专利名称：滚动环螺副装置与滚动环螺副水龙头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种滚动环螺副装置和应用这种装置的滚动环螺副长寿水龙头。
滚动螺旋副装置是现代电脑控制自动化机床的主要部件之一，也是航空、航海、交通、测试等高速、精密机械高效传力的重要机构。该副的基本原理是通过内、外螺形滚道及在其间循环滚动的滚珠，实现连续滚动螺旋运动，使螺旋的滑动摩擦变为滚动摩擦，传动效率达到90％以上。但是，滚珠的循环滚动，是滚动螺旋副设计上长期未能彻底解决的一个难题。多年来，人们虽然找到数种解决办法，但均存在明显弊端，限制了该副的加工制造、使用性能和大范围应用。
据《机械零件设计手册》(冶金工业出版社1994年第3版，东北大学编写组编写)提供的资料，现行滚动螺旋副解决滚珠循环运行几种方法的主要弊端是1、螺旋槽式外循环法，在螺母外柱面加工螺槽，并配设档球器，因螺槽与通孔联接处半径曲率小，滚珠流畅性差，挡球器端部易磨损。
2、插管式外循环法，以弯管作为滚珠通道，因弯管突出于螺母外部，使外形尺寸增大，弯管端部因挡球摩擦，耐磨性差。
3、镶块式内循环法，在螺母内壁加工滚槽，并配设反向器，使滚珠越过外螺纹顶部而返回原道，形成循环。由于循环构造位处内壁，加工制造复杂，反向器磨损亦大。
4、不论采取外循环或内循环方式，均使装置结构复杂，所需滚珠数目增多且滚珠在循环通道内推挤前行，形成滚珠与道壁、滚珠与滚珠之间的滑动摩擦和非作功运行，影响效率的提高。
本发明的目的，在于从根本上克服现有技术之弊端，而提供一种具有自循环多性能滚动螺旋运动功能的结构简化、高效省力、微耗耐用、应用广泛的新型高级运动副。
为了实现上述目的，本发明提供一种全滚式滚动环螺副装置，装置由螺杆穿入套筒并在其间加入滚珠组成，其特征在于套筒内壁有环道多条，其半径与套筒中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆柱面有螺道多条，其道面与环道相同；各螺道升角相同，间距均等，与环道形成多处锐夹角立交；各立交内置入直径相等的滚珠，其球面与环道、螺道弧面分别内切；各螺道端部与一珠槽相通，珠槽宽度、深度略大于滚珠直径，长度略大于滚珠直径与环道条数和单位立交置珠数相乘之积，底面与螺道弧面光滑连接。装置结构功能的特殊点在于各立交环螺杆均衡分布，其夹角与螺道升角相等；当螺杆或套筒连续旋转时，所有滚珠同时在环道和螺道内滚动，并在环道内循环；而循环滚动的滚珠，又通过螺道升角的斜面，推动套筒或螺杆中的一者作相对于位置固定的另一者的轴向运动，从而实现无循环附加构造、无滑动摩擦的自循环、全滚动螺旋运动。
上述全滚式滚动环螺副装置中，环道条数的取值范围≥2；螺道条数的取值范围≥1；滚珠横向等距分布间隔≤120°弧面；单位立交置珠数取值范围≤2。其具体参数视性能要求而定单向轻载条件下，单位立交可置珠1粒，环道或螺道条数可以减少，但环道最低不能少于2条；双向重载条件下，除适当增大套筒、螺杆尺寸，增加环道、螺道条数和滚珠个数外，单位立交可置珠2粒，使装置在不增大外形尺寸的条件下，许用滚珠数和滚珠分布密度增加一倍，承载能力大幅度提高，并具备双向对称载荷功能；追求高效省力，宜选择尽可能小的螺道升角即立交夹角，立交夹角α愈小，效率愈高，也愈省力。
上述全滚式滚动环螺副装置，其主要结构性能参数的相互变化呈三角函数关系当单位立交置珠1粒时，其旋动正行程效率η与螺道升角α和滚珠摩擦角φ的关系式即效率公式为η=sinαtg(α-φ)+tgφ]]>以此公式计算，当α分别为37°、18°和11°时，η分别为80.1％、95.3％和98.2％，α趋近0，则η趋近100％，所以，α的最佳选值范围在6＇-37°之间(6＇为四位三角函数表所列之最小角值)。当单位立交置珠2粒时，滚珠直径d相应缩小，其直径d与螺道升角α和切距h的关系式为d=hsin0.5α+1]]>在某种特定要求下，上述全滚式滚动环螺副装置可以采取相反的结构形式，即环道位于螺杆柱面，螺道位于套筒内壁。
为了使滚动环螺副获得更大的应用范围，本发明提供一种具有自锁功能的偏滚式滚动环螺副装置。装置由螺杆穿入套筒并在其间加入滚珠组成，其特征在于套筒内壁有环道，其半径与套筒中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆柱面有螺道，其道面与环道相同；各螺道升角相同，与环道形成一至多处锐夹角立交；各滚珠直径相等，位处螺杆柱面一侧的立交内，其珠面与环道、螺道弧面分别内切；螺杆柱面的另一侧与套筒内壁内切；各螺道端部与一珠槽相通，珠槽宽度、深度略大于滚珠直径，长度略大于滚珠直径与环道条数和单位立交置珠数相乘之积，底面与螺道弧面光滑连接。由于采用滚珠偏置和套筒、螺杆弧面内切结构，螺杆既能进行连续滚动螺旋运动，又能利用切向摩擦阻力而自锁，从而使装置具备了滚动螺旋副和全滚式滚动环螺副均不具奋的自锁功能。
根据特定性能要求，上述偏滚式滚动环螺副主要结构参数的取值范围为；环道、螺道条数分别≥1；单位立交置珠数≤2；滚珠横向分布＜180°弧面；螺道升角最佳选值范围为6＇-37°；当单位立交置珠2粒时，滚珠直径d和切距h的关系式为d=hsin0.5α+1]]>由于螺道最少只有1条，升角α可以尽可能小，装置在存在滑动摩擦的情况下，仍具备高效省力的特点。
在某种特定要求下，上述偏滚式滚动环螺副装置也可采取相反的结构形式，即环道位于螺杆柱面，螺道位于套筒内壁。
这了促进滚动环螺副的实际应用，本发明提供一种应用滚动环螺副装置的长寿水龙头，其特征在于阀门压紧装置为一偏滚式一环一螺一珠滚动环螺副；装置由螺杆2穿入上套1，并在其间加入滚珠3组成；上套1内壁有环道4一条，其半径与上套1中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆2柱面有右旋螺道5一条，其道面与环道4相同；环道4与螺道5形成锐夹角立交一处，滚珠3位处该立交内，其球面与环道4、螺道5弧面分别内切；与滚珠3相对的另一侧螺杆柱面与上套1内壁内切。该偏滚式滚动环螺副水龙头的特异结构性能是通过摩擦阻力很小的滚动螺旋运动和螺杆柱面的微小滑动摩擦阻力，同时实现截流和自锁，因而，其操作更为省力，机械磨损率仅相当于螺旋压紧装置水龙头的约1/60，使用寿命较其延长10倍以上，从根本上解决了因“滑丝”“脱扣”而漏水、废弃的问题。
与滚动螺旋副相比，滚动环螺副的优点是1、无内、外循环附加构造，结构大大简化，利于进行高精度、微小型制作；2、滚动螺旋副螺道升角α愈大，效率愈高，但也愈费力，高效与省力制约；滚动环螺副螺道升角α愈小，效率愈高，也愈省力，高效与省力兼奋。当α为18°时，滚动环螺副效率η为95.3％，而用力仅为同效率滚动螺旋副的不足1/3。
3、具有全滚与偏滚、单珠与双珠、一环一螺一珠与多环多螺多珠等多类型结构，能够通过多种类系列化设计，满足高速轻载、中速中载、低速重载、双向承载、兼具自锁等多种不同的使用要求，使其广泛应用于电子计算机数控自动化机床、精密机床、飞行器、船舶、汽车自控系统、测试设备传动与调整螺旋、阀门控制螺旋等精密机械、普通机械和微小机械领域。
4、最大限度地利用了滚动摩擦，装置磨损率低微，保养、维修简易，使用寿命长，回报率高。
附图的图面说明如下
图1是全滚式滚动环螺副主视和局部剖视图；图2是图1的A-A截面图；图3是图1中的环道、螺道及滚珠分布展开图；图4是偏滚式滚动环螺副环道、螺道与滚珠分布展开示意图；图5是滚动环螺副立交双置球结构示意图；图6是偏滚式滚动环螺副长寿水龙头主视-剖视图。
下面结合附图对滚动环螺副上述各实施例作详细叙述参见图1、图2、图3，所示全滚式滚动环螺副装置，由套筒1、螺杆2和滚球3组成；套筒1内壁有环道4多条，各条半径与上套1中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆2柱面有右旋螺道5多条，各条道面与环道4相同；各螺道5升角相同，间距均等，与环道4形成多处锐夹角立交；各立交内置入直径相等的滚球3一粒，其球面与环道4、螺道5弧面分别内切；螺道5端部与珠槽6相通，珠槽6宽度、深度略大于滚珠3直径，长度略大于滚珠3直径与环道4条数相乘之积，底面与螺道5弧面光滑连接；各珠槽6中段被护套7环裹，两端分别露出长度略大于滚珠3直径的槽口。从图面显示可以看出当螺杆2位置固定并顺时针旋转时，各立交内的滚珠3即在环道4和螺道5内滚动，并在环道4内循环；同时，套筒1沿方向B作轴向运动；螺杆2旋转方向相反，套筒1轴向运动方向亦相反。运行中，螺杆2与套筒1无任何滑动摩擦，并始终保持中心轴线重合。
参见图4，所示偏滚式滚动环螺副装置环道、螺道与滚珠分布展开示意图中，环道1与螺道2形成多处锐夹角立交，但滚珠3只分布于A侧＜180°的弧面内，B侧立交空置。
参见图5，所示滚动环螺副装置双置珠结构中，滚珠1与滚珠2直径相等，同置于环道3与螺道4形成的立交内，其球面于C点外切，并分别与环道3、螺道4弧面于a、b和a＇、b＇处内切；设切线a与a＇之间的宽度为切距h，则滚珠直径d与立交夹角α和切距h的关系式为d=hsin0.5α+1]]>参见图6，所示滚动环螺副水龙头，其阀门压紧装置由上套1、螺杆2和滚珠3组成。上套1内壁有环道4一条，其半径与上套1中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆2柱面有螺道5一条，其道面与环道4相同；环道4与螺道5形成锐夹角立交一处，滚珠3位处该立交内，其珠面与环道4、螺道5弧面分别内切；螺道5上端部与珠坑6相通，珠坑6直径稍大于滚珠3直径。从图面显示可以看出滚珠3由珠坑6进入上套1，并在螺杆2逆时针旋转下进入环、螺道立交。由于该立交和滚珠3的共同作用，螺杆2在顺时针旋转时，向下移位，产生轴向推力，压紧阀门7，实现截流；同时，其相对于滚珠3的另一侧柱面，在滚珠3径向分力作用下，施压于上套1内壁，产生切向摩擦阻力，实现自锁。
本发明提供的上述各类型滚动环螺副装置，均由珠槽(坑)施放滚珠。其操作程序如下(1)使螺杆垂直穿入套筒，珠槽上槽口露出套筒上端；(2)由上槽口向各珠槽放入滚珠，滚珠个数与环道条数相等；(3)向下拉动螺杆，使珠槽下口与最下一条螺道道面相对；(4)由螺杆下端顺时针或上端逆时针连续旋转螺杆，直至珠槽全部旋出套筒上端，各滚珠即依次分道进入各个立交，施放程序即告完成。如装置因特定需要采取左旋螺道结构，则上述程序(4)中螺杆的旋转方向相反。
本发明中的全滚式滚动环螺副装置应用于自动精密机械时，滚珠游隙的调整可选用现行滚动螺旋副采用的垫片法、螺纹法或齿差法解决。
权利要求
1.一种全滚式滚动环螺副装置，装置由螺杆穿入套筒并在其间加入滚珠组成，其特征在于套筒内壁有环道多条，其半径与套筒中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆柱面有螺道多条，其道面与环道相同；各螺道升角相同，间距均等，与环道形成多处锐夹角立交；各立交内置入直径相等的滚珠，其珠面与环道、螺道弧面分别内切；各螺道端部与一珠槽相通，珠槽宽度、深度略大于滚珠直径，长度略大于滚珠直径与环道条数和单位立交置珠数相乘之积，底面与环道、螺道弧面光滑连接。
2.根据权利要求1所述的全滚式滚动环螺副装置，其特征在于所述环道可以位于螺杆柱面，螺道可以位于套筒内壁。
3.根据权利要求1或2所述的全滚式滚动环螺副装置，其特征在于所述环道条数的取值范围≥2，螺道条数的取值范围≥1，滚珠横向等距分布间隔≤120°弧面；单位立交置珠数取值范围≤2；螺道升角α的最佳取值范围在6＇-37°之间。
4.根据权利要求3所述的全滚式滚动环螺副装置，其特征在于当单位立交置珠2粒时，所述滚珠直径d与螺道升角α和切距h的关系式为d=hsin0.5α+1]]>
5.一种偏滚式滚动环螺副装置，装置由螺杆穿入套筒并在其间加入滚珠组成，其特征在于套筒内壁有环道，其半径与套筒中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆柱面有螺道，其道面与环道相同；各螺道升角相同，与环道形成一至多处锐夹角立交；各滚珠直径相等，位于螺杆柱面一侧的立交内，其球面与环道、螺道弧面分别内切；螺杆柱面的另一侧与套筒内壁内切各螺道端部与一珠槽相通，珠槽宽度、深度略大于滚珠直径，长度略大于滚珠直径与环道条数和单位立交置珠数相乘之积，底面与螺道弧面光滑连接。
6.根据权利要求5所述的偏滚式滚动环螺副装置，其特征在于所述环道可以位于螺杆柱面，螺道可以位于套筒内壁。
7.根据权利要求5或6所述的偏滚式滚动环螺副装置，其特征在于所述结构参数的取值范围为环道、螺道条数分别＞1；单位立交置珠数＜1，滚珠横向分布＜180°弧面；螺道升角最佳取值在6＇-37°之间。
8.根据权利要求7所述的偏滚式滚动环螺副装置，其特征在于当单位立交置珠2粒时，所述滚珠直径d与螺道升角α和切距h的关系式为d=hsin0.5α+1]]>
9.一种滚动环螺副长寿水龙头，其特征在于阀门压紧装置为一偏滚式一环一螺一珠滚动环螺副，装置由螺杆2穿入上套1并在其间加入滚珠3组成；上套1内壁有环道4一条，其半径与上套1中心轴线垂直，道面为一凹月面滚槽；螺杆2柱面有右旋螺道5一条，其道面与环道4相同；环道4与螺道5形成锐夹角立交一处，滚珠3位处该立交内，其球面与环道4、螺道5弧面分别内切；与滚珠3相对的另一侧螺杆柱面与上套1内壁内切；螺道5上端部与一珠坑6相通，珠坑6直径略大于滚珠3直径，底面与螺道5弧面光滑连接。
全文摘要
本发明公开了一种滚动环螺副装置及应用这种装置的水龙头。装置由套筒、螺杆及滚珠组成,通过滚道的形态和分布,实现以滚珠自循环为特征的全滚式或自锁式滚动螺旋运动。装置以本体滚珠循环构造取代现行滚动螺旋副的附加滚珠循环构造,具有结构简化、高效省力、微耗耐用和适用面大的特点,可广泛应用于数控与精密机床、飞行器、船舶、汽车自控系统、测试设备传动与调整螺旋、阀门控制螺旋等精密机械、普通机械和微小机械领域。
文档编号F16K5/00GK1210950SQ9811293
公开日1999年3月17日 申请日期1998年8月6日 优先权日1998年8月6日
发明者石德武 申请人:石德武