一种三级环形牙滚柱丝杠传动机构

本发明属于机械传动，具体涉及一种多级滚柱丝杠传动机构及其安装方法，该机构特别适应于有限安装空间下的大行程、大推力、高动态精密机电伺服驱动需求。

背景技术：

1、随着机械传动、电机和控制等技术的发展，重型装备的多电化已成为未来技术发展的趋势。多电化的目的就是尽可能的采用电能来替代液压能源，从根本上解决液压系统的“跑、冒、滴、漏”问题，进而降低系统的维护费用和时间，提升系统的运行可靠性。目前，受制于现有大吨位多级机械传动机构伸缩比偏小和体积过大的问题，在车载大型导弹垂直起竖发射装置中依然采用多级液压驱动。但是，多级液压缸还存在换级过程冲击大、换级时需进行减速控制和起竖时间较长等弊端。因此，亟待发明一种新型的多级机械传动机构，以满足大型导弹发射车等重型装备在多电化过程中，对有限安装空间下的大行程、大推力、高动态精密机电伺服驱动需求。

2、专利“多电机同步驱动大功率四节伸缩式电动缸cn202010484336.5”提出了一种基于滚珠丝杠和功率汇流的四级机械传动机构构型；专利“一种4级滚珠丝杠电动缸cn201910353705.4”给出了一种四级滚珠丝杠传动构型图；专利“一种多级并行式重载电动缸cn202111093339.7”基于行星滚柱丝杠提出了一种三级并行式机械传动机构，由于各级丝杠不是采用同轴布局方式，所以该发明提出的传动机构具有很大的外径尺寸；专利“一种双向重载二级行星滚柱丝杠副202010977637.1”采用串联布局方式提出了一种二级行星滚柱丝杠传动装置，该发明虽然相对于专利“一种多级并行式重载电动缸cn202111093339.7”具有较小的外径尺寸，但是各级行星滚柱丝杠串行布局的方式使得该发明的伸缩比偏小。

3、上述基于滚柱丝杠发明的多级传动机构，并不具有滚柱丝杠接触点多、螺距小、承载大的优点。于此同时，专利“多电机同步驱动大功率四节伸缩式电动缸cn202010484336.5”和“一种4级滚珠丝杠电动缸cn201910353705.4”并未详细给出装配体的具体安装结构，并忽略了滚珠丝杠的“回珠器”这一重要组件。由于滚珠丝杠“回珠器”的存在，使得基于滚珠丝杠发明的多级传动机构存在结构装配复杂、径向尺寸过大和“回珠器”发生卡滞的弊端。上述基于行星滚柱丝杠发明的多级传动机构存在径向尺寸过大和伸缩比偏小的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种三级环形牙滚柱丝杠传动机构，能够实现有限安装空间下的小外径、大伸缩比及高承载的多级滚柱丝杠传动。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三级环形牙滚柱丝杠传动机构，包括一级驱动丝杠、固定基座、定外壳、动外壳、示位螺钉、三级螺母、二级螺母、一级螺母、二级螺母驱动轴、输出法兰、二级螺母辅助支撑、一级螺母轴承固定环、一级保持架、二级保持架、三级保持架、环形牙滚柱、动外壳驱动环、动外壳驱动固定环、一级螺母止转盘。

3、所述一级驱动丝杠同时具有多头外螺纹结构和中空内花键结构，螺纹的头数为ns1，螺距为p，中径为ds1；所述定外壳内部具有沿轴向的内导向结构，并开有示位槽；所述动外壳外部/内部均具有沿轴向的外/内导向结构；所述三级螺母的外部具有沿轴向的外导向结构，三级螺母一端的内部具有内环形牙结构和保持架安装槽结构，内环形牙的牙距为p，中径为dn3，三级螺母的另一端具有输出法兰安装结构；所述二级螺母的外部具有多头外螺纹结构，螺纹的头数为ns3，螺距为p，中径为ds3，二级螺母一端的内部具有内环形牙结构和保持架安装槽结构，内环形牙的牙距为p，中径为dn2，二级螺母的另一端具有滚动轴承安装结构，二级螺母的内部同时具有沿轴向的内导向结构；所述一级螺母的外部具有多头外螺纹结构，螺纹的头数为ns2，螺距为p，中径为ds2，一级螺母一端的内部具有内环形牙结构和保持架安装槽结构，内环形牙的牙距为p，中径为dn1，二级螺母一端的外部具有一级螺母止转盘安装结构，另一端具有双向角接触推力球轴承安装结构；所述二级螺母驱动轴的前段具有外花键结构，中段具有扭力杆结构，后段具有双向角接触推力球轴承安装结构和分布在最后端的外导向结构；所述二级螺母辅助支撑外部具有环形结构，内部具有滚动轴承安装结构；所述一级保持架、二级保持架和三级保持架均具有滚柱定位槽、工艺槽和截断开口结构；所述环形牙滚柱具有外环形牙结构，牙距为p，中径为dr；所述动外壳驱动环外部具有环形结构，内部具有二级螺母安装结构；所述一级螺母止转盘外部具有外导向结构，内部具有一级螺母安装结构。所述一级驱动丝杠和一级螺母之间布置有cr1个环形牙滚柱，其中滚柱外环形牙结构同时与一级驱动丝杠的多头外螺纹结构和一级螺母的内环形牙结构相啮合，环形牙滚柱个数cr1和一级驱动丝杠螺纹的头数ns1，存在cr1＝ns1的关系约束；当一级驱动丝杠以ωs1的速度旋转时，便能够驱动一级螺母沿着轴向移动，且移动速度为vn1＝ωs1·ns1·p/(2π)；一级驱动丝杠的中空内花键结构和二级螺母驱动轴的外花键结构相配合，使得二级螺母驱动轴的转速ωs2和一级驱动丝杠相同，即ωs1＝ωs2；一级螺母与一级螺母止转盘相固定，同时一级螺母止转盘的外导向结构和定外壳内部的内导向结构相配合，使得一级螺母仅能够沿轴向移动；二级螺母驱动轴和一级螺母利用双向角接触推力球轴承安装结构和一级螺母轴承固定环，通过双向角接触推力球轴承连接在一起，使得二级螺母驱动轴和一级螺母具有相同的轴向移动速度，同时二级螺母驱动轴能够相对于一级螺母旋转；所述一级螺母和二级螺母之间布置有cr2个环形牙滚柱，其中滚柱外环形牙结构同时与一级螺母的多头外螺纹结构和二级螺母的内环形牙结构相啮合，环形牙滚柱个数cr2和一级螺母的多头外螺纹结构的头数ns2，存在cr2＝ns2的关系约束；当二级螺母驱动轴驱动二级螺母以ωs1＝ωs2的速度旋转时，二级螺母会相对于一级螺母做轴向运动，且轴向移动速度为vn2＝vn1+ωs2·ns2·p/(2π)；为了保证二级螺母和一级螺母的运动方向相同，一级螺母的多头外螺纹结构的螺纹旋向和一级驱动丝杠的相反；所述二级螺母辅助支撑利用滚动轴承安装结构，通过滚动轴承和二级螺母的前端相连接；所述动外壳驱动环和二级螺母的后端相连接；所述动外壳外部的外导向结构和定外壳内部的内导向结构相配合；二级螺母通过动外壳驱动环和动外壳驱动固定环使得动外壳和二级螺母同步做轴向运动；所述二级螺母和三级螺母之间布置有cr3个环形牙滚柱，其中滚柱外环形牙结构同时与二级螺母的多头外螺纹结构和三级螺母的内环形牙结构相啮合，环形牙滚柱个数cr3和二级螺母的多头外螺纹结构的头数ns3，存在cr3＝ns3的关系约束；所述三级螺母的外导向结构和动外壳的内导向结构相配合，约束了三级螺母的转动，保证其只能够沿着轴向移动；所述二级螺母的多头外螺纹结构具有与一级驱动丝杠相同的旋向；当二级螺母以ωs1＝ωs2的速度旋转时，三级螺母相对于二级螺母轴向移动，且移动速度为vn3＝vn2+ωs2·ns3·p/(2π)；所述二级螺母辅助支撑的外环形结构和三级螺母内圆面相接触，并且与三级螺母存在相对滑动；所述输出法兰固定在三级螺母上，输出速度为vn3＝ωs1·(ns3+ns2+ns1)·p/(2π)。

4、进一步，各级螺母之间采用环形牙滚柱作为运动和受力传动元件，且安装在不同级螺母之间环形牙滚柱的直径可以全部相同、部分相同或者全部不同。

5、进一步，由于装配的需要，一级驱动丝杠和一级螺母的多头外螺纹结构应具有相同的导程。

6、进一步，一级驱动丝杠、一级螺母和二级螺母的多头外螺纹结构螺距可以全部相同、部分相同或者全部不同。

7、进一步，动外壳和二级螺母之间通过动外壳驱动环传递运动，解决了动外壳仅做轴向运动而二级螺母即做轴向运动又做旋转运动的匹配关系。

8、上述三级环形牙滚柱丝杠传动机构安装方法，步骤如下：

9、s1，将一级螺母轴承固定环12穿过二级螺母驱动轴9的扭力杆结构9-2并与驱动导向槽结构9-4相接触，再将双向角接触推力球轴承装在二级螺母驱动轴的轴承安装面结构9-3上，并使用弹簧卡圈以及弹簧卡圈槽结构9-6约束双向角接触推力球轴承的轴向位置；

10、s2，将二级螺母驱动轴9装入二级螺母7的内部，使得驱动导向槽结构9-4和内部导向槽结构7-6相配合，并推入二级螺母驱动轴9至最底部；

11、s3，将两个个二级保持架14通过弹性变形缩小外径，装入二级螺母7的保持架安装槽结构7-7中，然后释放弹性变形使其恢复原始尺寸；

12、s4,，将多个环形牙滚柱16均布的装入二级螺母7中，使得外环形牙16-1和内环形牙结构7-8相接触，滚柱销轴16-2和滚柱定位槽14-1相接触；

13、s5，将一级螺母8旋入二级螺母7的内部，使得多头外螺纹结构8-2和二级螺母7内部的环形牙滚柱16相接触，双向角接触推力球轴承的外圈装入一级螺母轴承安装面8-3的内部，利用一级螺母轴承固定环安装工艺孔结构7-5和螺钉安装工艺孔结构9-5，使用螺钉将一级螺母轴承固定环12固定在一级螺母8上；

14、s6，旋转一级螺母8使得一级螺母8伸出二级螺母7一段的距离；

15、s7，采用前述相同的方式，将两个个一级保持架13和多个个环形牙滚柱16装入一级螺母8的内部，使得外环形牙16-1和内环形牙结构8-5相接触；

16、s8，将一级驱动丝杠1旋转装入一级螺母8中，在安装过程使得多头外螺纹结构1-5与外环形牙16-1相接触，内花键结构1-6和丝杠配合外花键结构9-1相配合；此时，当一级驱动丝杠1旋转装入一级螺母8的过程中，会驱动二级螺母7绕相同的方向旋转，故一级螺母8也会同步的旋转装入二级螺母7的内部；

17、s9，用前述相同的方式，将两个个三级保持架15和多个环形牙滚柱16装入三级螺母6的内部，使得外环形牙16-1和内环形牙结构6-2相接触；

18、s10，将一级驱动丝杠1、一级螺母8、二级螺母驱动轴9和二级螺母7所构成的子装配体作为整体，同时旋转装入三级螺母6中，使得二级螺母的多头外螺纹结构7-2和三级螺母6中的环形牙滚柱16相接触；

19、s11，将动外壳4套到三级螺母6外部，使得内部导向槽结构4-3和外部导向槽结构6-3相配合；

20、s12，将定外壳3套到动外壳4外部，使得内部导向槽结构3-3和外部导向槽结构4-1相配合，并且通过示位开槽结构3-4可以看到示位螺纹孔结构4-2。

21、s13，将动外壳驱动环17的安装凸缘17-1与二级螺母7的动外壳驱动安装面结构7-1相配合，螺钉穿过螺栓孔17-3将动外壳驱动环17固定在二级螺母7上，并使得弧面结构17-2和动外壳驱动接头结构4-4相接触；

22、s14，将动外壳驱动固定环18装入动外壳4中，使得安装定位面18-1与动外壳驱动接头结构4-4的内圆相配合，采用螺钉通过螺栓孔18-3固定动外壳驱动固定环18，接触斜面18-2和动外壳驱动环17的弧面结构17-2相接触；

23、s15，将一级螺母止转盘19固定在一级螺母8上，使得安装凸缘19-2和一级螺母止转盘安装面8-1相配合，外导向槽19-1和定外壳3的内部导向槽结构3-3相配合。

24、s16，将一个圆锥滚子轴承装入一级驱动丝杠1的轴承安装结构1-3处，同时与定位轴肩结构1-4相接触；

25、s17，将固定基座2穿过一级驱动丝杠1，使得有定外壳装配面结构2-1和固定装配面结构3-1与定位轴肩结构3-2相接触，轴承安装结构2-2与定位轴肩结构2-3和圆锥滚子轴承相接触，并将固定基座2和定外壳3相固定；

26、s18，将另一个圆锥滚子轴承装入一级驱动丝杠1的轴承安装结构1-3处，并同时与固定基座2的轴承安装结构2-2与定位轴肩结构2-3相接触，并约束其轴向移动。

27、s19，将一个深沟球轴承装入二级螺母辅助支撑11的轴承安装面11-2内，并利用弹簧卡圈安装槽11-3约束深沟球轴承的轴向位置；

28、s20，将深沟球轴承和二级螺母辅助支撑11组成的子装配体装入二级螺母7的轴承安装面结构7-4处，并利用轴承定位轴肩结构7-3和弹簧卡圈约束该子装配体的轴向位置；

29、s21，将输出法兰10固定在三级螺母6上，使得安装凸缘10-1与输出法兰安装结构6-4相配合。

30、至此完成整个三级环形牙滚柱丝杠传动机构的安装。

31、本发明的有益效果是：

32、本发明提出了一种三级环形牙滚柱丝杠传动机构，所采用的环形牙滚柱取消了两端的直齿结构且装配体中取消了内齿圈零件。这种结构的有益效果是极大的降低了环形牙滚柱的加工难度且降低了三级环形牙滚柱丝杠传动机构的装配难度。由于一级螺母、二级螺母和三级螺母均使用内环形牙结构与环形牙滚柱相啮合，所以环形牙滚柱始终无法相对于螺母发生相对轴向移动。因此，在本发明中环形牙滚柱可以取消直齿结构。

33、当一级驱动丝杠旋转时，本发明提出的三级环形牙滚柱丝杠传动机构的各级螺母会同时做轴向运动。本发明具有输出速度高且无换级冲击的有益效果。

34、在完全缩回状态时，本发明中的各级环形牙滚柱可处于相同的轴向位置，各级螺母的轴线重合，本发明具有大伸缩比和小外径尺寸的有益效果。

35、本发明中的各级环形牙滚柱的直径能够做到完全相同，有利于实现等强度设计和小外径尺寸设计的有益效果。

36、相比于基于滚珠丝杠的多级传动机构，本发明无“回珠器”组件，在螺母制造以及装配过程中均无需考虑“回珠器”组件/零件的安装，因此结构更为简单可靠。

37、本发明采用环形牙滚柱作为各级螺母和丝杠之间传递运动和动力的零件，能够继承行星滚柱丝杠单位体积内接触点多的优点，且环形牙滚柱的牙距可加工的很小，因此本发明还具有大推力和高传动精度的有益效果。

38、本发明能够实现有限安装空间下的小外径、大伸缩比及高承载多级滚柱丝杠传动，能够为重型装备的多电化发展提供可靠机械执行机构。