CN102011845A - 一种大载荷高速滚珠丝杠副 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大载荷高速滚珠丝杠副，包括丝杠、套在丝杠上的螺母、滚珠和位于螺母两端的防尘挡珠圈，所说的滚珠为陶瓷滚珠，所说的丝杠的外园上有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母的内孔有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母内还有4个轴向返向孔，丝杠的凹滚珠螺纹分别与螺母的凹滚珠螺纹组成4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠装在其中，所说的防尘挡珠圈内端面上有4条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹，凸螺纹处于丝杠的凹滚珠螺纹内，所说的螺母两端是曲面，曲面与防尘挡珠圈内端面上的4条返向槽组成陶瓷滚珠的返向通道。本发明采用4条大导程滚珠螺纹的结构，与现有的高速滚珠丝杠副用的结构比较，承载滚珠数增加4倍，有效的提高了承载能力，再考虑到采用陶瓷球作滚珠，有密度小，硬度高、弹性模量大的特点，与一般高速滚珠丝杠副比较，本发明提供的这种大载荷高速滚珠丝杠副，其承载能力大大增加。

Description

一种大载荷高速滚珠丝杠副

技术领域

 本发明涉及一种滚珠丝杠副，具体地说，涉及一种大载荷高速滚珠丝杠副，属于机械制造技术领域。

背景技术

滚珠丝杠副是一种螺旋传动部件，由滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠及回珠器等部分组成。当滚珠丝杠与滚珠螺母相对转动时，回珠器挡住滚珠，避免滚珠滚到滚珠螺母体外，使滚珠在滚珠丝杠、滚珠螺母及返向器构成的闭合通道形成滚珠链并作循环滚动，完成旋转运动与直线运动的互相转换。滚珠丝杠副是滚动摩擦副，具有精密定位、传动灵敏、传动效率高（η=90%—95%）、节能的特点，广泛应用机械行业。随着电子技术、控制技术的发展，机械产品正在向高速、重载荷、高精度、高效、节能环保方向发展，对滚珠丝杠副也提出了相应的要求。

滚珠丝杠副的驱动速度V＝Ph×n(Ph为导程，n为丝杠转速)，因此提高驱动速度的办法一是：采用大导程Ph，办法二是提高丝杠的转速n。一般的滚珠丝杠副，导程Ph与滚珠丝杠副节园直径的比为1/5—1/3。高速滚珠丝杠副采用大导程,导程Ph与节园直径的比为1/2—1。由于滚珠链的圈数约小于L/Ph，L是滚珠螺母的长度，受制造工艺的限制，L是有限的，因此增大Ph就减少了滚珠链的圈数，即减少了有效承载滚珠的个数，从而降低了滚珠丝杠副的承载能力。滚珠丝杠副的转速增加时，受到离心力的作用，滚珠对螺纹滚道的压力也增大，磨损也增加；在返向接口处，由于滚珠运动方向的突然改变，在惯性力的作用下，滚珠对返向器产生强烈的冲击，这些都会降低滚珠丝杠副的承载能力。为了在高速运转时减小滚珠的离心力和返向时的惯性力，现有的大导程高速滚珠丝杠副就采用小直径的滚珠，以减小滚珠的质量来减小离心力和惯性力，由滚珠丝杠副的国家标准“GB/T17857.5—2008 轴向额定静载荷和动载荷及使用寿命”的规定可知：，滚珠直径越小，滚珠丝杠副的承载能力就越小。所以现有的大导程高速滚珠丝杠副，仅用大导程和提高丝杠的转速的办法，不采用其他技术措施来提高驱动速度，就会付出承载能力减小的代价。

滚珠丝杠副常用的滚珠循环形式有内循环返向器式、外循环插管式。在导程大的情况下，内循环返向器较大，高速滚珠丝杠副较少采用内循环返向器。外循环插管式不受导程限制，但由图4、图5可见，滚珠螺纹与插管之间有交角β及交角α，α是螺旋升角。导程越大，α越大，滚珠对插管产生冲击越强，严重时会撞坏插管的舌部，所以外循环插管式也不太适合高速大导程滚珠丝杠副。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种大载荷高速滚珠丝杠副。

本发明的大载荷高速滚珠丝杠副，包括丝杠、套在丝杠上的螺母、滚珠、位于螺母两端的防尘挡珠圈，所说的滚珠为陶瓷滚珠，所说的丝杠的外园上有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母的内孔有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母内还有4个轴向返向孔，丝杠的凹滚珠螺纹分别与螺母的凹滚珠螺纹组成4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠装在其中，所说的防尘挡珠圈内端面上有4条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹，凸螺纹处于丝杠的凹滚珠螺纹内，所说的螺母两端是曲面，曲面与防尘挡珠圈内端面上的4条返向槽组成了陶瓷滚珠的返向通道。

优选地，所说的滚珠丝杠上的螺母为双螺母，两个螺母之间设有垫片。

同样优选地，所说的滚珠丝杠上的螺母为单螺母。

本发明的技术原理如下：

1）滚珠丝杠副的滚珠采用陶瓷滚珠，是新材料在滚珠丝杠副领域内的运用，滚珠丝杠副的滚珠通常是用轴承钢制造，陶瓷与轴承钢比较，密度小，硬度高、弹性模量大（如陶瓷之一的氮化硅Si3N4，密度小60%，硬度高近一倍、弹性模量大50%）。由于相同直径的滚珠，陶瓷滚珠质量小，所以丝杠高速运转时，陶瓷球的离心力小，对螺纹滚道的压力也小，磨损也小；陶瓷滚珠的滚珠丝杠副承载能力得以提高；在返向接口处，由于滚珠运动方向的突变引起的惯性力也小，滚珠对返向器的冲击就小、噪音、振动和温升也相应减少，所以，用陶瓷滚珠的滚珠丝杠副的转速可以更高。另外，由于陶瓷有硬度高、弹性模量大的特点，由滚珠丝杠副的国家标准“GB/T17857.4—2008 轴向静刚度”及“GB/T17857.5—2008 轴向额定静载荷和动载荷及使用寿命”的规定可知：相同的直径、静载荷及动载荷条件下，由于陶瓷有硬度高、弹性模量大的特点，陶瓷滚珠与钢球比较，塑性变形要小得多，接触疲劳寿命长，弹性变形也小，因此，陶瓷滚珠丝杠副的轴向额定静载荷和动载荷大、使用寿命长，轴向静刚度大。此外，陶瓷球摩擦系数小，有自润滑作用，陶瓷滚珠丝杠副传动效率要高，温升低，可在不允许使用润滑油的情况下使用，也可以在小于400度的高温环境中使用（此时防尘挡珠圈要用金属材料制作）。

2）丝杠外园与螺母内孔的4条等分的大导程滚珠螺纹，这种结构大大的增加了承载滚珠数，如图6、图7和图8，在相同的导程及螺母长度的条件下，图6是目前常用的结构，它只有1条大导程滚珠螺纹，其承载滚珠数最少；图7、图8分别是有2、4条等分的大导程滚珠螺纹结构，其承载滚珠数是分别是图6的2、4倍。本发明提供的这种高速滚珠丝杠副采用图8的结构，具有最多的承载滚珠数。

3）本发明所述的防尘挡珠圈，如图9、图10，是用耐磨损高强度的工程塑料制成，寿命长，噪音小。防尘挡珠圈内端面上有两个定位圆柱，将其装入螺母两端面上的两个小孔定位后，再用4个螺钉（见图2）装上防尘挡珠圈，防尘挡珠圈的内端面上有4条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹，凸螺纹处于丝杠的凹滚珠螺纹内，不仅能防尘，还能在丝杠与螺母相对转动，推动陶瓷滚珠在螺旋通道内向前滚动时，挡住陶瓷滚珠，避免它滚到螺母外，迫使它进入螺母一端防尘挡珠圈的返向槽，再经过螺母内的轴向返向孔、螺母另一端的返向槽，回到螺旋通道循环连续滚动。

螺母的端面是曲面，见图1，曲面与防尘挡珠圈内端面上的4条返向槽组成了陶瓷球的返向通道，这通道经过三维曲线拟合的优化设计，以保证陶瓷滚珠沿螺纹切线方向柔顺返向，形成4条滚珠沿螺纹切线方向返向的循环链，使滚珠对返向器的冲击减到最小，有利于提高滚珠丝杠副的转速及驱动速度。图3表示出1条沿滚珠螺纹切线方向返向的滚珠循环链（图中虚线表示的是丝杠后面的滚珠），滚珠循环链贯穿了整个螺母的长度，所以这种螺母结构紧凑，轴向尺寸短。上述滚珠丝杠副可以像通常滚珠丝杠副一样，可以多种预紧方式，图1中，垫片用于调节预紧力，构成双螺母滚珠丝杠副。如图8只用一个螺母，不用垫片，构成单螺母。上述螺母端面上曲面的车削工序，端面上4个轴向孔的钻铰工序都可以在数控机床上很方便地完成，比其他滚珠丝杠副在螺母外园上加工返向器安装孔、返向槽工序或在螺母端面上铣椭圆形返向器安装孔的工序简单。上述防尘挡珠圈可以用数控机床加工，还可以在开发注塑模后，用注塑成形的方法大批量，低成本地生产。

本发明提供的大载荷高速滚珠丝杠副具有如下技术效果：

1、本发明采用新材料，用陶瓷做滚珠，由于陶瓷球有密度小，硬度高、弹性模量大的特点，这就减少了滚珠丝杠副高速运转时，滚珠的离心力及对其滚道的压力与磨损，减少了对返向器的冲击力、噪音、振动和温升，提高了滚珠丝杠副Dn值、驱动速度、轴向额定静载荷、动载荷、使用寿命、轴向静刚度；

2、由于陶瓷球有自润滑作用，氮化硅陶瓷球的滚珠丝杠副，可以在不允许使用润滑油的情况下使用，也可以在小于400度的高温环境中使用（此时防尘挡珠圈要用金属材料制作）。这是一般滚珠丝杠副办不到的；

3、本发明采用4条大导程滚珠螺纹的结构，与现有的高速滚珠丝杠副用的结构比较，承载滚珠数增加4倍，有效的提高了承载能力，再考虑到采用陶瓷球作滚珠，有密度小，硬度高、弹性模量大的特点，与一般高速滚珠丝杠副比较，本发明提供的这种大载荷高速滚珠丝杠副，其承载能力大大增加；

4、本发明所述的防尘挡珠圈，不仅能防尘，还起挡珠及作用返向，它是用耐磨损高强度的工程塑料制成，寿命长，噪音小。它的4条返向槽，经过三维曲线拟合的优化设计，保证了陶瓷滚珠沿螺纹切线方向柔顺返向，将滚珠对返向器的冲击减到最小，有利于提高滚珠丝杠副的转速及驱动速度；

5、本发明所述结构的滚珠丝杠副，螺母轴向尺寸短；

6、本发明所述结构的滚珠丝杠副，可以采用滚珠丝杠副的常用预紧方式，如：单螺母增大滚珠直径预紧、双螺母垫片预紧等；

7、本发明所述的螺母与防尘挡珠圈的制造工艺比较简单，适合批量生产，成本较低。

附图说明

图1是本发明的大载荷高速滚珠丝杠副的结构示意图；

图2是图1的结构示意图中的A向视图；

图3是1条沿滚珠螺纹切线方向返向的滚珠循环链示意图；

图4是大导程滚珠循环链与外循环插管之间的α交角关系图；

图5是大导程滚珠循环链与外循环插管之间的β交角关系图；

图6是现有的采用1条滚珠螺纹的高速滚珠丝杠副的结构示意图；

图7是现有的采用2条滚珠螺纹的高速滚珠丝杠副的结构示意图；

图8是本发明中采用4条滚珠螺纹的单螺母高速滚珠丝杠副的结构示意图；

图9是本发明防尘挡珠圈的结构示意图；

图10是图9的K-K向剖视图。

其中，1为丝杠，2、5为螺母，3为滚珠，4为防尘挡珠圈，6为垫片，7为螺钉，11为丝杠上的凹滚珠螺纹，21为螺母上的的凹滚珠螺纹，22为螺母内的轴向返向孔，23为螺母曲面，31为滚珠循环链，41为防尘挡珠圈的返向槽，42为防尘挡珠圈内的凸螺纹。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的大载荷高速滚珠丝杠副包括：丝杠1、法兰螺母2、直筒螺母5、陶瓷滚珠3和防尘挡珠圈4，丝杠1的外园上有4条等分的大导程凹滚珠螺纹11，法兰螺母2、直筒螺母5的内孔均有4条等分的大导程凹滚珠螺纹21，上述两种螺母内还有4个轴向返向孔22，上述两种螺母两端面是曲面23。上述两种螺母套在丝杠上后，丝杠1与上述两种螺母的滚珠螺纹11和21组成了4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠3装在螺旋通道中。

如图2所示，防尘挡珠圈4的安装是通过将防尘挡珠圈4内端面上两个定位圆柱43装入上述两种螺母的端面上的两个定位孔内，再用4个螺钉7将防尘挡珠圈4安装在螺母的两端，图9、图10中表示出定位圆柱43及防尘挡珠圈4内端面上的4条返向槽41。防尘挡珠圈4的内孔有4条等分的大导程凸螺纹42，防尘挡珠圈4安装在螺母上后，凸螺纹42就处于丝杠1的凹滚珠螺纹内11，这样凸螺纹42不仅能防尘，还能在运转时挡住陶瓷滚珠3，避免它滚到螺母体外，并迫使陶瓷滚珠3进入返向槽41内。返向槽41与上述两种螺母两端的曲面23组成螺母两端的返向通道，返向通道经过曲线拟合的优化设计，以保证陶瓷滚珠3沿螺纹切线方向柔顺返向。返向通道、螺母体内的返向孔22及丝杠1与上述两种螺母之间螺旋通道一起，形成4条封闭通道，当丝杠1相对螺母转动时，推动陶瓷滚珠3在封闭通道中连续循环滚动并形成4条滚珠链31，图3表示出其中的1条（图中虚线表示的是丝杠后面的滚珠），滚珠3进入螺旋通道连续循环滚动的同时，将旋转运动转换为直线运动，实现了螺旋传动。上述两种螺母之间用垫片6调节好预紧力后，装上连接键（连接键未表示出），形成双螺母垫片预紧，可以消除传动间隙，提高轴向刚度。

如图8所示，本发明的滚珠丝杠副也可以不用螺母5及垫片6，构成单螺母的滚珠丝杠副。

Claims (3)

1.一种大载荷高速滚珠丝杠副，其特征在于，包括丝杠、套在丝杠上的螺母、滚珠和位于螺母两端的防尘挡珠圈，所说的滚珠为陶瓷滚珠，所说的丝杠的外园上有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母的内孔有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母内还有4个轴向返向孔，丝杠的凹滚珠螺纹分别与螺母的凹滚珠螺纹组成4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠装在其中，所说的防尘挡珠圈内端面上有4条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹，凸螺纹处于丝杠的凹滚珠螺纹内，所说的螺母两端是曲面，曲面与防尘挡珠圈内端面上的4条返向槽组成陶瓷滚珠的返向通道。

2.根据权利要求1所述的大载荷高速滚珠丝杠副，其特征在于，所说的滚珠丝杠上的螺母为双螺母。

3.根据权利要求1所述的大载荷高速滚珠丝杠副，其特征在于，所说的滚珠丝杠上的螺母为单螺母。

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