具有微小导程的滚柱丝杠结构的制作方法

1.本发明涉及行星滚柱丝杠技术领域，具体涉及一种具有微小导程的滚柱丝杠结构。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.申请人在之前的实用新型专利(2020214943505)中公开了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。但是，在该专利中，如果丝杆的头数等于丝杆与滚柱的中径之比，将导致螺母和丝杆仅发生周向转动而不发生轴向移动，丧失滚柱丝杠的传动功能。此外，该专利的技术方案虽然与传统的滚柱丝杠相比，虽然实现了减速功能，但是减速比较小且不能自主设计，在一些需要很大减速比的应用场合仍需要增加减速器以获得更低的转速和大的扭矩与推力。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种具有微小导程的滚柱丝杠结构，其可以获得更大的减速比，使得螺母具有微小的输出导程。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有微小导程的滚柱丝杠结构，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多个滚柱，在所述丝杆外周还套设有
保持架，该保持架上设置有多个保持孔，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，所述螺母的两端内周均固定连接有内齿圈，所述滚柱的两端外周均固定设置有第一齿轮，且两个所述第一齿轮位于两个所述保持架之间，同一所述滚柱的两个所述第一齿轮分别与两个所述内齿圈啮合；所述丝杆的一端或两端外周固定连接有第二齿轮，该第二齿轮位于相应的所述保持架的内周，且所述第二齿轮与相应的所述第一齿轮啮合；所述内齿圈、第一齿轮和第二齿轮的分度圆直径分别为d1、d2和d3，且d1＝d3+2d2；所述丝杆的头数a＝nd3/d2，所述螺母的头数b＝a+2n，其中，n为所述滚柱的头数；所述内螺纹、第一外螺纹和第二外螺纹的螺纹中径分别为d1、d2和d3，且d1＝d
1-α，d2＝d
2-α，d3＝d3+α，其中，-0.05d2≤α≤0.05d2，且α≠0。
7.本发明中，内螺纹、第一外螺纹和第二外螺纹分别在内齿圈、第一齿轮和第二齿轮的分度圆直径的基础上增或减α。这使得滚柱、丝杆以及螺母三者的螺旋角相差较小，则在丝杆转过一圈后，滚柱和螺母的轴向位移大幅减小，进而可以减小整个系统的输出导程，扩大减速比，适用于需要较小的轴向位移和较大的力的使用场景，如制动、离合、夹紧等应用领域。
8.优选地，所述滚柱的数量x＝a+b。
9.优选地，多个所述滚柱周向均布在所述螺母和所述丝杆之间。
10.优选地，以与所述螺母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第一线条和第二线条，多个所述滚柱的轴线在该投影面上投影形成多个第三线条，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、螺母可以正常安装和啮合。
11.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30
°‑
80
°
。本发明将牙型角缩小，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。
12.优选地，所述第二外螺纹、所述第一外螺纹和所述内螺纹形成的螺旋副的当量螺纹升角小于所述第二外螺纹、所述第一外螺纹和所述内螺纹形成的螺旋副的当量摩擦角，以使本发明的具有微小导程的滚柱丝杠结构具有自锁功能。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明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。
14.图1为本发明实施例的具有微小导程的滚柱丝杠结构的剖视图；
15.图2为本发明实施例的具有微小导程的滚柱丝杠结构的侧视图；
16.图3为本发明实施例的滚柱轴线位置示意图；
17.图4为本发明实施例的滚柱位移的计算图解；
18.图5为本发明实施例的螺母位移的计算图解。
19.附图标记：
20.1-丝杆；101-第二齿轮；2-螺母；201-内齿圈；3-滚柱；301-第一齿轮；4-保持架；5-第一线条；6-第二线条；7-第四线条；8-第五线条；9-第六线条；10-第七线条；
具体实施方式
21.下面将结合附图对本发明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发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
22.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
23.如图1、图2和图3所示，本实施例公开了一种具有微小导程的滚柱丝杠结构，包括丝杆1、螺母2和周向均布在丝杆1外周和螺母2内周之间的六个滚柱3，在丝杆1外周还套设有两个保持架4，该保持架4上设置有六个保持孔，滚柱3的两端一一对应地穿设在相应的保持孔中。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啮合的第一齿轮301，且两个第一齿轮301位于两个保持架4之间，同一滚柱3的两个第一齿轮301分别与两个内齿圈201啮合；丝杆1的一端外周固定连接有第二齿轮101，该第二齿轮101位于相应的保持架4的内周，且第二齿轮101与相应的第一齿轮301啮合。内齿圈201、第一齿轮301和第二齿轮101的啮合，可以保证滚柱3、螺母2以及丝杆1的螺纹中径处在近似无滑动的纯滚动并同步旋转的状态。在实际中，还可以在丝杆1的两端均设置上述第二齿轮，此时，两个第二齿轮分别与滚柱两端的相应的第一齿轮啮合。
24.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，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为丝杆1的头数，b为螺母2的头数。
25.具体地，上述内齿圈201、第一齿轮301和第二齿轮101的分度圆直径分别为d1、d2和d3，且d1＝d3+2d2。上述丝杆1的头数a＝nd3/d2，螺母2的头数b＝a+2n，其中，n为滚柱3的头数，在实际中，滚柱3的头数一般设计为1头，特殊情况下，可设计为2头。内螺纹、第一外螺纹和第二外螺纹的螺纹中径分别为d1、d2和d3，且d1＝d
1-α，d2＝d
2-α，d3＝d3+α，其中，-0.05d2≤α≤0.05d2，且α≠0，以保证螺母2、滚柱3以及丝杆1三者能产生轴向相对位移。
26.需要说明的是，在实际运行过程中，上述螺母2和滚柱3之间以及滚柱3和丝杆1之间均会发生轴向的相对移动，为保证第一齿轮301、第二齿轮101和内齿圈201之间可以正常啮合，本实施例的第一齿轮301的宽度较小，而第二齿轮101和内齿圈201的宽度较大，则在螺母2、滚柱3和丝杆1三者发生轴向位移时，第二齿轮101、第一齿轮301和内齿圈201仍然可以正常接触啮合。当然，在实际中，也可以将第一齿轮301的宽度设计为大于内齿圈201和第二齿轮101的宽度，只要能保证第二齿轮101、第一齿轮301和内齿圈201始终正常啮合即可。
27.具体地，以与螺母1同轴的圆柱面为投影面，内螺纹和第二外螺纹在该投影面上分别投影形成多个第一线条5和多个第二线条6，多个滚柱3的轴线在该投影面上投影形成多个第三线条，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上。采用这种结构，可以确保滚柱3和丝杆1、螺母2可以正常啮合。
28.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30
°‑
80
°
，更优地，牙型角为60
°
。上述第二外螺纹、第一外螺纹和内螺纹形成的螺旋副的当量螺纹升角小于第二外螺纹、第一外螺纹和内螺纹形成的螺旋副的当量摩擦角，以使本实施例的滚柱丝杠具有自锁功能。
29.本实施例中，内螺纹、第一外螺纹和第二外螺纹分别在内齿圈201、第一齿轮301和第二齿轮101的分度圆直径的基础上增或减α，这使得滚柱3、丝杆1以及螺母2三者的螺旋角相差较小，则在丝杆1转过一圈后，滚柱3和螺母2的轴向位移大幅减小，进而可以减小整个系统的输出导程，扩大减速比，适用于需要较大的输出力和较小的轴向位移的使用场景，如制动、离合、夹紧等应用领域。
30.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。
31.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1的角速度为ωs，滚柱的角速度为ωr，丝杆1与滚柱3接触点的线速度为vs，滚柱3与螺母2的接触点的瞬时速度为0，滚柱3中心的线速度为vr，则vs＝2vr，用矢量法或行星机构减速比计算公式可以得到，ωs/ωr＝2(d2+d3)/d3，一般来说，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、4...等整数，当d3/d2＝1时，ωs/ωr＝4，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.25圈；当d3/d2＝2时，ωs/ωr＝3，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.3333圈；当d3/d2＝3时，ωs/ωr＝2.667，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.375圈；当d3/d2＝4时，ωs/ωr＝2.5，即丝杆1转动一圈，滚柱3转动0.4圈，以此类推。
32.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d3/d2＝2、α＝0.4mm、滚柱头数为1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2，第二齿轮101的分度圆直径为36mm，第二外螺纹的螺纹中径为36.4mm；滚柱3为右旋，其头数为1，第一齿轮301的分度圆直径为18mm，数量为6个，第一外螺纹的螺纹中径为17.6mm；螺母2为右旋，其头数为4，内齿圈201的分度圆直径为72mm，内螺纹的螺纹中径为71.6mm；三者的螺距均为2.5mm。经计算可知，上述丝杆1的螺旋角为θ1＝2.5036
°
，滚柱3的螺旋角为θ3＝2.5888
°
，螺母2的螺旋角为θ2＝2.5455
°
。
33.参考图4，按照滚柱3和丝杆1的螺旋角，将滚柱3和丝杆1的螺旋线投影在直径为36.4mm的圆柱面上分别形成第四线条7和第五线条8，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0.33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7和第五线条8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0.11mm。
34.参考图5，按照滚柱3和螺母2的螺旋角，将滚柱3和螺母2的螺旋线投影在直径为71.6mm的圆柱面上分别形成第六线条9和第七线条10，将该圆柱面展开，得到如图5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0.33圈的终止位置，当该滚柱3位于其终止位置时，其中心线与第四线条9和第五线条10分别形成一个交点，两个交点之间的距离即为在丝杆1转过一圈后螺母2相对于滚柱3的轴向位移，本实施例中，量得两个交点之间的距离为0.06mm。
35.根据图4和图5的图解计算结果可知，在丝杆1转过一圈后，螺母2的轴向位移为0.11+0.06＝0.17mm，而本实施例的丝杆1的导程为5mm，则减速比为5/0.17＝29.4，高达29
倍。本实施例中，在丝杆转向相同的情况下，α取值为正时的螺母轴向位移方向和α取值为负时的螺母轴向位移方向相反，在实际中，可以通过增加或减小|α|，来增加或减小减速比，以满足相应场景的减速需求。
36.以上是通过图解法对螺母2的轴向位移进行了计算，下面以理论公式对螺母2的轴向位移进行计算。
37.上述丝杆1的螺旋角为θ1＝2.5036
°
，滚柱3的螺旋角为θ3＝2.5888
°
，螺母2的螺旋角为θ2＝2.5455
°
，在丝杆1转动一圈后，滚柱3转动0.3333圈，螺母2与滚柱3的接触点在螺母2的螺旋线上的轴向升程a2、螺母2与滚柱3的接触点在滚柱3的螺旋线上的轴向升程a
31
、丝杆1与滚柱3的接触点在丝杆1的螺旋线上的轴向升程a1、丝杆1与滚柱3的接触点在滚柱3的螺旋线上的轴向升程a
32
分别为：
38.a2＝71.6π
×
0.3333
×
tanθ2＝71.6π
×
0.3333
×4×
2.5
÷
71.6π＝3.333mm
39.a
31
＝71.6π
×
0.3333
×
tanθ3＝71.6π
×
0.3333
×
2.5
÷
17.6π＝3.3898mm
40.a1＝36.4π
×
(1-0.3333)
×
tanθ1＝36.4π
×
0.6667
×
2.5
×2÷
36.4π＝3.335mm
41.a
32
＝36.4π
×
(1-0.3333)
×
tanθ3＝36.4π
×
0.6667
×
2.5
÷
17.6π＝3.4466mm
42.则，螺母2相对滚柱3的轴向位移为：
43.δ1＝a
31-a2＝0.0568mm
44.滚柱3相对丝杆1的轴向位移为：
45.δ2＝a
32-a1＝0.1116mm
46.最终，可得螺母2相对丝杆1的轴向位移为：
47.δ＝δ1+δ2＝0.17mm
48.在上述理论计算法和图解法过程中，需要说明的是，在丝杆1旋转一周时，滚柱3的中心相对滚柱3与丝杆1的初始接触点旋转了1-0.3333＝0.6667圈。
49.此外，还需要说明的是，在理论上本实施例的具有微小导程的滚柱丝杠结构的输出导程可以做到无穷小，但因为受到零件加工误差及装配、热膨胀、润滑等因素的影响，实际可能达到的最小导程约0.02mm。
50.本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
52.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明实施例技术方案的范
围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。