CN113464616A - 新型差动行星传动丝杆螺母机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型差动行星传动丝杆螺母机构，包括一根内轴构件和同轴心线套设在内轴构件外的一个外筒构件，外筒构件内表面设置有内螺纹，所述内轴构件或者外筒构件之一上还设置有防转动结构，其特征在于，内轴构件上偏心套设有中间筒构件，同时中间筒构件可绕自身轴心线转动设置，中间筒构件外周表面设置有外螺纹，中间筒构件外周表面的外螺纹的偏心侧和外筒构件的内螺纹接触并形成配合。本机构相对于普通丝杠能够具备滚动摩擦特性，同时还具备承载力高，结构简单，加工容易且成本低廉等优点。

Description

新型差动行星传动丝杆螺母机构

技术领域

本发明涉及一种转动和直线运动转换机构领域，具体涉及一种新型差动行星传动丝杆螺母机构。

背景技术

丝杠是用于将旋转运动转换为直线运动的机械传动机构。较早使用的丝杠传动机构称为普通丝杠或梯形丝杠（T型丝杠），其结构最为原始，通常仅由一根螺杆和螺纹配合在螺杆上的一个螺母组成。这种丝杠结构较为简单，螺杆和螺母之间为滑动摩擦配合，传动效率低下，目前通常仅仅在一些传动要求不高的场合使用。

滚珠丝杠属于梯形丝杠的改进，通常由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器等构件构成，其和梯形丝杠的区别之处在于在螺杆和螺母之间的螺纹槽中封装有钢球，依靠钢球作为滚珠将滑动摩擦转化为了滚动摩擦，滚珠通过反向器实现在滚道中循环滚动。这样相对于梯形丝杠虽然结构更加复杂，成本更高，但可以更好地连续运行，并承受高得多的负载，达到更快的速度。属于目前应用较为普遍的丝杠。

为进一步提高承载能力，在滚珠丝杠的基础上人们进一步研发了行星滚柱丝杠。行星滚柱丝杠的结构为，在主螺纹丝杠的周围，行星布置了6-12个螺纹滚柱，依靠螺纹滚柱实现主螺纹丝杠和螺母之间的传动。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的结构相似，区别在于行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的线接触;而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高的承载能力和抗冲能力。但同时，行星滚柱丝杠也同样存在构件繁多，结构复杂，加工难度大，成本高昂等缺陷。

故如何在上述现有技术基础上，设计一种相对于普通丝杠能够具备滚动摩擦特性以降低滑动摩擦的不利影响，同时相对滚珠丝杠和行星滚柱丝杠又能够提高接触面积以提高承载力，同时结构简单，加工容易且成本较为低廉的丝杠传动机构，成为本领域技术人员有待考虑解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种相对于普通丝杠能够具备滚动摩擦特性，同时承载力高，结构简单，加工容易且成本低廉的新型差动行星传动丝杆螺母机构。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种新型差动行星传动丝杆螺母机构，包括一根内轴构件和套设在内轴构件外的一个外筒构件，内轴构件和外筒构件同轴心线设置，外筒构件内表面设置有内螺纹，所述内轴构件或者外筒构件之一上还设置有防转动结构，其特征在于，内轴构件上偏心套设有中间筒构件，同时中间筒构件可绕自身轴心线转动设置，中间筒构件外周表面设置有外螺纹，中间筒构件外周表面的外螺纹的偏心侧和外筒构件的内螺纹接触并形成配合。

本机构工作时可完成转动和平动之间的转换。常规动作方式是内轴构件作为输入端，外筒构件作为输出端（也可以相反），此时如果防转动结构设置在外筒构件上，则外筒构件不能转动且只能做轴向平动输出，而内轴构件不能轴向平动并做转动输入。其作用过程原理为，内轴构件输入转动，带动中间筒构件产生偏心转动，但由于中间筒构件的偏心侧的外螺纹表面和外筒构件的内螺纹接触形成配合，外筒构件自身不能转动，故外筒构件内螺纹的反作用力作用到中间筒构件上，会导致中间筒构件在做偏心转动（偏心转动等于绕内轴构件轴心线的公转）的同时自身产生反方向的滚动自转（即绕自身轴心线反方向自转），中间筒构件的滚动自转推动外筒构件沿轴向移动。这样假如偏心设置的中间筒构件不能自转则因为中间筒构件偏心侧外螺纹是和外筒构件内螺纹接触配合的而导致整个机构会卡死，但中间筒构件能够自转则因为中间筒构件会产生反向自转而不会卡死，同时中间筒构件反向自转就作用于外筒构件并带动外筒构件轴向平动，这样降低了传动速率，适合微小距离的调节使用。从上述过程可看出，中间筒构件公转的同时自转，产生类似滚动摩擦的效果，和传统的梯形丝杠相比能够减小摩擦力，提高传动效率。同时和滚珠丝杠和行星滚柱丝杠相比，又极大地提高了接触面积，提高了承载力，同时具有结构简单，构件数量较少，加工容易，成本较为低廉的特点。

由于力的作用是相互的，上述动作作用过程可以反向实现（类似于普通丝杠），例如防转动结构也可以设置在内轴构件上，此时，内轴构件限制转动并只做轴向平动，外筒构件做转动且轴向限制平动。另外执行动作的输入端和输出端也可以反向互换。机构内部力传递和动作作用过程和上述过程原理相同或相反，故不再一一分析。

作为优化，内轴构件上成段地形成有偏心段，偏心段外套设安装有轴承，轴承外套设安装有所述中间筒构件。

这样内轴构件依靠偏心段带动中间筒构件公转，同时中间筒构件依靠轴承可实现自转，结构简单，安装方便且动作过程稳定可靠。

作为优化，内轴构件上设置有至少两个偏心段及对应的轴承和中间筒构件，相邻偏心段偏心方向沿内轴构件截面圆同一直径相反设置。

这样，能够较好地避免单向偏心而导致运动时失衡，保证机构运动时整体的平稳性。

进一步地，内轴构件上设置有三个偏心段及对应的轴承和中间筒构件，位于中间部分的偏心段轴向长度为前后两个偏心段轴向长度之和，前后两个偏心段轴向长度相同，每个偏心段偏心量大小相同。

这样，能够使得前后两个偏心段的偏心部分质量相同，且中间偏心段的偏心部分质量为前后两个偏心段的偏心部分质量之和，保证了内轴构件旋转时截面方向的质量中心恰好为轴心线，就可以更好地避免由于偏心导致的径向失衡，避免了内轴构件因为偏心导致的摩擦和振动，更好地保证机构运行的整体稳定性。

进一步地相邻偏心段之间还设置有隔离结构，使得相邻中间筒构件之间轴向上留有间隔。

这样可以避免相邻中间筒构件的自转干涉。

进一步地，隔离结构为套设在内轴构件上的隔离用轴套。这样方便设置安装。

作为另一种保持内轴构件转动稳定的优化方案，内轴构件上设置有多个偏心段及对应的轴承和中间筒构件，每个偏心段的轴向长度和偏心量大小均相同，各个偏心段在周向上均匀分布。

这样，也可以很好地保证内轴构件旋转时截面方向的质量中心恰好为轴心线，从而避免振动和磨损，提高机构整体运动稳定性。

进一步地，偏心段数量为3段，相邻每段在周向上相差120度设置。

这样是因为偏心段数量过多会增加制造难度，提高成本，只设置三段数量较低加工容易且已经能够保证周向均衡。

进一步地，外筒构件远离内筒构件方向的一端还固定连接有一个相同轴心线的外筒轴。

这样，可以更加方便动力的传递，尤其是本机构应用于电缸产品时，外筒轴作为输出轴，能够更加方便电缸产品的直线动作输出。

作为一种动力输入输出方案选择，所述内轴构件为动力输入端且作为转动构件实现旋转扭矩输入，所述外筒构件外表面设置有防转动结构并作为动力输出端，实现直线运动输出。

这样机构用于将内轴构件的旋转运动转化为外筒构件的直线运动，适用于电缸产品中采用。其中外筒构件上的防转动结构可以是在外筒构件和产品外壳内表面之间采用沿轴向设置的凹凸配合结构，以限制外筒构件转动的同时能够更好地引导外筒构件做直线运动输出。

作为其它的动力输入输出方案选择，所述外筒构件外表面设置有防转动结构并作为动力输入端，实现直线运动输入，内轴构件作为动力输出端实现旋转输出。

这样由外筒构件的直线运动带动内轴构件做转动输出，适用于部分需要将直线运动转换为旋转运动的场合。

作为其他的动力输入输出方案选择，所述内轴构件上设置有防转动结构并作为动力输入端，实现直线运动输入，所述外筒构件作为动力输出端实现旋转输出。

这样可由内轴构件的直线运动带动外筒构件做转动输出，同样适用于部分需要将直线运动转换为旋转运动的场合。

作为其他的动力输入输出方案选择，所述外筒构件作为动力输入端实现旋转扭矩输入，所述内轴构件上设置有防转动结构并作为动力输出端，实现直线运动输出。

这样可将外筒构件的旋转运动转化为内轴构件的直线运动，适用于部分需要将旋转运动转换为直线运动的场合使用。

综上所述，本机构相对于普通丝杠能够具备滚动摩擦特性，同时还具备承载力高，结构简单，加工容易且成本低廉等优点。

附图说明

图1为本发明第一种优选实施方式的新型差动行星传动丝杆螺母机构的结构示意图。

图2为图1中偏心段的中间筒构件处位置的横截面剖面图。

图3为图2中显示中间筒构件外螺纹和外筒构件内螺纹的圆周展开等效图。

图4为图1中第一个偏心段位置的中间筒构件和外筒构件的螺纹中径线图。

图5为图1中第二个偏心段位置的中间筒构件和外筒构件的螺纹中径线图。

图6为图1中第三个偏心段位置的中间筒构件和外筒构件的螺纹中径线图。

图7为图1的实施方式中显示中间筒构件外螺纹和外筒构件内螺纹相配合的螺纹承载面积的示意图。

图8是和图7相比其它实施方式中螺纹承载面积更多的情况时的示意图。

图9是和图7相比其它实施方式中螺纹承载面积更少的情况时的示意图。

图10是另外的实施方式中，三段偏心段在周向上按照径向120度均匀分布设置时，三段偏心段的螺纹承载面积叠合后的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

第一种优选实施例，参见图1-7：

一种新型差动行星传动丝杆螺母机构，包括一根内轴构件1和套设在内轴构件1外的一个外筒构件2，内轴构件1和外筒构件2同轴心线设置，外筒构件2内表面设置有内螺纹，本实施例中所述外筒构件2上还设置有防转动结构，内轴构件上偏心套设有中间筒构件3，同时中间筒构件3可绕自身轴心线转动设置，中间筒构件3外周表面设置有外螺纹，中间筒构件3外周表面的外螺纹的偏心侧和外筒构件的内螺纹接触并形成配合。

本实施例的输出方案选择是，所述内轴构件为动力输入端且作为转动构件实现旋转扭矩输入，所述外筒构件外表面设置有防转动结构并作为动力输出端，实现直线运动输出。这样机构用于将内轴构件的旋转运动转化为外筒构件的直线运动，适用于电缸产品中采用。其中外筒构件上的防转动结构可以是在外筒构件和产品外壳内表面之间采用沿轴向设置的凹凸配合结构，以限制外筒构件转动的同时能够更好地引导外筒构件做直线运动输出。

本实施例中，内轴构件上成段地形成有偏心段4，偏心段4外套设安装有轴承5，轴承5外套设安装有所述中间筒构件3。

这样内轴构件依靠偏心段带动中间筒构件公转，同时中间筒构件依靠轴承可实现自转，结构简单，安装方便且动作过程稳定可靠。

本实施例中，内轴构件1上设置有至少两个偏心段4及对应的轴承和中间筒构件，相邻偏心段偏心方向沿内轴构件截面圆同一直径相反设置。

这样，能够较好地避免单向偏心而导致运动时失衡，保证机构运动时整体的平稳性。

本实施例中，内轴构件上设置有三个偏心段4及对应的轴承5和中间筒构件3，位于中间部分的偏心段轴向长度为前后两个偏心段轴向长度之和，前后两个偏心段轴向长度相同，每个偏心段偏心量大小相同。

这样，能够使得前后两个偏心段的偏心部分质量相同，且中间偏心段的偏心部分质量为前后两个偏心段的偏心部分质量之和，保证了内轴构件旋转时截面方向的质量中心恰好为轴心线，就可以更好地避免由于偏心导致的径向失衡，避免了内轴构件因为偏心导致的摩擦和振动，更好地保证机构运行的整体稳定性。

参见图4-图6，为本实施例中三个偏心段位置各自的中间筒构件和外筒构件的螺纹中径线图，从图中可以看出第一个与第三个和第二个偏心段的相位相差180度，使其两个方向上质量相同，解决径向平衡问题，因为偏心产生的径向摆动抵消，轴向螺纹数增加，可以更好地提高承载力。

本实施例中，相邻偏心段4之间还设置有隔离结构，使得相邻中间筒构件之间轴向上留有间隔。

这样可以避免相邻中间筒构件的自转干涉。

本实施例中，隔离结构为套设在内轴构件上的隔离用轴套6。这样方便设置安装。

本实施例中，外筒构件2远离内筒构件方向的一端还固定连接有一个相同轴心线的外筒轴7。

这样，可以更加方便动力的传递，尤其是本机构应用于电缸产品时，外筒轴作为输出轴，能够更加方便电缸产品的直线动作输出。

另外，本实施例中，所述内轴构件偏心段上套设的轴承包括一个轴承内圈，轴承内圈和内轴构件之间通过键配合连接并传动，轴承内圈外均匀布置一圈和内轴构件相同轴向的小圆柱（当然实施时也可以是滚珠，但滚珠承载力更低且磨损更快），小圆柱外套设一个轴承外圈，轴承外圈外表面可以直接设置外螺纹作为中间筒构件，也可以轴承外圈外表面再通过键配合单独套设一个具有外螺纹的中间筒构件。这样内轴构件作为旋转输入端时带动偏心段上的轴承内圈公转，进而带动中间筒构件公转，由于中间筒构件的偏心侧和外筒构件的内螺纹配合并受反作用力，使得中间筒构件能够沿一圈小圆柱（或滚珠）反向自转，形成径向行星滚动传动运动，并进而驱动外筒构件（螺母）做径向移动传动。

这样，在上述实施例中，本机构工作时可完成转动和平动之间的转换。运动原理为内轴构件1作为输入轴旋转，内轴构件的偏心段和轴承内圈之间（以及轴承外圈和中间筒构件之间）通过平键配合，内轴构件通过轴承带动偏心设置的中间筒构件公转，中间筒构件的外螺纹和外筒构件的内螺纹偏心配合形成转动-直线传动，由于偏心的中间筒构件随输入轴公转有一个径向位移偏心量，中间筒构件外螺纹插入外筒构件内螺纹的斜面，内螺纹反作用于外螺纹带动中间筒构件绕轴承反向转动形成滚动式自转，中间筒构件的滚动自转推动外筒构件沿轴向移动，参见图1-图3。故使其既具有类似滚动摩擦的效果，和传统的梯形丝杠相比能够减小摩擦力，提高传动效率。同时和滚珠丝杠和行星滚柱丝杠相比，又极大地提高了接触面积，提高了承载力，且构件数量较少，加工容易，成本较为低廉。

实施时，中间筒构件外螺纹和外筒构件内螺纹不同的直径可以调出不同的接触面积，机构的承载能力随接触面积的增大而增大，接触面积减小则增加速度承载力小，接触面积大承载力大，速度减小。图7为本实施方式中显示中间筒构件外螺纹和外筒构件内螺纹相配合的螺纹承载面积的示意图。其接触面积适中，而图8是和图7相比其它实施方式中螺纹承载面积更多的情况时的示意图。图9是和图7相比其它实施方式中螺纹承载面积更少的情况时的示意图。故本机构可以通过调整螺纹直径调节承载力大小。

本机构还具有调节分辨率高的特点，以上述实施例为例，内轴构件作为输入轴转动带动偏心的轴承和中间筒构件公转，由于外筒构件不转动，其内螺纹斜面反力推动中间筒构件反向自转，故中间筒构件形成了绕内轴构件轴心线的公转并同时绕自身轴心线的自转，这样就形成行星传动的效果。由于中间筒构件反向自转是因为偏心设置导致偏心侧外螺纹公转时和内螺纹接触后产生的反向分力导致，故输入轴转动一圈时中间筒构件反向自转的量远小于一圈，称之为一个周节。故丝杠的推力要大于普通的丝杠，推进的分辨率很高，适合微小位移调节。

参见图10，作为另一种保持内轴构件转动稳定的实施方案，内轴构件上设置有3个偏心段及对应的轴承和中间筒构件，每个偏心段的轴向长度和偏心量大小均相同，各个偏心段在周向上相差120度均匀分布。这样，也可以很好地保证内轴构件旋转时截面方向的质量中心恰好为轴心线，从而避免振动和磨损，提高机构整体运动稳定性。这样，也可以获得较大的承载能力，较高的速度，但输入转速较高时，这种径向力平衡，减小了不平衡震动适应高速驱动。图7-10中剖面线表示螺纹承载面积。

由于力的作用是相互的，上述动作作用过程可以反向实现（类似于普通丝杠），例如防转动结构也可以设置在内轴构件上，此时，内轴构件限制转动并只做轴向平动，外筒构件做转动且轴向限制平动。另外执行动作的输入端和输出端也可以反向互换。例如以下的几种动力输入输出方案选择，在机构内部力传递和动作作用过程和上述过程原理相同或相反，故不再一一分析。

作为其它的动力输入输出方案选择，还可以是所述外筒构件外表面设置有防转动结构并作为动力输入端，实现直线运动输入，内轴构件作为动力输出端实现旋转输出。

这样由外筒构件的直线运动带动内轴构件做转动输出，适用于部分需要将直线运动转换为旋转运动的场合。

作为其他的动力输入输出方案选择，还可以是所述内轴构件上设置有防转动结构并作为动力输入端，实现直线运动输入，所述外筒构件作为动力输出端实现旋转输出。

这样可由内轴构件的直线运动带动外筒构件做转动输出，同样适用于部分需要将直线运动转换为旋转运动的场合。

作为其他的动力输入输出方案选择，还可以是所述外筒构件作为动力输入端实现旋转扭矩输入，所述内轴构件上设置有防转动结构并作为动力输出端，实现直线运动输出。

这样可将外筒构件的旋转运动转化为内轴构件的直线运动，适用于部分需要将旋转运动转换为直线运动的场合使用。

综上所述，本发明能够达到以下效果。1.承载能力大，输出力大。2.传递效率高，能够实现滚动摩擦，集成现有的几种丝杠的优点。3.传动运动的分辨率高，有利于直线运动的精密微小位移传动和调节。4.系统的功率密度大，体积小，在传递同样功率的时候，体积比现有的产品要小，组成环节要少。

Claims (10)

1.一种新型差动行星传动丝杆螺母机构，包括一根内轴构件和套设在内轴构件外的一个外筒构件，内轴构件和外筒构件同轴心线设置，外筒构件内表面设置有内螺纹，所述内轴构件或者外筒构件之一上还设置有防转动结构，其特征在于，内轴构件上偏心套设有中间筒构件，同时中间筒构件可绕自身轴心线转动设置，中间筒构件外周表面设置有外螺纹，中间筒构件外周表面的外螺纹的偏心侧和外筒构件的内螺纹接触并形成配合。

2.如权利要求1所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，内轴构件上成段地形成有偏心段，偏心段外套设安装有轴承，轴承外套设安装有所述中间筒构件。

3.如权利要求2所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，内轴构件上设置有至少两个偏心段及对应的轴承和中间筒构件，相邻偏心段偏心方向沿内轴构件截面圆同一直径相反设置。

4.如权利要求3所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，内轴构件上设置有三个偏心段及对应的轴承和中间筒构件，位于中间部分的偏心段轴向长度为前后两个偏心段轴向长度之和，前后两个偏心段轴向长度相同，每个偏心段偏心量大小相同。

5.如权利要求2所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，进一步地相邻偏心段之间还设置有隔离结构，使得相邻中间筒构件之间轴向上留有间隔。

6.如权利要求5所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，隔离结构为套设在内轴构件上的隔离用轴套。

7.如权利要求2所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，内轴构件上设置有多个偏心段及对应的轴承和中间筒构件，每个偏心段的轴向长度和偏心量大小均相同，各个偏心段在周向上均匀分布。

8.如权利要求7所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，偏心段数量为3段，相邻每段在周向上相差120度设置。

9.如权利要求2所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，外筒构件远离内筒构件方向的一端还固定连接有一个相同轴心线的外筒轴。

10.如权利要求2所述的新型差动行星传动丝杆螺母机构，其特征在于，所述内轴构件为动力输入端且作为转动构件实现旋转扭矩输入，所述外筒构件外表面设置有防转动结构并作为动力输出端，实现直线运动输出；

或者，所述外筒构件外表面设置有防转动结构并作为动力输入端，实现直线运动输入，内轴构件作为动力输出端实现旋转输出；

或者，所述内轴构件上设置有防转动结构并作为动力输入端，实现直线运动输入，所述外筒构件作为动力输出端实现旋转输出；

或者，所述外筒构件作为动力输入端实现旋转扭矩输入，所述内轴构件上设置有防转动结构并作为动力输出端，实现直线运动输出。

Images