CN100487278C - 滚珠螺旋装置 - Google Patents

Abstract

一种滚珠螺旋装置，包括：螺母件，该螺母件在内圆周表面上具有螺旋式螺纹槽并在轴向方向上延伸；螺杆轴，该螺杆轴在外周边表面上具有与上述螺纹槽相对应的少于一圈的多个螺纹槽、以及连接每个螺纹槽的上游侧和下游侧的多个滚珠循环槽，并且在轴向方向上延伸；以及夹在螺纹槽之间的多个滚珠；其中所述滚珠循环槽设置成使得它们在圆周方向上相对于彼此偏移；其特征在于，其中所述滚珠循环槽还被弯曲成在滚珠滚动方向上的两端区域径向地向外扩张，而且通过使两端区域中的滚珠质心和螺纹槽中的滚珠质心交叉而形成的角度(β)设定为大于0度而不大于30度。

Description

滚珠螺旋装置

技术领域

本发明涉及一种滚珠螺旋装置，用于在高速或者在重负荷或者其它类似条件下操作的输送机械和其它工业机械和设备。更具体地说，本发明涉及一种适用于在重负荷下需要高硬度、长寿命和快速输送的情况下的滚珠螺旋装置。

背景技术

滚珠螺旋装置包括螺杆轴和螺母件，螺杆轴具有位于外周边表面上的螺旋式螺纹槽并在轴向方向上延伸，螺母件在内周边表面上具有与上述螺纹槽相对应的螺纹槽。螺母和螺杆轴结合。用做滚动体的多个滚珠在螺纹槽之间可转动地被加载。该装置被构造成使螺母件或者螺杆轴的转动引起螺母件或者螺杆轴通过滚珠的滚动而在轴向方向上移动，从而使整个滚珠螺旋装置展开或者收缩。

上述公开的滚珠螺旋装置使用了返回管(参见日本专利申请公开号JP07—253146)或者循环件(参见日本专利申请公开号JP2000—18360)，防止滚珠滑出螺纹槽并在展开和收缩操作期间使滚珠无休止地循环。但是，在上述滚珠螺旋装置中，用于无休止循环的诸如返回管、循环件之类的特殊部件影响着制造成本。

发明内容

本发明所述的滚珠螺旋装置包括：螺母件，该螺母件在内圆周表面上具有螺旋式螺纹槽并在轴向方向上延伸；螺杆轴，该螺杆轴在外周边表面上具有与上述螺纹槽相对应的少于一圈的多个螺纹槽、以及连接每个螺纹槽的上游侧和下游侧的多个滚珠循环槽，并且在轴向方向上延伸；以及夹在螺纹槽之间的多个滚珠；其中所述滚珠循环槽设置成使得它们在圆周方向上相对于彼此偏移；其特征在于，其中所述滚珠循环槽还被弯曲成在滚珠滚动方向上的两端区域径向地向外扩张，而且通过使两端区域中的滚珠质心和螺纹槽中的滚珠质心交叉而形成的角度

设定为大于0度而不大于30度。

优选地，滚珠循环槽弯曲以使在滚珠的滚动方向的中间区域向内径向下沉。优选地，滚珠循环槽被设置成它们的轴向凸起不叠置。

不需使用返回管或者循环件，具有上述构造的滚珠螺旋装置就允许滚珠根据螺杆轴和螺母件相对于彼此的转动而无休止地循环。因此，不使用诸如返回管或者循环件之类的贵重部件，因此降低了制造成本。进一步地，滚珠循环槽设置成相对于彼此相互偏移，减少了非负载区域，而且进而提高了滚珠螺旋装置的负载支撑刚度。

附图说明

随附于说明书的附图有助于说明本发明的实施例。

图1是关于本发明的最佳方式的滚珠螺旋装置的垂直横向剖视图；

图2所示的垂直横向剖视图图示出处于螺母件从图1所示的状态进行移动情况下的滚珠螺旋装置；

图3是滚珠螺旋装置的分解透视图；

图4是滚珠螺旋装置的放大的局部横向剖视图；

图5是滚珠螺旋装置的主要部分的放大的侧视图；

图6是滚珠螺旋装置的主要部分的放大的正视图；

图7是滚珠螺旋装置的线性图解；

图8是关于本发明的另一实施例的滚珠螺旋装置的放大的局部横向剖视图。

具体实施方式

将参照附图解释关于本发明的一种实施例的滚珠螺旋装置。图1图解的滚珠螺旋装置处于这样的状态，其螺母件2移动以与固定侧的螺杆轴3最大程度地重叠。图2图解的滚珠螺旋装置处于这样的状态，其螺母件2移动以与固定侧的螺杆轴3最小程度的重叠。图3图解处于分解状态的滚珠螺旋装置。

在图1至3中，1表示整个滚珠螺旋装置，而且这种滚珠螺旋装置1包括螺母件2。螺母件2包括单一连续的螺旋螺纹槽21，螺纹槽21在从附图所示的左边基部侧向附图所示的右边自由端延伸的内周边表面上具有规定的引导角。螺母件2形成为圆筒形，其在基部侧的外周边表面上具有锯齿23。

螺杆轴3与螺母件2同轴设置并且设置在螺母件2的径向内侧，而且在轴向方向上短于螺母件2。螺杆轴3形成为圆筒形，并具有形成在基部侧上的螺纹槽形成部35a、形成在自由端侧的小直径部35b、以及形成在二者之间的台阶壁表面36。

在螺杆轴3的螺纹槽形成部35a的外周边表面上，设有两个螺纹槽31、32。螺纹槽31和32具有小于一个完整圈的螺纹长度而且具有与螺母件2的螺纹槽21的引导角度相同的引导角度。螺纹槽的外周边表面具有滚珠循环槽33和滚珠循环槽34，滚珠循环槽33连接螺纹槽31的两端，滚珠循环槽34连接螺纹槽32的两端。

螺纹槽31、32设置成在圆周方向上彼此之间保持相同的距离。螺母件2的螺纹槽21和螺杆轴3的螺纹槽31、32具有哥特式(Gothic)弧形截面。螺纹槽21、31和32可具有半园形或者其它凹槽形状。

在螺杆轴3的小直径35b的外周边表面上，形成圆周槽35c。在螺杆轴3的内周边表面的轴向方向的中间部位，形成向内径向突出的环形增强部3a。螺杆轴3固定在结合有滚珠螺旋装置1的机械的壳体内(附图中未示出)。在上述结构中，螺母件2设置成可相对于螺杆轴3可转动而且在轴向方向上可移动。大量的滚珠4以与螺纹槽31和螺纹槽32相等的配置方式设置。

保持件5为薄壁式圆筒，其在圆周方向上具有等距离形成在其上的开口(pocket)51。开口51容纳滚珠4，从而使滚珠成两行并彼此互不干涉。保持件5在自由端侧具有径向向内指向的凸缘52。凸缘52与螺杆轴3的小直径部35b结合，而且设置成这样的状态，即在此与螺杆轴3的台阶壁表面36和小直径部35b的圆周槽35c互锁的保持环10允许在轴向方向上稍微动作。

采用上述结构，保持件5在与螺杆轴3相对的轴向方向上几乎不可移动，但允许一前一后的转动。

托架8包括在径向向内的方向上彼此平行且相对的外圆筒81和内圆筒83。托架8在基部侧具有一体地连接圆筒81、83的环形板84。托架8包括装配进入内圆筒83的滚动轴承(附图中未示出)，并且通过滚动轴承由插入在螺杆轴3的中心孔中的心轴可转动地进行支撑。

齿轮9通过减速齿轮与诸如电动机(附图中未示出)之类的转动动力源结合。齿轮9通过在托架8的外圆筒81的外圆周表面上注塑树脂模而与托架8一体地模制而成。

在外圆筒81的内表面上，旋入螺母件2。在外圆筒81的内周边表面上，形成锯齿82。锯齿82与锯齿23结合，该锯齿23在螺母件2的外周边表面上形成在旋入方向的内侧。这样，托架8和螺母件2彼此连接，从而作为一个单元转动。

将参照图4至图7解释滚珠循环槽33、34。在下面的解释中，滚珠从滚珠循环槽33、34滚动出来的螺纹槽31、32的那一侧称作滚珠循环槽33、34的方位的上游侧。滚珠滚入滚珠循环槽33、34的螺纹槽31、32的那一侧称作滚珠循环槽33、34的方位的下游侧。

螺纹槽31和滚珠循环槽33形成滚珠在其内滚动而且无休止循环的闭合回路。螺纹槽32和滚珠循环槽34形成另一个滚珠在其内滚动而且无休止循环的闭合回路。

图4中，螺纹槽31、32由实线示出，该实线表示位于附图中所示前侧的螺杆轴3的外周边表面的半部分。虚线表示与其相对的半部分。在其内滚动的滚珠4由实线和虚线类似的示出。

图5示出用于解释目的的放大的滚珠循环槽33、34。图6是从侧部看去图5所示的滚珠循环槽33的附图，用于解释滚珠相对于滚珠循环槽33从上游向下游的滚动情况。

下面将解释滚珠4的循环情况。当螺母件2环绕轴转动时，每行的滚珠4独立地在螺纹槽21和螺纹槽31、32之间循环。滚珠循环槽33、34使滚珠4从下游侧滚入，从而依次径向向内下沉滚动，进而将它们返回至上游侧。这样，滚珠循环槽33、34弯曲，以向内下沉，形成为从下游侧向上游侧的蜿蜒形状。

螺纹槽21和螺纹槽31、32组成负载区域。该负载区域承载负载，以相对于螺杆轴3移动螺母件2。与其相对照，滚珠循环槽33、34组成非负载区域。

将根据滚珠4的质心C解释滚珠循环槽33、34的具体形状。由于滚珠循环槽33、34具有相同的形状，因此只解释滚珠循环槽33的形状。螺纹槽31与该滚珠循环槽33一起工作。

首先，为了使滚珠4从滚珠循环槽33、34的上游侧平稳滚入、或者平稳滚出下游侧，优选将占用角(occupation angle)θ 1设定地足够大。占用角θ 1是这样形成的角度，1)由螺纹槽31中的滚珠4的质心C限定的大弧R1和滚珠循环槽33的端部中的滚珠4的质心C限定的小弧R2之间的交点K(有一个上游交点K和一个下游交点)，以及2)大弧R1的曲率中心P1。

通过使滚珠4向内下沉，滚珠循环槽33使滚珠4从下游侧返回至上游侧。这样，滚珠4不能在滚珠循环槽33内承受推力(thrust)负载或者径向负载。为了放大负载区域，优选减小占用角θ 1(与滚珠循环槽33的侧部凸起的周长相对应)，以缩短滚珠循环槽33。

在上面，存在放大占用角θ 1以改进滚珠4的循环和减小占用角θ 1以改进负载容量的冲突要求。考虑所给出的这种要求来确定滚珠循环槽33的形状。滚珠循环槽33的倾斜角度为轴向方向D和滚珠循环槽33中的滚珠4的质心C交叉形成的角度，该轴向方向D是螺母件2的移动方向。倾斜角a设定为不小于40度而且不大于60度。

倾斜角a越大，例如为60度，滚珠循环槽33中的滚珠4滚动的距离变得越长。相应地，占用角θ 1变得越大。因此，当倾斜角a做得很大时，降低了作用在滚珠循环槽33中滚动的滚珠4上的滚动阻力，改进了滚珠4的操作平稳性。但是，如上所述，这也意味着负载区域的减少和滚珠螺旋装置1的负载容量(承受推力负载或者径向负载的能力)的降低。

倾斜角a越小，例如为45度，滚珠4在滚珠循环槽33中的滚动距离变得越短，增加了负载容量。但是，增加了作用在滚珠4上的滚动阻力，降低了滚珠4的操作平稳性。

由于这种原因，考虑到倾斜角a制造地很大的事实，滚珠4的操作平稳性得到改进，但占用角θ 1增加了。相应地，负载容量降低。通过将倾斜角a在上述范围内(不小于40度且不大于60度)设定地尽可能小，占用角θ 1制作地尽可能小，以提高负载容量。

对于滚珠4的平稳滚动，螺纹槽31和滚珠循环槽33必须松散连接。如图5所示，螺纹槽31和滚珠循环槽33之间连接截面具有下述曲率，以使处于连接截面中的滚珠4的质心C的曲率半径至少为滚珠4的直径的1.8倍。采用这种弯曲形状，当滚珠4滚入滚珠循环槽33或者当滚珠4滚出滚珠循环槽33时，作用在滚珠4上的滚动阻力降低，而滚珠4的滚动变得更加平稳。相应地，磨损阻力提高。

如图6所示，滚珠循环槽33形成为弯曲形状(凹陷的弯曲形状)，从而使滚珠4的滚动方向上的中间区域径向下沉。循环槽33还形成为弯曲形状(凸起的弯曲形状)，从而使滚珠4的滚动方向上的两端区域在径向方向上向外扩张。通过在滚珠循环槽33的滚动方向上的两端区域中滚动的滚珠4而限定的质心C和通过在螺纹槽31中滚动的滚珠4而限定的质心C以规定的角度β交叉。

位于上述交点K的角度β是通过使正切于大弧R1的第一线Y和正切于小弧R2的第二线Z交叉而形成的角度。角度β设定为大于0度且不大于30度，优选为20度或者更小。如果小弧R2的曲率中心P2处在从大圆弧R1的曲率中心P1穿过交点K延伸的直线G上，则交叉角度β变成0。

通过将交叉角度β设定在规定角度内，当滚珠4滚入滚珠循环槽33或者滚出滚珠循环槽33时滚珠4在径向方向上的位移可能降低。相应地，滚珠4平稳滚入或者滚出。当交叉角度β设定为大于30度时，螺纹槽31和滚珠4在径向方向上的位移变得太大。大的位移不是优选的。

滚珠循环槽33是滚珠4不承受负载的区域。通过使这种区域尽可能小，使负载容量尽可能大，而且作用在滚珠循环槽33中滚动的滚珠4上的滚动阻力变得尽可能小。这样，滚珠4的滚动制作地很平稳。上述类似地应用于其它滚珠循环槽34。

如上所述，滚珠循环槽33、34是滚珠4不承受负载的区域。这样，如果滚珠循环槽33、34设置成彼此相对偏移，从而使它们不在圆周方向(螺纹槽方向)上叠置，则不存在非负载区域。换句话说，在圆周方向上没有叠置意味着两个滚珠循环槽33、34设置成轴向凸起的区域没有彼此叠置的部分。

下面将详细解释滚珠循环槽33、34之间的关系。在一个滚珠循环槽33中，附图中顶部处的交点K是滚珠循环槽33的起始点K1。指向附图底部的交点K是滚珠循环槽33的端点K2。指向附图顶部的交点K是滚珠循环槽34的起始点K3，而指向附图底部的交点K是滚珠循环槽34的端点K4。

在此情况下，一个滚珠循环槽33的端点K2和另一滚珠循环槽34的起始点K3只分开规定的间距B，该间距B在圆周方向上具有大于0的距离。换句话说，一个滚珠循环槽33和另一滚珠循环槽34设置成使它们在圆周方向上彼此分开。

从滚珠循环槽33的起始点K1至端点K2的滚道与从滚珠循环槽34的起始点K3至端点K4的滚道具有相等的长度。

如图7所示，在此情况下，当滚珠循环槽33、34在轴向方向上凸出时，在滚珠循环槽33、34的各自的占用角θ 1之间，存在具有与规定的间距B相对应的角度θ 2的区域。这种区域是螺纹槽31、32叠置的负载承受区域。进一步地，一个滚珠循环槽33和另一螺纹槽32在占用角θ 1的轴向突出区域内叠置，而另一滚珠循环槽34和一个螺纹槽31在占用角θ 1的轴向突出区域中叠置。由于存在与螺纹槽31、32的两个截面相对应的区域，因此由占用角θ 1表示的区域为负载承受区域。这样，在滚珠螺旋装置1的圆周方向上将不存在非负载承受区域。

下面将解释具有上述结构的滚珠螺旋装置1的操作过程。首先，驱动电动机(附图中未示出)，使齿轮9转动。于是，托架8和螺母件2都环绕轴中心转动。

此时，在螺母件2转动的同时，螺母件2被螺杆轴3引导并在轴向方向上线性地移动。这样，螺母件2从图1所示的状态移动至图2所示的状态。当电动机沿相反的转动方向被驱动时，沿与上述方向相反的方向转动的螺母件2在另一轴向方向上移动。这样，螺母件2从例如图2所示的状态移动至图1所示的状态。这样，当螺母件2在轴向方向上往复移动时，螺母件2和螺杆轴3的叠置范围产生改变。

当螺母件2和螺杆轴3叠置的范围改变时，在每行滚珠4之间，螺纹槽31、32的下游侧上的滚珠4移向滚珠循环槽33、34。滚珠4依次被提供到滚珠循环槽33、34，从而径向向内下沉向螺杆轴3。每个滚珠独立地无休止地循环，返回到螺纹槽31、32的上游侧。

本发明被构造成在螺杆轴3上彼此相邻地轴向设置的每个螺纹槽31、32形成独立的闭合回路。使滚珠组4在这些闭合回路中滚动地循环。由于本发明不使用循环件，取而代之地在螺杆轴3中提供滚珠循环槽33、34，因此与传统技术相比使用了较少的部件。

采用本发明，不需要形成用于将循环件连接至螺母件2或者组装循环件的通孔。因此，制造成本下降。

本发明不需要象传统技术那样针对循环件对齐滚珠循环槽和螺纹槽。因此，避免了由于位移等引起的允许质量的下降。

进一步地，负载承受区域如下：与滚珠循环槽33、34的占用角θ 1之间的规定间距B相对应的角度θ 2的区域；位于所述一个滚珠循环槽33和另一个螺纹槽32中的占用角θ 1的轴向凸起区域；以及另一个循环槽34和所述一个螺纹槽31中的占用角θ 1的轴向凸起区域。

因此，在本发明中，虽然其包括滚珠循环槽33，但在螺母件2和螺杆轴3的圆周方向上不存在非负载承受区域。因此，防止了滚珠螺旋装置1的负载容量下降。

进一步地，采用本发明，通过减少螺母件2和螺杆轴3的轴向方向的尺寸并使外径很大，可降低在圆周上存在滚珠循环槽33、34的区域的角度q1的范围。因此，减少了滚珠循环槽33、34中的滚珠4的数量。由此，可允许更可靠地禁止负载容量的降低。

在利用螺杆轴3中的各自滚珠循环槽33、34其中每一个都形成独立闭合回路的螺纹槽31、32中，随着它们滚动地循环，滚珠4被保持件5引导。这样，平稳地引导螺母件2的螺旋运动。而且，滚珠4可靠地防止螺母件2在规定的行程(stroke)范围内往复时滑脱。

本发明可被构造成根据滚珠螺旋装置1的轴向方向上的长度而设置两个或者多个螺纹槽。在此情况下，形成在每个螺纹槽中的滚珠循环槽被构造成它们设置为在圆周方向上彼此偏移，从而在轴向方向上不叠置。这样的构造允许滚珠螺旋装置1具有穿过整个圆周方向的负载承受区域，减少了负载容量的下降。

可供选择地，本发明可构造成如图8所示。在此实施例中，滚珠循环槽33的起始点K1和端点K2、与滚珠循环槽34的起始点K3和端点K4被选择成，以使一个滚珠循环槽33和另一个滚珠循环槽34的轴向方向的突出区域部分地叠置。在此情况下，滚珠循环槽33、34彼此叠置的截面为非负载承受区域。但是，在所有其它截面中，将存在螺纹槽31、32中任何一个的一部分。这些其它截面将组成负载承受区域。

这样，与滚珠循环槽33、34在槽方向上完全叠置的情况相比较，非负载承受区域降低。

本发明也可被构造成一个滚珠循环槽33和另一个滚珠循环槽34设置为从彼此偏移，从而使它们在圆周方向上彼此接近。当滚珠循环槽33、34制作成彼此靠近时，将形成滚珠循环槽33、34彼此互不干涉的方式。即便滚珠循环槽33、34在圆周方向上偏移使其彼此接近，当与设置滚珠循环槽33、34的情况相比较，非负载承受区域减少。因此，轴向凸起区域完全叠置，滚珠螺旋装置1的负载支撑刚性总体上得到提高。

本发明的滚珠螺旋装置可应用在高速或者重负载下操作的输送机械、其它工业机械和设备。

不偏离其精神实质或者必要技术特征，可以其它具体形式实现本发明。所述的实施例在所有方面都被认为是示例性的而不是限制性的。因此，本发明的保护范围由随附权利要求书和其整体或者部分来表述，而不是上述说明书来表示。在权利要求书的等同含义和保护范围内的所有改变都包含在其保护范围之内。

Claims (7)

1.一种滚珠螺旋装置，包括：

螺母件，该螺母件在内圆周表面上具有螺旋式螺纹槽并在轴向方向上延伸；

螺杆轴，该螺杆轴在外周边表面上具有与上述螺纹槽相对应的少于一圈的多个螺纹槽、以及连接每个螺纹槽的上游侧和下游侧的多个滚珠循环槽，并且在轴向方向上延伸；以及

夹在螺纹槽之间的多个滚珠；

其中所述滚珠循环槽设置成使得它们在圆周方向上相对于彼此偏移；其特征在于，其中所述滚珠循环槽还被弯曲成在滚珠滚动方向上的两端区域径向地向外扩张，而且通过使两端区域中的滚珠质心和螺纹槽中的滚珠质心交叉而形成的角度(β)设定为大于0度而不大于30度。

2.如权利要求1所述的滚珠螺旋装置，其特征在于：

所述滚珠循环槽弯曲以使在滚珠的滚动方向的中间区域向内径向下沉。

3.如权利要求2所述的滚珠螺旋装置，其特征在于：

所述滚珠循环槽被构造成螺母件的移动方向和滚珠循环槽中的滚珠的质心相交叉处的角度设定成不小于40度而且不大于60度。

4.如权利要求2所述的滚珠螺旋装置，其特征在于：

所述滚珠循环槽和螺纹槽之间的连接部形成为弯曲形状，从而使滚珠的质心的曲率半径为滚珠直径的至少1.8的系数。

5.如权利要求1所述滚珠螺旋装置，其特征在于：

所述滚珠循环槽设置成使轴向投影不相互叠置。

6.如权利要求5所述的滚珠螺旋装置，其特征在于：

所述滚珠循环槽的数量为两个，而且一个滚珠循环槽的端点和另一个滚珠循环槽的起始点在圆周方向上分开规定的距离。

7.如权利要求6所述的滚珠螺旋装置，其特征在于：

从两个滚珠循环槽的起始点至端点之间的滚道距离相等。

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