因此該滾珠50於承受負荷時為平順地變化，而不會有急遽的變化產生，據此提高整體滾珠螺桿的運轉順暢度，並進而提高線性傳動的精度。

41‧‧‧內螺紋槽

411‧‧‧第一螺紋槽段

412‧‧‧第二螺紋槽段

413‧‧‧第三螺紋槽段

P0‧‧‧預壓力

P1‧‧‧壓力

P2‧‧‧壓力

Claims (9)

1. 一種可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，包含：一螺桿，沿一軸向延伸長度，該螺桿外表面具有一外螺紋槽，且該螺桿的外螺紋槽具有一固定之螺桿導程值；一螺帽，沿該軸向延伸長度，且該螺帽的內表面具有一內螺紋槽，該螺帽穿套於該螺桿外，並使該內螺紋槽與該外螺紋槽之間相對成為一個負荷路徑；該內螺紋槽至少包含連續銜接之一第一螺紋槽段、一第二螺紋槽段及一第三螺紋槽段，該第一螺紋槽段及第三螺紋槽段的延伸線於該軸向上的軸向偏位值為一預壓導程偏位值，該預壓導程偏位值不等於零；且該第一螺紋槽段之螺旋角每增加360度(旋轉一轉)於該軸向位移的值等於一第一導程值，該第二螺紋槽段之螺旋角每增加360度於該軸向位移的值等於一第二導程值，而該第三螺紋槽段之螺旋角每增加360度於該軸向位移的值等於一第三導程值；該第一導程值、該第三導程值與該螺桿導程值相同，且該第一導程值不等於該第二導程值；以及複數滾珠，容置於該負荷路徑內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，第二螺紋槽段內滾珠承受之負荷為連續變化負荷，且該第二螺紋槽段內的預壓力相對螺桿的螺旋角之變化關係之一次微分不為無窮大。
3. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，該螺帽承受之外部負荷為0時，容置於該第 二螺紋槽段內的滾珠承受正向力與反向力。
4. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，該第二螺紋槽段於該軸向上具有一第二螺紋槽段長度，且該預壓導程偏位值為W(L2-L1)/L2，其中，W為該第二螺紋槽段長度，L1為該第一導程值，L2為該第二導程值。
5. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，該第二螺紋槽段於該軸向上具有一第二螺紋槽段長度，且該第二螺紋槽段長度為第二導程值的0.5~2倍。
6. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，該第二螺紋槽段內的預壓導程偏位值相對於第二螺紋槽段之螺旋角的變化率固定。
7. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，第二螺紋槽段內的滾珠能依據不同之外力方向而擴充負荷區，並承受正向或反向負荷。
8. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，該第二螺紋槽段中之滾珠承受負荷相對螺桿的螺旋角之變化關係之一次微分不為無窮大。
9. 如申請專利範圍第1項所述的可擴充負荷區偏位預壓式滾珠螺桿，其中，該預壓導程偏位值小於或等於第一導程值的百分之一。