滚珠蜗杆副的制作方法

本发明属于机械传动领域，广泛应用于空间交错两轴之间的传动，运动可以是减速或增速,最常见的是轴交角Σ=90度的减速运动，踪迹遍布于各种各类机械之中，有重型动力传输,也常用于工作母机和精密仪器的精密分度传动，具体涉及一种滚珠蜗杆副。

背景技术：

蜗杆蜗轮传动在机械设备中应用非常广泛，主要优点是传动平稳，振动冲击很小，噪音很低，结构简单紧凑，传动速比大，一次减速比一般为5～70，最大可达数百。

蜗杆传动的主要缺点是：传动过程中蜗杆螺牙与蜗轮螺牙侧面的滑动摩擦力很大，造成发热快、温升高、能耗大、效率低，也是造成蜗杆蜗轮传动失效的根本原因。为了保留蜗杆传动的优点、又能克服其缺点，近几十年来，不少人将滚动技术应用到蜗杆蜗轮传动中，出现了多种类型的滚珠蜗杆蜗轮传动方式，国家也授予了发明者十几项专利权。

在已经提出的多项传动方式中，最值得关注的还是外形滚道槽和现行蜗杆副相同的滚珠蜗杆副，其特征是蜗杆蜗轮的外缘都设置有螺旋槽、槽的法向截面为单圆弧、双圆弧、直廓槽（也有称梯形），蜗杆外形有圆柱、也有环面，包络方式有单包络、也有双包络。同一副蜗杆蜗轮的螺旋槽截面尺寸相同，装配时两者槽口相对齐，组成多排螺旋管，管内布满滚珠，两者槽顶分布于滚珠中心两侧，蜗杆通过滚珠与蜗轮啮合，蜗杆旋转时由于螺旋侧面的推压作用，带动滚珠旋转滚动，滚珠在螺旋槽内旋转时，其轴向移动分量必然带动蜗轮做旋转运动，用这种方式实现蜗杆蜗轮的滚动啮合传动，其原理与滚珠丝杠副有相同之处，目前虽无成熟产品，但可行性很高，成功几率很大，现有蜗杆蜗轮加工设备也完全能满足需要。

目前的关键问题是滚珠的循环回流方式存在问题较多，缺乏实用性。因此，一些专利虽已公布十几年到二十多年，迄今仍未投入实用，市场更无此类商品出售。

在此列出几种已经公告的专利技术方案进行分析，探讨其中滚珠循环回流方式的缺点和问题，这也是本发明提出时所直接面对的背景技术。

①公告号：CN1403726A 发明专利 滚珠蜗轮蜗杆传动装置

②公告号：CN102338195A 发明专利 一种滚珠蜗轮蜗杆传动副

③公告号：CN2107567U 实用新型 滚珠蜗杆

④公告号：CN1039090A 发明专利 双包环面滚珠蜗杆传动

①②两项专利都是滚珠在蜗轮内循环，两者滚珠都是在蜗轮螺旋槽和两侧盖板内的半圆形滚道槽及蜗轮内的轴向孔组成的通道内循环回流，不同的是第①项蜗轮两侧的端盖外形是两个半圆圈，圈的截面是凹形半圆槽，在整圈的半圆环槽径向分成数量与蜗轮螺旋槽数相等的半圆槽，且装配时相互对应，蜗轮两侧则是两个凸形光滑半圆圈，顶面中间是螺旋槽，蜗轮两侧有两排轴向孔，外圈是通孔，内圈是半圆通孔，文字说明内圈是滚道孔，图形则清楚显示外圈是滚道孔。第②项两侧端盖是圆盘形，盘的一侧平面也设有半圆形槽，蜗轮的滚珠循环通孔是一排（大件）或者两排（小型蜗轮），蜗轮本身两侧面还设置径向半圆形通道槽。

上述两个文件的技术方案有如下缺点：

一、加工制造困难，生产成本高。蜗轮两侧与端盖都采用半圆弧槽加工费时，工艺性不太好，特别是文件①中的端盖，形状特殊，又是薄壳件，生产中还需要配备专用工艺装备，生产成本高。两者都要求端盖径向滚道槽外端与蜗轮螺旋槽口对齐，内端与蜗轮内轴向滚道通孔对正，然而当端盖盖上后，这些槽端和轴向滚道通孔肉眼看不见，装配时稍微偏一点都会引起滚珠进出障碍。同样，文件②蜗轮两侧和端盖都有径向辐射状半圆滚道槽，两半圆槽的形状位置误差一定会要求很严，稍有偏差，或装配时稍有错位，槽口未对齐，不成正圆孔，必将造成滚珠流动障碍，甚至无法流动。还有轴向通道孔中心要求与蜗轮中心平行，然而蜗轮螺旋槽中心与蜗轮中心有一螺旋角，因此按照文件设计的两侧孔槽肯定对不上。

二、实用范围被严格限定。文件①的技术方案将使蜗轮的轴向长度增加较多，再加上大圆弧端盖，使得整体结构体积比现行蜗轮加大很多，应用范围会受到影响。文件②的方案中圆盘形端盖仅适用于该文件设定的圆弧深沟滚道蜗轮（这种圆弧深沟滚道直径和滚珠相同，槽深大于滚珠半径，开口小于滚珠直径）。不适用于具有本案所述特征的滚珠蜗杆蜗轮副，因为他的圆盘形端盖边缘只能到达滚珠最大直径处，不能深入到蜗杆螺旋槽底部，无法引导滚珠循环回流。

文件③④都是滚珠在蜗杆内循环的方案，也都存在一些不足之处，例如：文件③的蜗杆内腔还增设一些附件，滚珠循环通道过于复杂，对传动效率有不利影响,并且生产加工量增大，还需加大蜗杆直径及一端的装配尺寸。

文件④的滚珠循环方式中的第一种来自滚珠丝杠副，滚珠丝杠和螺母是整圆接触，且有3～5列滚珠同时承载，由滚珠变轨而减少的受载滚珠数所占比例很少，对丝杠副的承载能力影响很小，而蜗杆上的滚珠所受的离心力不利于变轨运动，这和滚珠丝杠正好相反，因此必须减小变轨倾斜角度，增大变轨长度，而蜗轮上的螺旋槽很短，由于变轨而造成承载能力的降低不可小视，第二种循环回珠即插管式将造成的承载能力损失比第一种还大，这是蜗杆设计者很难接受的方案。第三种循环方式即键式回珠器看起来理论上较好，但蜗杆要分成蜗杆套与蜗杆两件，蜗杆直径增加较大，而蜗杆轴的刚度不好，蜗杆套与键的位置未有效固定。

还有些技术方案对蜗杆的工作转速很高（一般都在1000r/min以上）注意不够，滚珠循环运动的可靠性、安全性隐患较大，也有些设计工艺性不好，有些甚至无法加工制造。

所有滚珠在环面蜗杆中循环回流的已有专利，都忽略了一个重要事实：环面蜗杆螺旋槽到蜗杆中心的半径是两端大，中间小，因此槽内滚珠移动的线速度便是中间慢，两头快。工作前螺旋槽内布满滚珠，蜗杆旋转时会出现这种现象：中点以前的滚珠越往前移动速度越快，如果前面无阻挡，则滚珠间的距离也越往前越大；相反，由于中点滚珠移动速度最慢，中点以后也应是越往后移动速度越快，但有前面滚珠的阻挡不能前移，因此必然出现后半段滚珠的紧贴挤压，并导致蜗杆-滚珠-蜗轮之间不能实现纯滚动摩擦，必然伴生滑动摩擦，从而增大能耗，降低传动效率。

技术实现要素：

本发明目的就是针对滚珠蜗杆蜗轮传动中的关键技术——滚珠循环回流途径和方法提出两种结构简单、加工方便、工作安全可靠以满足不同类型和用途的需要的滚珠蜗杆副。

本发明的技术方案是这样实现的：一种滚珠蜗杆蜗轮副，滚珠在蜗杆内循环的单头环面滚珠蜗杆蜗轮副；滚珠滚道主要由下列要素和零件组成：蜗杆螺旋槽、导向板、径向孔、斜穿蜗杆中心的轴向滚珠通道、弧面调向滑柱、调节螺丝、固定挡环、分隔轮、支轴及镶嵌块；滚珠的循环途径是：斜穿蜗杆中心的轴向滚珠通道内的滚珠经弧面调向滑柱的引导，由径向孔中出来，经导向板进入蜗杆螺旋槽的过渡段，再经分隔轮将滚珠之间隔开，以免在后续的移动中由于速度差造成滚珠之间产生挤压，并由此产生蜗杆-滚珠-蜗轮之间的滑动摩擦，降低传动效率；滚珠在蜗杆螺旋槽内完成驱动蜗轮后，在蜗杆另一端进入蜗杆螺旋槽的过渡段，在导向块的引导下经径向孔内移进入斜穿蜗杆中心的轴向滚珠通道，完成循环回流；该循环途径也适用于圆柱滚珠蜗杆,蜗杆螺旋槽的截面形状为单圆弧、双圆弧或直廓槽形。

所述之分隔轮，外形是簿形多齿轮,装设在蜗杆内循环滚道出口的螺旋槽之过渡段到工作段之间，用来将滚珠从密集连续一个挨一个的状态分隔成滚珠之间隔开，两相邻滚珠之间分隔开的距离大小由蜗杆螺旋升角、滚珠直径、大端到中点的行程等参数计算得出，并据此设计分隔轮的结构尺寸，分隔轮的旋转由移动的滚珠推动，分隔轮的适用范围是：a.滚珠在蜗杆内循环之环面滚珠蜗杆；b.一端装设分隔轮适用于蜗杆的单向负载传动，若需要双向负载传动，则应在蜗杆两侧装设分隔轮。

一种滚珠蜗杆蜗轮副，滚珠在蜗杆内循环的多头环面滚珠蜗杆蜗轮副；每头蜗杆螺线设立独立的滚珠循环通道，每条螺旋槽两端的循环通道口设在同一侧同一条母线下、同一轴向剖面上，径向循环通道是两个同方向的通孔，轴向循环通道孔由两个斜孔组成，在中点交汇，孔的倾斜度大致与环面倾斜度相同，只需要保证在交汇处不与其他孔穿通即可；此种滚珠循环方法适用于二头以上多头环面和柱面蜗杆、锥蜗杆；螺旋槽截面形状为单圆弧、双圆弧或者直廓槽型。

本发的技术方案产生的积极效果如下：两种滚珠循环方案，涵盖了各种类型滚珠蜗杆蜗轮副的需求，能满足生产使用的需要；避免了现行滑动摩擦的缺陷，实现完整的高质量的滚动传动，为大幅提高滚珠蜗杆蜗轮的传动效率、节约能耗寻找了一条可行的途径；两种循环回流方案，具有结构简单、生产加工方便、不需研制增添任何新型设备，制造成本低廉；完全省去大量有色金属铜锌镍的使用，蜗轮完全采用价格比铜合金便宜数倍的钢材制造，不仅可以降低生产成本，还可提高承载能力、延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明单头环面滚珠蜗杆的滚珠循环回流方式图。组成零件有：1-蜗杆，2-滚珠，3-蜗轮，15-外防护罩，16-固定挡环，17-导向板，18-分隔轮，19-调向滑柱，20-固定螺钉，21-调节螺丝，22-紧定螺钉，23-防旋钉，24-导向板固定螺钉，25-支轴，26-镶嵌块。

图2为图1中A-A剖视图。

图3为图1中B-B剖视图。

图4为图1的俯视结构示意图。

图5为图4中的C-C剖视图。

图6为图5中D-D剖视图。

循环回流孔道的设置（图1）：过轴心中点做一斜孔直到蜗杆体两端与过渡轴段的交接点，再在蜗杆外表面螺旋槽两端的高点做径向孔与斜孔相通，这两孔应分布在轴线两侧，互为180°，与蜗杆轴向中点等距。为便于滚珠拐弯换向及方便加工，在径向孔及斜孔交汇处加一调向滑柱。图2显示的是滚珠在离心力作用下从斜轴向孔流出径导向板，分隔轮隔开珠距后进入工作段。图3是滚珠在蜗杆驱动力作用下经过渡段及导向板的作用进入内循环滚道；图4是图1的俯视图。

分隔轮装在螺旋槽滚珠出口后的过渡段与工作段之衔接处，在安装分隔轮时，会损坏螺旋槽的一小块，因此必须镶嵌一小块（图6），并随螺线槽一同加工。

图7为本发明单头环面蜗杆滚珠循环回流通道及分隔轮安装位置图之一。

图8为本发明单头环面蜗杆滚珠循环回流通道及分隔轮安装位置图之二。

图9为图7中A-A剖视图。

图10为图7中B-B剖视图。

图11为图8中C-C剖视图。

蜗杆上的螺旋槽在滚齿机或这类蜗杆的专用机床上即可完成车削和磨削加工，循环滚道孔和分隔轮安装孔只需配一分度头即可在镗、铣床上完成加工。

图12为本发明固定环的结构示意图，用来装设调向滑柱及调节螺丝，还是镶嵌块的轴向压板。

图13本发明导向板的结构示意图，用来引导滚珠进出循环滚道的90°拐弯处。

图14本发明调向滑柱的结构示意图，除引导滚珠拐弯前行处，还可微调滚珠间距的疏密。

图15为本发明分隔轮的结构示意图。

图16为本发明镶嵌块的结构示意图，一方面用来限制分隔轮的轴向位置，同时又是螺旋槽的一部份，用来保证滚珠的正常滚动行进。

图17为本发明三头环面蜗杆上的滚珠循环回流方式图。适用两头以上多头蜗杆的滚珠循环回流，所用零件有：1-蜗杆，2-滚珠，3-蜗轮，15-外防护罩，16-固定挡环，17-导向板，18-分隔轮，20-固定螺钉，19-调向滑柱，21-调节螺丝，23-防旋钉，22-紧定螺钉，24-导向板固定螺钉，25-支轴，26-镶嵌块。

图18为图17中A向视图。

图19为图17中B向视图。

图20为图17中D-D剖视图。

图21为图19中E-E剖视图。

图22为图19中K-K剖视图。

图23为本发明三头环面蜗杆上的滚珠循环回流通道图。多头蜗杆上的轴向回流滚道不穿过蜗杆轴心，仅仅是从两头斜穿在中间交汇（K - K剖视图），以保证各头（线）蜗杆循环回流滚道的唯一性。三头蜗杆有三条独立的循环回流通道。本图上只在蜗杆的一端每条螺线槽的端部装设分隔轮。三线蜗杆的分隔轮安装位置互隔120°（B向视图）同样三个轴向滚道循环孔也互成120°夹角（D - D视图）

图24为图23中A向视图。

图25为图23中B向视图。

图26为图23中D-D剖视图。

图27为图25中E-E剖视图。

图28为图25中K-K剖视图。

图29为本发明的固定挡环结构示意图。是三个调向滑柱及调节螺钉的载体环，也是三个分隔轮镶嵌块的轴向挡环。

图30为图29中A-A剖视图。

图31为本发明滚珠在蜗杆内循环的单头滚珠圆柱蜗杆蜗轮减速箱结构示意图之一。图中：1-蜗杆，3-蜗轮，2-滚珠（经精密加工和筛选的钢球），15-蜗杆滚珠外防护罩，33-法兰盘（外防护罩装于此件上，以便保证外防护罩与蜗杆同心），27-箱体底座，28-箱盖，与箱体底座的接合面在蜗轮轴线所在的水平面，以便于减速箱的装配和维修，29-蜗轮轴，32、34-蜗杆轴承的端盖，承载蜗杆的轴向负荷，28、29-蜗轮轴承的端盖，承载蜗轮的轴向负荷，B7-蜗轮轴承，承载径向和轴向负荷，17-导向块，引导滚珠进出循环通道，B6-蜗杆轴承，承载蜗杆的径向和轴向负荷。此蜗杆蜗轮副的类型属单包络圆柱滚珠蜗杆传动，螺线槽法向截面形状为单圆弧形。

图32为本发明滚珠在蜗杆内循环的单头滚珠圆柱蜗杆蜗轮减速箱结构示意图之二。

图33为图31中B-B剖视图。

具体实施方式

实施例一

一种滚珠在蜗杆内循环的单头环面滚珠蜗杆蜗轮副，如图1、2、3、4、5、6所示，由蜗杆螺旋槽、导向板、斜穿蜗杆中心的滚珠通道、弧面调向滑柱、固定挡环、分隔轮及其支轴和镶嵌块等零件和要素组成。滚珠的循环途径是：在离心力的作用下，滚珠从斜穿中心的通道内甩出，经导向板进入蜗杆螺旋槽的过渡段，再经过分隔轮，滚珠之间被隔开一定的距离才进入蜗杆大端螺旋槽，以免在后续移动中由于速度差滚珠之间产生挤压，并由此伴生蜗杆-滚珠-蜗轮间的滑动摩擦。滚珠在蜗杆螺旋槽内完成驱动蜗轮运动后，在蜗杆的另一端进入螺旋槽的过渡段，然后在导向块的引导下经过径向孔内移，再在调向柱圆弧面的引导下进入斜穿蜗杆中心的滚珠通道，完成循环回流。

蜗杆外面有一防护罩，用以防止滚珠掉出，防护罩从轴线中心分成两件，用螺栓连接，中间有一缺口，以便蜗轮进入与蜗杆啮合，两端可通过法兰盘与蜗杆轴承孔同轴安装连接，使防护罩与蜗杆同心。

上面所述滚珠被分隔轮隔开一定距离，距离的大小由螺旋升角、滚珠直径、大端到中心的行程等参数计算出，并据此设计分隔轮的结构尺寸。滚珠蜗杆的一端装有分隔轮，仅用于蜗杆单向负载传动，如果需要双向负载传动则应在两端装设分隔轮。

如图7、8、9、10、11所示，显示了蜗杆上蜗杆螺旋槽与滚珠循环滚道的连接关系，分隔轮安装孔及渐缩过渡段的位置。

如图12～16所示，展示了固定挡环、导向板、调向滑柱、分隔轮及其支轴、镶嵌块的结构型式。

这种单头环面滚珠蜗杆蜗轮副，优点是滚珠通道流畅无阻，运行安全可靠，蜗杆螺旋槽全程连续使用，传动平稳，蜗杆直径无需增大，循环滚道孔对蜗杆强度与刚度的影响甚微，斜穿蜗杆中心的滚道孔的加工很简单，只需一通用分度头便可在钻床或者镗床上做出。

这种滚珠在蜗杆的循环方式也完全适用于单头圆柱滚珠蜗杆，只是不需要设置分隔轮。

如图29、30所示，为固定档环的结构示意图。

实施例二

一种多头环面滚珠蜗杆蜗轮副，其滚珠在蜗杆内循环，如图17~22所示，所用之导向、调向、分隔用零件及外防护罩均与前述单头环面滚珠蜗杆相同，不同之处只是轴向循环回流通道。为了保证每条滚道的单一性，将每条螺旋线两端的径向循环通道口设在蜗杆的同一侧同一条母线下、同一轴向剖分面上，轴向循环通道孔由两个斜孔组成，在中点交汇。孔的倾斜度大致与环面倾斜度相同（图22）。这样设置能最大限度避免增大蜗杆直径，也比平行于轴线的孔容易加工。加工方法与单头滚珠蜗杆之斜穿轴心的滚道通孔相同。

图23-28所示，为三头滚珠蜗杆的循环通道及分隔轮的位置设置，这种方法可推广至二头以上任意头数的环面或圆柱滚珠蜗杆，只是圆柱滚珠蜗杆不需要设置分隔轮。

如图31～33所示，展示了滚珠在蜗杆内循环的单头滚珠圆柱蜗杆蜗轮减速箱实例。图中：1-蜗杆，3-蜗轮，2-滚珠（经精密加工和筛选的钢球），15-蜗杆滚珠外防护罩，33-法兰盘（外防护罩装于此件上，以便保证外防护罩与蜗杆同心），27-箱体底座，28-箱盖，与箱体底座的接合面在蜗轮轴线所在的水平面，以便于减速箱的装配和维修，29-蜗轮轴，32、34-蜗杆轴承的端盖，承载蜗杆的轴向负荷，28、29-蜗轮轴承的端盖，承载蜗轮的轴向负荷，B7-蜗轮轴承，承载径向和轴向负荷，17-导向块，引导滚珠进出循环通道，B6-蜗杆轴承，承载蜗杆的径向和轴向负荷。此蜗杆蜗轮副的类型属单包络圆柱滚珠蜗杆传动，螺线槽法向截面形状为单圆弧形。