易加工小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法及滚柱与流程

1.本发明属于行星滚柱丝杠副技术领域，具体涉及一种高承载易加工的小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法及滚柱。


背景技术：

2.行星滚柱丝杠副是一种精密机械传动机构，可实现旋转运动与直线运动之间的转换。小螺距行星滚柱丝杠副(螺距p≤0.5mm)由于具有减速比大、传动精度高等优点，成为新一代航天伺服系统的核心功能部件。
3.行星滚柱丝杠副主要由丝杠、螺母、滚柱、齿圈、保持架等零件组成。滚柱具有单线外螺纹，滚柱两端加工有齿轮。若干个滚柱绕丝杠圆周均匀分布，滚柱螺纹分别与丝杠外螺纹、螺母内螺纹进行螺纹啮合，同时滚柱齿轮与齿圈进行齿轮啮合，如图1所示。目前，丝杠外螺纹和螺母内螺纹大多都采用牙侧角为45
°
的直线牙侧螺纹，滚柱螺纹采用与之匹配的圆弧牙侧螺纹，以提高承载能力与传动效率。但是，牙侧角为45
°
的螺纹有其局限性，尤其对于小螺距行星滚柱丝杠副，螺纹牙的抗冲击能力低，这就需要选用合理的牙侧角。目前针对不同牙侧角的滚柱螺纹牙型参数设计还没有完善的方法。
4.滚柱作为行星滚柱丝杠副的核心零件，起着运动传递与承载的重要作用。通过改变滚柱螺纹的牙侧形状及滚柱结构，能够提高行星滚柱丝杠副的承载性能与传动效率。目前，滚柱结构有两种典型形式：第一种是“螺纹
‑
齿轮独立设计”形式，即滚柱两端齿轮区域上没有螺纹，滚柱齿轮只与齿圈啮合，由于螺纹加工与齿轮加工区域是独立的，这种结构的加工性较好，缺点是由于齿顶圆比滚柱中径小，齿轮传动的重合度较低，且参与啮合传动的螺纹区域减少，严重降低了行星滚柱丝杠副的承载能力，特别不适用于小螺距行星滚柱丝杠副，如图2所示；第二种是“螺纹
‑
齿轮混合设计”形式，即滚柱两端齿轮上也具有螺纹，滚柱两端齿轮区域的螺纹与丝杠、螺母进行螺纹啮合，同时两端齿轮与齿圈进行齿轮传动，优点是齿轮传动重合度增大，参与啮合传动的螺纹区域变大，使得行星滚柱丝杠副的承载能力及稳定性增加，如图3所示。
5.针对第二种结构形式，滚柱两端的齿槽破坏了螺纹的完整性，由于行星滚柱丝杠副传递载荷时，滚柱受力主要集中在端部几个螺纹，使得两端齿轮上的不连续螺纹牙产生过大的变形导致螺纹失效破坏，降低了行星滚柱丝杠副的传动性能与寿命。针对这一问题，中国专利cn201710343295.6对滚柱齿轮区域的螺纹进行了“定性”修型，采用了三种不同的螺纹中径且中径值是连续变化的。中国专利cn201611091503.x对滚柱螺纹的两侧牙厚分别进行“定量”修型，要求刀具进给速度按照线性化规律进行加工。由于小螺距螺纹的几何精度要求高(不低于2μm)、螺纹牙高较小，当前加工设备难以满足变中径或齿形的加工要求。因此，从提高承载能力和加工可实现性方面，目前还没有适用于小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种高承载易加工的小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法及滚柱，以解决现有滚柱螺纹接触状态不合理、承载能力低、螺纹修型后加工困难等问题，提高滚柱的承载能力与寿命、降低加工难度、保证加工可行性，适用于不同牙型角的行星滚柱丝杠副，特别适用于小螺距行星滚柱丝杠副的承载能力及寿命提升。
7.本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
8.本发明提供了一种易加工小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法，包括如下步骤
9.设计滚柱螺纹牙型；
10.在滚柱全段区域均设计有所述牙型的滚柱螺纹；
11.设计滚柱两端的齿轮，所述齿轮的齿顶圆直径与滚柱螺纹大径相等；
12.对齿轮区域的滚柱螺纹进行中径修型，滚柱螺纹牙型轮廓保持不变，使得当行星滚柱丝杠副受到轴向额定动载荷时，两侧齿轮区域内的滚柱螺纹与丝杠的外螺纹或螺母的内螺纹接触。
13.进一步地，所述滚柱螺纹牙型为圆弧形牙侧。
14.进一步地，所述圆弧形牙侧的滚柱螺纹牙型设计方法如下
15.s1.1、设计牙侧角为α
r
的三个相邻的螺纹原始三角形，记为第一螺纹牙、第二螺纹牙、第三螺纹牙，分别做第一螺纹牙右牙侧、第二螺纹牙左右牙侧、第三螺纹牙左牙侧的切圆，切圆圆心位于滚柱轴线上，且切点为该牙侧与螺纹中径线的交点；
16.s1.2、在三个螺纹牙之间的牙槽底部均作牙底切圆，牙底切圆与步骤s1.1中相邻两牙侧的切圆同时相切；
17.s1.3、画出滚柱螺纹的大径线，在第二螺纹牙左牙侧切圆、第二螺纹牙右牙侧切圆、两个牙底切圆、大经线上分别选取左侧圆弧、右侧圆弧、牙底圆弧、牙顶组成连续的螺纹牙型。
18.进一步地，所述牙侧角α
r
范围为30
°
～45
°
。
19.进一步地，所述齿轮采用渐开线直齿圆柱齿轮，采用滚齿方法加工。
20.进一步地，所述齿轮区域螺纹中径修型量为
[0021][0022]
所述齿轮区域的螺纹中径值为
[0023][0024]
其中，d
r
为修型前的滚柱螺纹中径值，d
rm
为两侧齿轮区域的螺纹中径值；δ为行星滚柱丝杠副达到指定的轴向额定动载荷时，仅中间区域的螺纹长度参与啮合时，滚柱螺纹牙的变形量；牙侧角为α
r
。
[0025]
本发明又提供了一种易加工小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱，包括依次连通的第一齿轮、中间段、第二齿轮，所述第一齿轮、中间段、第二齿轮上均包括单线外螺纹且外螺纹牙型轮廓相同，所述第一齿轮、第二齿轮上螺纹中径修型，修型后当行星滚柱丝杠副受到轴向额定动载荷时，两侧齿轮区域内的滚柱螺纹与丝杠的外螺纹或螺母的内螺纹接触。
[0026]
进一步地，所述外螺纹牙型为圆弧形牙侧，所述齿轮采用渐开线直齿圆柱齿轮。
[0027]
本发明与现有技术相比的有益效果：
[0028]
本发明提供了一种高承载易加工的小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法，优点如下：1)适用于不同牙侧角的行星滚柱丝杠副的滚柱螺纹设计，通用性强；2)采用“螺纹
‑
齿轮混合设计”形式，增加了啮合螺纹的长度，提高了滚柱齿轮
‑
齿圈的重合度及传动稳定性；3)采用“三段式”螺纹中径修型，改善了载荷在滚柱螺纹区域的均载分布状态，降低了齿轮区域的不连续螺纹牙承受的最大载荷，提高了行星滚柱丝杠副的极限承载能力，轴向载荷较修型前提高40％以上；4)修型后两端齿轮区域、以及滚柱两齿轮之间的中间区域的螺纹中径值均为定值，且牙型轮廓相同，采用一种规格的成型螺纹刀即可进行螺纹加工，大幅降低了加工难度，解决了小螺距行星滚柱丝杠副的制造难题。
附图说明
[0029]
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1是行星滚柱丝杠副的结构图；
[0031]
图2是第一种滚柱结构；
[0032]
图3是第二种滚柱结构；
[0033]
图4是本发明具体实施例提供的滚柱螺纹牙型图；
[0034]
图5是本发明具体实施例提供的滚柱螺纹基本牙型图；
[0035]
图6是本发明具体实施例提供的滚柱螺纹牙型设计图；
[0036]
图7是本发明具体实施例提供的三段式滚柱螺纹中径修型图；
[0037]
图8是本发明具体实施例提供的滚柱螺纹中径修型关系示意图。
[0038]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0039]
1.丝杠、2.滚柱、3.螺母、4.齿圈、5.保持架、6.齿轮、7.滚柱螺纹、7
‑
1.左牙侧、7
‑
2.右牙侧、7
‑
3.牙底圆弧、7
‑
4.牙顶、7
‑
5.螺纹中径线、8.圆柱轴、9.滚柱轴线、10.外螺纹原始三角形、10
‑
1.原始三角形左牙侧、10
‑
2.原始三角形右牙侧、11.第二螺纹牙、11
‑
1.第二螺纹牙左牙侧垂线、11
‑
2.第二螺纹牙左牙侧切圆、11
‑
3.第二螺纹牙右牙侧垂线、11
‑
4.第二螺纹牙右牙侧切圆、12.第一螺纹牙、12
‑
1.第一螺纹牙右牙侧垂线、12
‑
2.第一螺纹牙右牙侧切圆、13.第三螺纹牙、13
‑
1.第三螺纹牙左牙侧垂线、13
‑
2.第三螺纹牙左牙侧切圆、14.螺纹大径线、15.牙底切圆、16.齿轮区域螺纹中径线、17.中间区域、18.两侧齿轮区域。
具体实施方式
[0040]
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
[0041]
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的
其他细节。
[0042]
本发明提供了一种高承载易加工的小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法，包括螺纹牙型设计、齿轮设计和螺纹中径修型，滚柱采用基于圆弧形牙侧的外螺纹，实现与丝杠、螺母的高效啮合，同时滚柱两端采用渐开线直齿圆柱齿轮，另外滚柱整体螺纹中径设计采用“三段式”修型方式。
[0043]
本发明提供的一种易加工小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱设计方法，包括如下步骤：
[0044]
s1、设计滚柱螺纹牙型，采用圆弧形牙侧。
[0045]
具体的，圆弧形牙侧的设计方法如下，
[0046]
s1.1、设计牙侧角为α
r
的三个相邻的螺纹原始三角形，记为第一螺纹牙、第二螺纹牙、第三螺纹牙，分别做第一螺纹牙右牙侧、第二螺纹牙左右牙侧、第三螺纹牙左牙侧的切圆，切圆圆心位于滚柱轴线上，且切点为该牙侧与螺纹中径线的交点。
[0047]
s1.2、在三个螺纹牙之间的牙槽底部均作牙底切圆，牙底切圆与步骤s1.1中相邻两牙侧的切圆同时相切。
[0048]
s1.3、画出滚柱螺纹的大径线，在第二螺纹牙左牙侧切圆、第二螺纹牙右牙侧切圆、两个牙底切圆、大经线上分别选取左侧圆弧、右侧圆弧、牙底圆弧、牙顶组成连续的螺纹牙型。
[0049]
s2、滚柱全段区域均设计有步骤s1中的滚柱螺纹。
[0050]
s3、设计滚柱两端的齿轮，采用渐开线直齿圆柱齿轮，齿顶圆直径与滚柱螺纹大径相等。
[0051]
s4、对齿轮区域的滚柱螺纹进行中经修型，滚柱螺纹牙型轮廓保持不变，使得当行星滚柱丝杠副受到额定载荷时，两侧齿轮区域内的滚柱螺纹恰好与丝杠的外螺纹或螺母的内螺纹接触。
[0052]
下面结合一个具体实施例详细阐述本发明的技术方案。
[0053]
如图3所示，一种易加工小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱2，包括齿轮6、滚柱螺纹7和圆柱轴8，滚柱2采用基于圆弧形牙侧的滚柱螺纹7，该滚柱螺纹覆盖滚柱全段区域，实现与丝杠、螺母的高效啮合，滚柱2的两端采用渐开线直齿圆柱齿轮6，滚柱2螺纹中径设计采用“三段式”修型方式。在行星滚柱丝杠副中，滚柱2的滚柱螺纹7与丝杠1、螺母3的螺纹进行啮合，滚柱2的两端齿轮6与齿圈4进行齿轮啮合，滚柱两端圆柱轴8与保持架5上的孔进行配合。
[0054]
如图4、图5、图6所示，一种小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱2，采用单线螺纹形式，螺纹牙侧为圆弧形，螺纹牙的左牙侧7
‑
1、右牙侧7
‑
2对称分布。下面从理论角度说明滚柱螺纹的牙型设计过程：画3个牙侧角为α
r
的外螺纹原始三角形，包括第一螺纹牙12、第二螺纹牙11、第三螺纹牙13，每个螺纹牙包括原始三角形左牙侧10
‑
1、原始三角形右牙侧10
‑
2。分别确定原始三角形左牙侧10
‑
1、原始三角形右牙侧10
‑
2与螺纹中径线7
‑
5的交点，过交点分别作左牙侧10
‑
1、右牙侧10
‑
2的垂线，得到第二螺纹牙11左牙侧垂线11
‑
1和右牙侧垂线11
‑
3，分别以垂线11
‑
1与滚柱轴线9的交点、垂线11
‑
3与滚柱轴线9的交点为圆心，以为半径画圆，得到第二螺纹牙11的左牙侧切圆11
‑
2和右牙侧切圆11
‑
4。式中，d
r
为滚柱螺纹7
的中径，即螺纹中径值，α
r
为滚柱螺纹7的牙侧角，优选的小螺距牙侧角α
r
范围为30
°
～45
°
。
[0055]
针对第一螺纹牙12，确定原始三角形右牙侧10
‑
2与螺纹中径线7
‑
5的交点，过交点作第一螺纹牙右牙侧10
‑
2的垂线，得到第一螺纹牙右牙侧垂线12
‑
1，以第一螺纹牙的右牙侧垂线12
‑
1与滚柱轴线9的交点为圆心，以为半径画圆，得到第一螺纹牙右牙侧切圆12
‑
2。
[0056]
针对第三螺纹牙13，确定原始三角形左牙侧10
‑
1与螺纹中径线7
‑
5的交点，过交点作第三螺纹牙左牙侧10
‑
1的垂线，得到第三螺纹牙左牙侧垂线13
‑
1，以第三螺纹牙的左牙侧垂线13
‑
1与滚柱轴线9的交点为圆心，以为半径画圆，得到第三螺纹牙左牙侧切圆13
‑
2。
[0057]
画出滚柱螺纹的大径线14。在螺纹牙槽底部作半径为r的牙底切圆15，满足与第二螺纹牙的左牙侧切圆11
‑
2、第一螺纹牙的右牙侧切圆12
‑
2同时相切；在螺纹牙槽底部作半径为r的牙底切圆15，满足与第二螺纹牙的右牙侧切圆11
‑
4、第三螺纹牙的左牙侧切圆13
‑
2同时相切。r的选取原则通常是保证牙底高大于行星滚柱丝杠副中丝杠1、螺母3的牙顶高。在此基础上，在第二螺纹牙左牙侧切圆11
‑
2、第二螺纹牙右牙侧切圆11
‑
4和牙底切圆15上，选取左侧圆弧7
‑
1、右侧圆弧7
‑
2、牙底圆弧7
‑
3，同时与牙顶7
‑
4一起组成滚柱2的螺纹牙型。其中牙顶7
‑
4为大经线14在左侧圆弧7
‑
1、右侧圆弧7
‑
2之间的一部分。
[0058]
如图7、图8所示，滚柱全段区域均设计有滚柱螺纹7，提高了大载荷下的滚柱螺纹有效长度；滚柱两端的齿轮6为渐开线直齿圆柱齿轮，齿顶圆直径与滚柱螺纹大径相等，齿轮6采用滚齿加工方法。
[0059]
通过采用对螺纹中径进行修型、牙型轮廓保持不变的方法进行设计。将滚柱2的螺纹中径在整个长度上划分为3段，其中两侧齿轮区域18分别位于滚柱两端，轴向长度等于齿轮6的宽度，这一区域属于“齿轮
‑
螺纹混合结构”，螺纹的承载能力较低，其修型准则为当行星滚柱丝杠副受到轴向额定动载荷时，两侧齿轮区域18内的滚柱螺纹7恰好与丝杠1的外螺纹或螺母3的内螺纹接触。中间区域17的滚柱螺纹中径保持一不变。两侧齿轮区域的螺纹中径修型量的计算公式为
[0060][0061]
两侧齿轮区域18的螺纹中径值为
[0062][0063]
式中，d
r
为修型前的滚柱中径值，即中间区域17的螺纹中径值，d
rm
为两侧齿轮区域18的螺纹中径值，δ为行星滚柱丝杠副达到指定的轴向额定动载荷时，仅中间段的螺纹长度参与啮合时，滚柱螺纹牙的变形量。该变形量可以通过数值计算或有限元仿真的方式获得，获得该变形量时，仅中间段的螺纹参与载荷加载分析，两端齿轮区域不进行加载分析。
[0064]
通过减小齿轮区域的螺纹中径，以减小螺纹接触点处的牙厚，保证了两侧齿轮区域18的螺纹牙侧与丝杠1、螺母3的螺纹牙侧之间存在一定量的间隙，改善了载荷在滚柱螺纹区域的均载分布状态，降低了两侧齿轮区域18的不连续螺纹牙承受的最大载荷，避免螺
纹因过载而失效破坏，提高了行星滚柱丝杠副的极限承载能力。
[0065]
如上所述的一种基于螺纹中径修型的小螺距行星滚柱丝杠副的滚柱，螺纹加工只需采用一种规格的成型圆弧螺纹刀即可进行车削螺纹，可以有效提高螺纹加工效率，尤其对于小螺距螺纹，修型螺纹的加工性较好，可以获得比螺纹磨削更好的尺寸精度。
[0066]
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
[0067]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
[0068]
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
[0069]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0070]
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。