CN102338195B - 一种滚珠蜗轮蜗杆传动副 - Google Patents

Abstract

一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，蜗轮的传动啮合面上等距分布深沟滚珠轨道，深沟滚珠轨道连接滚珠循环通道，滚珠能够在深沟滚珠轨道和滚珠循环通道中循环滚动；蜗杆外圆啮合面上有螺旋滚珠轨道，蜗轮蜗杆通过滚珠啮合传动。本发明将传统蜗轮蜗杆之间的齿牙滑动摩擦变成滚珠的滚动摩擦，滚珠蜗杆转动时，滚珠蜗轮上只有啮合部分的滚珠及其所在循环通道中的滚珠参与循环，因此传动过程中磨损大大减小，传动效率得以很大提高。本发明除了具备传统蜗轮蜗杆优点之外，还具有磨损小、寿命长、效率高、能耗低的优势。采用弧面滚珠蜗杆时，有多行滚珠同时啮合，可用于承载力大的重型设备，且能够采用预压技术消除反向转动时的背隙，可用于精密自动化设备。

Description

一种滚珠蜗轮蜗杆传动副

技术领域

本发明涉及一种蜗轮蜗杆传动结构，蜗轮的传动啮合面上等距分布深沟滚珠轨道，深沟滚珠轨道连接滚珠循环通道，滚珠能够在深沟滚珠轨道和滚珠循环通道中循环滚动；蜗杆外圆啮合面上有螺旋滚珠轨道；蜗轮蜗杆通过滚珠啮合传动。

背景技术

蜗杆和蜗轮的传动称为蜗杆传动，蜗杆传动是一种基本的机械结构，用于传动两个空间交错轴的运动和动力，因其减速比大、结构紧凑、工作平稳、无噪声、能缓冲震动、可90度变向等优点，在各种各样的减速设备和机械传动中得到广泛的应用。蜗杆传动是靠蜗杆和蜗轮之间的齿牙面摩擦进行传动，因此其固有的缺点是磨损大、传动效率低、精密度差，使用寿命短、能耗高。普通的圆柱蜗杆传动过程中，只有1-2个齿承载传动力，因此其承载力较弱，不宜用于大型重型设备。为了克服这种不足，出现了环面包络蜗杆技术，在传动过程中蜗杆和蜗轮啮合的齿数增多，承载力变大，但蜗轮和环面蜗杆仍然是靠蜗轮蜗杆的齿面摩擦来传动，因而普通蜗杆传动的磨损大、传动效率低等问题依然存在。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的滚珠蜗轮蜗杆传动副，这种结构除具有传统蜗轮蜗杆的优点外，还具有磨损小，效率高，能耗低的优点，为了达到这种目标，本发明的技术方案是这样实现的：

一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，由滚珠蜗轮、滚珠和滚珠蜗杆组成，滚珠蜗轮包括滚珠载体轮和两侧端盖，滚珠蜗杆可采用弧面滚珠蜗杆或者圆柱滚珠蜗杆；在滚珠载体轮的传动啮合外圆周面上，有等距离分布的深沟滚珠轨道，深沟滚珠轨道为圆底敞口沟槽，其深度大于滚珠半径，开口小于滚珠直径，滚珠能够在深沟滚珠轨道内顺畅滚动，且不会从深沟滚珠轨道开口掉出，深沟滚珠轨道的间距等于滚珠蜗杆上螺旋滚珠轨道的螺距，深沟滚珠轨道的导程角根据采用的蜗杆类型来确定；滚珠蜗轮上有滚珠循环通道，每条滚珠循环通道对应一条深沟滚珠轨道，滚珠采用单循环方式，即每行滚珠在自己的滚珠循环通道中单独循环；每条滚珠循环通道由轴向循环通道和两侧的径向循环通道连接贯通而成，轴向循环通道与滚珠载体轮轴线平行，两端分别连接两侧的径向循环通道，两侧的径向循环通道连接到深沟滚珠轨道，拐角和连接处进行圆角处理，使滚珠滚动和循环转向顺畅；在滚珠蜗轮的每条滚珠循环通道和深沟滚珠轨道中装满滚珠，滚珠能够在深沟滚珠轨道和滚珠循环通道中循环滚动；在滚珠蜗杆的外圆周面上有螺旋滚珠轨道，螺旋滚珠轨道的螺距相等；螺旋滚珠轨道为圆底开口沟槽，滚珠能够与螺旋滚珠轨道吻合并在其中轻松顺畅滚动；合理设计滚珠蜗轮中心轴与滚珠蜗杆中心轴的距离，使滚珠蜗轮上的滚珠从深沟滚珠轨道里露出的部分能够与蜗杆的螺旋滚珠轨道正好啮合；滚珠蜗杆转动时，螺旋滚珠轨道推动啮合的滚珠滚动，滚珠自身滚动的同时推动滚珠蜗轮转动。

所述的一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，滚珠蜗轮的径向循环通道一半在滚珠载体轮的表面，一半在端盖的表面，端盖和滚珠载体轮位置对应结合在一起时，两部分径向循环通道正好合并形成一条完整的径向循环通道，滚珠能够在其中顺畅滚动。

所述的一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，当滚珠载体轮直径较大时，相邻轴向循环通道的横截面圆心能够在以载体轮轴线为圆心的同一个圆上，或者不同的圆上；当滚珠载体轮直径较小时，相邻滚珠轴向循环通道的横截面圆心不能在以载体轮轴线为圆心的同一个圆上，以避免相邻轴向循环通道距离太近，降低滚珠载体轮的强度。

所述的一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，滚珠蜗杆采用弧面蜗杆时，弧面滚珠蜗杆的外形为凹圆弧围绕蜗杆轴线回转形成的回转面，凹圆弧的直径等于滚珠载体轮直径；滚珠蜗轮的深沟滚珠轨道的导程角等于蜗杆以最细处计算得到的螺旋滚珠轨道导程角；弧面滚珠蜗杆上的螺旋滚珠轨道通过修形技术加工处理，能够同时啮合多行滚珠；弧面滚珠蜗杆对滚珠蜗轮形成包络。

所述的一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，滚珠蜗杆采用圆柱蜗杆时，滚珠蜗轮的深沟轨道的导程角等于圆柱滚珠蜗杆上的螺旋滚珠轨道的导程角。

所述的一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，滚珠蜗轮上的深沟滚珠轨道间距指两深沟滚珠轨道中心线之间滚珠蜗轮外圆周面上的弧长，圆柱滚珠蜗杆上的螺旋滚珠轨道螺距指相邻两周螺旋滚珠轨道中心线之间滚珠蜗杆轴线上的长度，弧面滚珠蜗杆上的螺旋滚珠轨道螺距指相邻两周螺旋滚珠轨道中心线之间滚珠蜗杆弧面上的弧长。

所述的一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，当滚珠蜗杆单丝道设计时，滚珠蜗杆上螺旋滚珠轨道的螺距与滚珠蜗轮上深沟滚珠轨道的间距相等；当滚珠蜗杆多丝道设计时，滚珠蜗杆上螺旋滚珠轨道的螺距是滚珠蜗轮上深沟滚珠轨道间距的整数倍。

本发明的有益效果是：滚珠蜗轮和滚珠蜗杆通过可滚动的滚珠啮合，和传统的蜗轮蜗杆传动相比较，蜗轮蜗杆之间的摩擦由齿牙滑动摩擦变成滚珠的滚动摩擦，而且滚珠蜗杆转动时，滚珠蜗轮上只有啮合部分的滚珠参与位置循环，因此传动过程中磨损大大减小，传动效率得以很大提高，因此相同负载时所需要的输入动力设备功率减小，设备工作过程中的能耗降低。滚珠蜗轮和弧面滚珠蜗杆之间啮合的滚珠数量多，承载力数倍的增强，可用于重型机械设备。由于滚珠蜗轮和弧面滚珠蜗杆同时有多行滚珠啮合，生产时采用预压技术，能够消除往复转动时的背隙，故本发明可用于精密传动的自动化设备。

附图说明

图1为本发明的总体原理结构图，也可作为摘要附图。

图2为本发明总体原理结构图的俯视图。

图3为本发明图2的左侧视图。

图4为本发明完整的滚珠蜗轮结构示意图。

图5为本发明去除端盖的滚珠蜗轮结构示意图。

图6为本发明不带滚珠的滚珠载体轮结构示意图。

图7为本发明图6俯视图。

图8为本发明图6的上视图。

图9为本发明上侧端盖的上视图。

图10为本发明下侧端盖的俯视图。

图11为本发明弧面滚珠蜗杆结构示意图。

图12为本发明圆柱滚珠蜗杆结构示意图。

图13为本发明采用圆柱滚珠蜗杆时的结构示意图。

图14为本发明采用圆柱滚珠蜗杆时的俯视图。

图15为本发明图14的左侧视图。

其中：

1、滚珠蜗轮

1-1、滚珠载体轮

1-2、上侧端盖

1-3、下侧端盖

1-4、深沟滚珠轨道

1-5、径向循环通道

1-6、轴向循环通道

2、弧面滚珠蜗杆

2-1、弧面蜗杆螺旋滚珠轨道

3、圆柱滚珠蜗杆

3-1、圆柱蜗杆螺旋滚珠轨道

4、滚珠

5、蜗轮轴

6、蜗杆轴

具体实施方式

实施例1

本实施例以滚珠蜗杆采用弧面滚珠蜗杆为例，结合附图来说明本发明的实现方法。

由图11可以看出弧面滚珠蜗杆2的结构，先用车床加工弧面滚珠蜗杆2的凹圆弧回转面，凹圆弧直径等于滚珠载体轮1-1的直径，然后用专用数控机床配置圆弧刀具加工圆底敞口的弧面蜗杆螺旋滚珠轨道2-1。因为弧面滚珠蜗杆2两端粗中间细，因此在螺距相等时，理论上螺旋轨道的导程角是不相等的，但通过数控机床的修形加工技术，将螺旋滚珠轨道在弧面上的位置按照可变参数移动，能够加工出导程角相等、螺距相等、法向截面为圆周一部分的弧面蜗杆螺旋滚珠轨道2-1。

图4显示了滚珠蜗轮的整体结构，滚珠蜗轮1由滚珠载体轮1-1、上侧端盖1-2、下侧端盖1-3组成，图5显示了滚珠蜗轮去除上侧端盖1-2和下侧端盖1-3后的结构组成，滚珠载体轮1-1的滚珠循环通道和深沟滚珠轨道中都装满了滚珠4。

图6、图7、图8、图9显示了单独的滚珠载体轮1-1的结构。滚珠载体轮1-1的深沟滚珠轨道1-4采用滚齿的方式进行加工，分为两道工序：第一步先加工深度略大于滚珠半径的滚珠轨道，此时滚齿刀具的刃截面为半圆弧，圆弧直径略大于滚珠直径，直径略大是为了让滚珠能在滚珠轨道中顺畅滚动；第二步加工深沟轨道，此时滚齿刀具的刃截面为稍大于半圆的弧，圆弧直径等于第一步工序的圆弧直径，在滚珠载体轮已经形成的半圆滚珠轨道上进行一次成形切削，形成深沟滚珠轨道1-4。深沟滚珠轨道1-4的深度大于滚珠半径，开口小于滚珠直径，因此滚珠装入其中时，不会直接从轨道面散落，且能在其中顺畅滚动。

用数控钻床钻取滚珠的轴向循环通道1-6，轴向循环通道1-6为平行于滚珠载体轮1-1轴线的透孔。为了不降低滚珠载体轮1-1的强度，相邻的轴向循环通道1-6最好分布在不同的圆上。

用数控铣床加工滚珠载体轮1-1表面的径向循环通道1-5，径向循环通道1-5一头连接轴向循环通道1-6，一头连接深沟滚珠轨道1-4；径向循环通道1-5为圆底敞口沟槽，深度比滚珠半径稍大，宽度比滚珠直径稍大，使滚珠能够轻松滚动通过；径向循环通道1-5与深沟滚珠轨道1-4、轴向循环通道1-6连接处处理成圆角，以使滚珠循环转向顺畅。从图7为滚珠载体轮的俯视图，从图中可以看出，上侧的径向循环通道1-5以滚珠载体轮1-1轴线为圆心成辐射状分布；图8为滚珠载体轮的上视图，因为深沟滚珠轨道1-4有一定的倾斜度，因此从图中可以看出，下侧的径向循环通道1-5的走向与半径成一定的角度。

上侧端盖1-2和下侧端盖1-3的表面径向循环通道也采用数控铣床进行加工。图9为上侧端盖1-2的上视图，即上侧端盖1-2与滚珠载体轮1-1结合面的径向循环通道示意图。由图可以看出，上侧端盖1-2的径向循环通道1-5的结构位置与滚珠载体轮1-1上侧的径向循环通道1-5完全相同，以保证能够一一对应完好合并。图10为下侧端盖1-3的俯视图，下侧端盖1-3的径向循环通道1-5的结构位置与滚珠载体轮1-1下侧的径向循环通道1-5完全相同。

装配滚珠蜗轮的步骤是这样的：先将下侧端盖1-3与滚珠载体轮1-1同轴结合，并把径向循环通道1-5对齐后进行固定，然后逐个滚珠循环通道和深沟滚珠轨道装入滚珠4，直到全部装满。合理设计轴向循环通道1-6的位置，能够使滚珠循环通道和深沟滚珠轨道中正好容纳完整的滚珠4，相互紧靠而不挤压。然后将上侧端盖1-2与滚珠载体轮1-1同轴结合，并对齐径向循环通道1-5后进行固定，就形成一个完整的带有滚珠的滚珠蜗轮1。

如图1、图2、图3所示，根据蜗轮蜗杆中心矩的设计要求，分别将带有滚珠的滚珠蜗轮1和弧面滚珠蜗杆2通过轴承垂直90度安装在承载装置上，弧面滚珠蜗杆2的轴线与滚珠蜗轮1中心横截面在同一平面上，将弧面蜗杆螺旋滚珠轨道2-1啮合入滚珠蜗轮1的多行滚珠，啮合好以后，弧面滚珠蜗杆2对滚珠蜗轮1形成包络，同时有多行多个滚珠4啮合。弧面滚珠蜗杆2转动时，其螺旋滚珠轨道2-1推动多行啮合的多个滚珠4，啮合的多个滚珠4在自身滚动的同时推动滚珠蜗轮1围绕蜗轮轴5转动。弧面滚珠蜗杆2和滚珠4之间，滚珠4和滚珠蜗轮1之间，全部都是滚动接触和滚动摩擦，而且滚珠蜗杆转动时，滚珠蜗轮上只有啮合部分的滚珠及其所在循环通道中的滚珠参与循环，相对于传统蜗轮蜗杆的滑动摩擦来说，其摩擦和磨损大大减小。弧面滚珠蜗杆同时有多行多个滚珠啮合，因此承载力大，适合于重型设备。另外，因为同时有多行滚珠啮合，能够采用预压技术，消除往返运动时的背隙，因此可用于精密传动的自动化设备。

实施例2

本实施例中，滚珠蜗杆采用圆柱滚珠蜗杆。

由图12可以看到圆柱滚珠蜗杆的结构相对简单，因此圆柱滚珠蜗杆3的加工制造也相对简单，采用普通数控车床即可完成，加工圆柱蜗杆螺旋滚珠轨道3-1时，需要使用刃截面为圆头的刀具，以设定的导程角将圆柱坯料外圆车成相应的螺旋滚珠轨道。

滚珠蜗轮1的制造加工方法与实施例1中完全相同，滚珠载体轮1-1上的滚珠深沟轨道1-4和滚珠循环通道的加工方法也完全相同。

如图13、图14、图15所示，根据蜗轮蜗杆中心矩的设计要求，分别将带有滚珠的滚珠蜗轮1和圆柱滚珠蜗杆3通过轴承垂直90度安装在承载装置上，圆柱滚珠蜗杆3的轴线与滚珠蜗轮1中心横截面在同一平面上，将圆柱蜗杆螺旋滚珠轨道3-1啮合入滚珠蜗轮1的滚珠，在不同的位置，蜗轮蜗杆同时有1-2行滚珠啮合。圆柱滚珠蜗杆3转动时，圆柱蜗杆螺旋滚珠轨道3-1推动所啮合的多个滚珠4，啮合的多个滚珠4在自身滚动的同时推动滚珠蜗轮1围绕蜗轮轴5转动。圆柱滚珠蜗杆3和滚珠4之间，滚珠4和滚珠蜗轮1之间，全部都是滚动接触和滚动摩擦，而且滚珠蜗杆转动时，滚珠蜗轮上只有啮合部分的滚珠及其所在循环通道中的滚珠参与循环，相对于传统蜗轮蜗杆的滑动摩擦来说，其摩擦和磨损大大减小。

采用圆柱滚珠蜗杆时，相对于弧面滚珠蜗杆来说，啮合的滚珠行数少，因此其承载力相对较小，只能用于小型设备。

根据具体的使用情况的承载力要求、传动比要求、精密度要求，滚珠蜗轮蜗杆传动副可系列化、标准化设计，以满足不同领域、不同设备、不同应用的需求。

Claims (6)

1.一种滚珠蜗轮蜗杆传动副，其特征在于：其由滚珠蜗轮、滚珠和滚珠蜗杆组成，滚珠蜗轮包括滚珠载体轮和两侧端盖，滚珠蜗杆采用弧面滚珠蜗杆或者圆柱滚珠蜗杆；在滚珠载体轮的传动啮合外圆周面上，有等距离分布的深沟滚珠轨道，深沟滚珠轨道为圆底敞口沟槽，其深度大于滚珠半径，开口小于滚珠直径，滚珠能够在深沟滚珠轨道内顺畅滚动，且不会从深沟滚珠轨道开口掉出，深沟滚珠轨道的间距等于滚珠蜗杆上螺旋滚珠轨道的螺距，深沟滚珠轨道的导程角根据采用的蜗杆类型来确定；滚珠蜗轮上有滚珠循环通道，每条滚珠循环通道对应一条深沟滚珠轨道，滚珠采用单循环方式，即每行滚珠在自己的滚珠循环通道中单独循环；每条滚珠循环通道由轴向循环通道和两侧的径向循环通道连接贯通而成，轴向循环通道与滚珠载体轮轴线平行，两端分别连接两侧的径向循环通道，两侧的径向循环通道连接到深沟滚珠轨道，拐角和连接处进行圆角处理，使滚珠滚动和循环转向顺畅；在滚珠蜗轮的每条滚珠循环通道和深沟滚珠轨道中装满滚珠，滚珠能够在深沟滚珠轨道和滚珠循环通道中循环滚动；在滚珠蜗杆的外圆周面上有螺旋滚珠轨道，螺旋滚珠轨道的螺距相等；螺旋滚珠轨道为圆底开口沟槽，滚珠能够与螺旋滚珠轨道吻合并在其中轻松顺畅滚动；合理设计滚珠蜗轮中心轴与滚珠蜗杆中心轴的距离，使滚珠蜗轮上的滚珠从深沟滚珠轨道里露出的部分能够与蜗杆的螺旋滚珠轨道正好啮合；滚珠蜗杆转动时，螺旋滚珠轨道推动啮合的滚珠滚动，滚珠自身滚动的同时推动滚珠蜗轮转动。

2.根据权利要求1所述的滚珠蜗轮蜗杆传动副，其特征在于：滚珠蜗轮的径向循环通道一半在滚珠载体轮的表面，一半在端盖的表面，端盖和滚珠载体轮位置对应结合在一起时，两部分径向循环通道正好合并形成一条完整的径向循环通道，滚珠能够在其中顺畅滚动。

3.根据权利要求1所述的滚珠蜗轮蜗杆传动副，其特征在于：当滚珠载体轮直径较大时，相邻轴向循环通道的横截面圆心能够在以载体轮轴线为圆心的同一个圆上，或者不同的圆上；当滚珠载体轮直径较小时，相邻滚珠轴向循环通道的横截面圆心不能在以载体轮轴线为圆心的同一个圆上，以避免相邻轴向循环通道距离太近，降低滚珠载体轮的强度。

4.根据权利要求1所述的滚珠蜗轮蜗杆传动副，其特征在于：滚珠蜗杆采用弧面蜗杆时，弧面滚珠蜗杆的外形为凹圆弧围绕蜗杆轴线回转形成的回转面，凹圆弧的直径等于滚珠载体轮直径；滚珠蜗轮的深沟滚珠轨道的导程角等于蜗杆以最细处计算得到的螺旋滚珠轨道导程角；弧面滚珠蜗杆上的螺旋滚珠轨道通过修形技术加工处理，能够同时啮合多行滚珠；弧面滚珠蜗杆对滚珠蜗轮形成包络。

5.根据权利要求1所述的滚珠蜗轮蜗杆传动副，其特征在于：滚珠蜗杆采用圆柱蜗杆时，滚珠蜗轮的深沟轨道的导程角等于圆柱滚珠蜗杆上的螺旋滚珠轨道的导程角。

6.根据权利要求1所述的滚珠蜗轮蜗杆传动副，其特征在于：当滚珠蜗杆单丝道设计时，滚珠蜗杆上螺旋滚珠轨道的螺距与滚珠蜗轮上深沟滚珠轨道的间距相等；当滚珠蜗杆多丝道设计时，滚珠蜗杆上螺旋滚珠轨道的螺距是滚珠蜗轮上深沟滚珠轨道间距的整数倍。

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