滾珠蝸杆蝸輪副的製作方法

2023-05-24 07:05:36

本發明屬於機械傳動領域，廣泛應用於空間交錯兩軸之間的傳動，運動可以是減速或增速,最常見的是軸交角Σ=90度的減速運動，蹤跡遍布於各種各類機械之中，有重型動力傳輸,也常用於工作母機和精密儀器的精密分度傳動。

背景技術：

蝸杆蝸輪傳動在機械設備中應用非常廣泛，主要優點是傳動平穩，振動衝擊很小，噪音很低，結構簡單緊湊，傳動速比大，一次減速比一般為5～70，最大可達數百。

蝸杆傳動的主要缺點是：傳動過程中蝸杆螺牙與蝸輪螺牙側面的滑動摩擦力很大，造成發熱快、溫升高、能耗大、效率低，也是造成蝸杆蝸輪傳動失效的根本原因。為了保留蝸杆傳動的優點、又能克服其缺點，近幾十年來，不少人將滾動技術應用到蝸杆蝸輪傳動中，出現了多種類型的滾珠蝸杆蝸輪傳動方式，國家也授予了發明者十幾項專利權。

在已經提出的多項傳動方式中，最值得關注的還是外形滾道槽和現行蝸杆副相同的滾珠蝸杆副，其特徵是蝸杆蝸輪的外緣都設置有螺旋槽、槽的法向截面為單圓弧、雙圓弧、直廓槽（也有稱梯形），蝸杆外形有圓柱、也有環面，包絡方式有單包絡、也有雙包絡。同一副蝸杆蝸輪的螺旋槽截面尺寸相同，裝配時兩者槽口相對齊，組成多排螺旋管，管內布滿滾珠，兩者槽頂分布於滾珠中心兩側，蝸杆通過滾珠與蝸輪嚙合，蝸杆旋轉時由於螺旋側面的推壓作用，帶動滾珠旋轉滾動，滾珠在螺旋槽內旋轉時，其軸向移動分量必然帶動蝸輪做旋轉運動，用這種方式實現蝸杆蝸輪的滾動嚙合傳動，其原理與滾珠絲槓副有相同之處，目前雖無成熟產品，但可行性很高，成功機率很大，現有蝸杆蝸輪加工設備也基本能滿足需要。

目前的關鍵問題是滾珠的循環回流方式存在問題較多，缺乏實用性。因此，一些專利雖已公布十幾年到二十多年，迄今仍未投入實用，市場更無此類商品出售。

在此列出幾種已經公告的專利技術方案進行分析，探討其中滾珠循環回流方式的缺點和問題，這也是本發明提出時所直接面對的背景技術。

①公告號：CN1403726A 發明專利 滾珠蝸輪蝸杆傳動裝置

②公告號：CN102338195A 發明專利 一種滾珠蝸輪蝸杆傳動副

③公告號：CN2107567U 實用新型 滾珠蝸杆

④公告號：CN1039090A 發明專利 雙包環面滾珠蝸杆傳動

①②兩項專利都是滾珠在蝸輪內循環，兩者滾珠都是在蝸輪螺旋槽和兩側蓋板內的半圓形滾道槽及蝸輪內的軸向孔組成的通道內循環回流，不同的是第①項蝸輪兩側的端蓋外形是兩個半圓圈，圈的截面是凹形半圓槽，在整圈的半圓環槽徑向分成數量與蝸輪螺旋槽數相等的半圓槽，且裝配時相互對應，蝸輪兩側則是兩個凸形光滑半圓圈，頂面中間是螺旋槽，蝸輪兩側有兩排軸向孔，外圈是通孔，內圈是半圓通孔，文字說明內圈是滾道孔，圖形則清楚顯示外圈是滾道孔。第②項兩側端蓋是圓盤形，盤的一側平面也設有半圓形槽，蝸輪的滾珠循環通孔是一排（大件）或者兩排（小型蝸輪），蝸輪本身兩側面還設置徑向半圓形通道槽。

上述兩個文件的技術方案有如下缺點：

一、加工製造困難，生產成本高。蝸輪兩側與端蓋都採用半圓弧槽加工費時，工藝性不太好，特別是文件①中的端蓋，形狀特殊，又是薄殼件，生產中還需要配備專用工藝裝備，生產成本高。兩者都要求端蓋徑向滾道槽外端與蝸輪螺旋槽口對齊，內端與蝸輪內軸向滾道通孔對正，然而當端蓋蓋上後，這些槽端和軸向滾道通孔肉眼看不見，裝配時稍微偏一點都會引起滾珠進出障礙。同樣，文件②蝸輪兩側和端蓋都有徑向輻射狀半圓滾道槽，兩半圓槽的形狀位置誤差一定會要求很嚴，稍有偏差，或裝配時稍有錯位，槽口未對齊，不成正圓孔，必將造成滾珠流動障礙，甚至無法流動。還有軸向通道孔中心要求與蝸輪中心平行，然而蝸輪螺旋槽中心與蝸輪中心有一螺旋角，因此按照文件設計的兩側孔槽肯定對不上。

二、實用範圍被嚴格限定。文件①的技術方案將使蝸輪的軸向長度增加較多，再加上大圓弧端蓋，使得整體結構體積比現行蝸輪加大很多，應用範圍會受到影響。文件②的方案中圓盤形端蓋僅適用於該文件設定的圓弧深溝滾道蝸輪（這種圓弧深溝滾道直徑和滾珠相同，槽深大於滾珠半徑，開口小於滾珠直徑）。不適用於具有本案所述特徵的滾珠蝸杆蝸輪副，因為他的圓盤形端蓋邊緣只能到達滾珠最大直徑處，不能深入到蝸杆螺旋槽底部，無法引導滾珠循環回流。

文件③④都是滾珠在蝸杆內循環的方案，也都存在一些不足之處，例如：文件③的蝸杆內腔還增設一些附件，滾珠循環通道過於複雜，對傳動效率有不利影響,並且生產加工量增大，還需加大蝸杆直徑及一端的裝配尺寸。

文件④的滾珠循環方式中的第一種來自滾珠絲槓副，滾珠絲槓和螺母是整圓接觸，且有3～5列滾珠同時承載，由滾珠變軌而減少的受載滾珠數所佔比例很少，對絲槓副的承載能力影響很小，而蝸杆上的滾珠所受的離心力不利於變軌運動，這和滾珠絲槓正好相反，因此必須減小變軌傾斜角度，增大變軌長度，而蝸輪上的螺旋槽很短，由於變軌而造成承載能力的降低不可小視，第二種循環回珠即插管式將造成的承載能力損失比第一種還大，這是蝸杆設計者很難接受的方案。第三種循環方式即鍵式回珠器看起來理論上較好，但蝸杆要分成蝸杆套與蝸杆兩件，蝸杆直徑增加較大，而蝸杆軸的剛度不好，蝸杆套與鍵的位置未有效固定。

還有些技術方案對蝸杆的工作轉速很高（一般都在1000r/min以上）注意不夠，滾珠循環運動的可靠性、安全性隱患較大，也有些設計工藝性不好，有些甚至無法加工製造。

所有滾珠在環面蝸杆中循環回流的已有專利，都忽略了一個重要事實：環面蝸杆螺旋槽到蝸杆中心的半徑是兩端大，中間小，因此槽內滾珠移動的線速度便是中間慢，兩頭快。工作前螺旋槽內布滿滾珠，蝸杆旋轉時會出現這種現象：中點以前的滾珠越往前移動速度越快，如果前面無阻擋，則滾珠間的距離也越往前越大；相反，由於中點滾珠移動速度最慢，中點以後也應是越往後移動速度越快，但有前面滾珠的阻擋不能前移，因此必然出現後半段滾珠的緊貼擠壓，並導致蝸杆-滾珠-蝸輪之間不能實現純滾動摩擦，必然伴生滑動摩擦，從而增大能耗，降低傳動效率。

技術實現要素：

本發明的內容和目的就是針對滾珠蝸杆蝸輪傳動中的關鍵技術——滾珠循環回流途徑和方法提出幾種結構簡單、加工方便、工作安全可靠的方案和措施，以滿足不同類型和用途的需要。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種滾珠蝸杆蝸輪副，其滾珠通過安裝在蝸輪兩側的弧形鉤齒導向盤、徑向滾道槽、調向弧面、軸向滾道通孔組成的環形通道，實現在蝸輪內循環；蝸輪每一螺旋槽的滾珠都有一個獨立的循環通道，弧形鉤齒導向盤周邊的弧形鉤齒數量與蝸輪螺旋槽數相等，弧形鉤齒的齒尖在螺旋槽埠中心線上；蝸杆蝸輪裝配後，弧形鉤齒的齒尖伸入到蝸杆螺旋槽底部、蝸輪螺旋槽埠中心蝸輪埠平面下方約半個滾珠處，弧形鉤齒導向盤的環形平面與蝸輪側面的V形徑向滾道槽構成滾珠的徑向通道，供滾珠通過而不會從旁邊掉出，蝸杆旋轉時，滾珠隨蝸杆推動蝸輪旋轉的同時快速沿蝸輪螺旋槽移動，當脫離嚙合區後，在離心力作用下，沿著脫離點弧線的切線方向往外飛，此時弧形鉤齒因勢利導順利地將滾珠導入循環通道；此種滾珠循環回流方式適用於環面、柱面蝸輪和直齒、斜齒平面齒蝸輪；螺旋槽截面形狀可為單圓弧、雙圓弧或直廓槽形。

優選地，蝸輪兩側的徑向滾道槽的法向截面是中間帶退刀槽的V型槽，直廓槽線，分長短兩種，呈輻射狀分布，長短交錯排列，徑向滾道槽的外端與螺旋槽埠對接，徑向滾道槽的中心線在螺旋槽埠中心點與蝸輪中心的連線上，內端與軸向滾道通孔相接，軸向滾道通孔分列在兩個與蝸輪軸心同心的圓上，外同心圓的孔與短徑向滾道槽相連，內同心圓上的孔與長徑向滾道槽相接，軸向滾道通孔的中心在同心圓線與徑向滾道中心線的交點上，蝸輪螺旋槽在蝸輪上有一螺旋升角，因而軸向滾道通孔是不與蝸輪軸線平行的斜孔；蝸輪螺旋槽兩端和軸向滾道通孔兩端與徑向滾道槽交接處都作了過渡圓弧。

優選地，安裝在蝸輪兩側的弧形鉤齒導向盤的圓周上分布了與蝸輪螺旋槽數相等的弧形鉤齒，導向盤的中央是一個裡大外小的弧形收縮錐體，在弧形鉤齒與弧形收縮錐體之間是一環形平面；導向盤的環形平面與蝸輪側面的V形徑向滾道槽構成滾珠的徑向通道，在短徑向滾道槽內移動的滾珠會在弧面調向塊的引導下進入軸向滾道通孔，在長徑向滾道槽內移動的滾珠會在導向盤的弧形收縮錐面的引導下進入軸向滾道通孔，從軸向通孔到達蝸輪另一側面後，對面導向盤的弧面調向塊和弧形收縮錐面引導滾珠沿著對面的徑向通道前行經弧形鉤齒進入蝸杆蝸輪的螺旋槽，完成循環流動；弧形鉤齒導向盤按加工方法分為機械切削加工型和簿板衝壓成型。

本發明的技術方案產生的積極效果如下：

一、上述滾珠循環方案，涵蓋了各種類型滾珠蝸輪副的需求，能滿足生產使用的需要；

二、避免了現行滑動摩擦的缺陷，實現完整的高質量的滾動傳動，為大幅提高滾珠蝸輪的傳動效率、節約能耗尋找了一條可行的途徑。

三、循環回流方案，具有結構簡單、生產加工方便、不需研製增添任何新型設備，製造成本低廉。

四、完全省去大量有色金屬銅鋅鎳的使用，蝸輪完全採用價格比銅合金便宜數倍的鋼材製造，不僅可以降低生產成本，還可提高承載能力、延長使用壽命。

附圖說明

圖1是滾珠通過安裝於蝸輪兩側的弧形鉤齒導向盤、蝸輪兩側的徑向滾道槽和軸向滾道通孔，實現在蝸輪內循環的滾珠蝸杆蝸輪副的裝配圖，是滾珠在蝸輪內循環的另一種方式。

圖中：1-蝸杆，3-蝸輪，2-滾珠，11-弧形鉤齒導向盤，12-弧面調向塊，13-調向塊固定螺釘，14-弧形鉤齒導向盤固定螺釘，4-防護罩.

圖2是圖1中的蝸輪結構型式圖，圖中顯示出蝸輪兩側徑向滾道槽和軸向滾道通孔的位置關係及形狀特點。7-徑向滾道槽；5、蝸輪螺旋槽；6-軸向滾道通孔。

圖3是弧形鉤齒導向盤，用來引導滾珠循環回流的導向件。有兩種型式。（a）是機械切削加工成型件；（b）是薄板衝壓成型。前者適用於單件小批量生產，後者適用大批量生產。

圖4是圖1中弧面調向塊12的示意圖，用來引導滾珠調換方向。

具體實施方式

一種滾珠蝸杆蝸輪副，如圖1、2、3、4所示，其滾珠通過安裝於蝸輪兩側的弧形鉤齒導向盤11、蝸輪本體兩側的徑向滾道槽7及槽內端的弧面調向塊12（與短徑向槽相配）、或弧形收縮錐弧面（與長徑向槽相配）、軸向滾道通孔6實現在蝸輪內循環（圖1）。弧形鉤齒導向盤11是用弧形鉤齒導向盤固定螺釘14固定於蝸輪兩側，弧面調向塊12則是使用調向塊固定螺釘13安裝固定，特徵是蝸輪本體在兩側製作了徑向滾道槽（圖2）。槽的法向截面是中間帶退刀槽的V型直廓槽面,高度小於滾珠半徑，開口小於蝸輪螺旋槽5的寬度，分長短兩種，呈輻射狀分布。長短交錯排列。槽的外端與螺旋槽口相連，槽的中心線在埠中心點與蝸輪軸心的連線上，內端與軸向滾珠通孔相接，軸向滾道通孔分列在兩個與蝸輪軸心同心的圓上，外同心圓上的孔與短徑向滾道槽相連，內同心圓上的孔與長徑向滾道槽相連，軸向滾道通孔的中心在同心圓線與徑向滾道中心線的交點上。

所述的弧形鉤齒導向盤安裝於蝸輪兩側（圖3），圓周分布了與蝸輪螺旋槽數相等的彎曲的弧形鉤齒，鉤齒中心對正螺旋槽埠中心，齒尖在螺旋槽埠中心埠平面下方約半個滾珠處，導向盤的中心是一個裡大外小的弧形收縮錐體，兩者之間是環形平面，環形平面和蝸輪上的徑向V型滾道槽構成滾珠的徑向通道，短徑向通道和內側軸向滾道通孔的埠，用調向塊固定螺釘13安裝固定了弧面調向塊12，長徑向通道和內側軸向滾道通孔埠緊貼導向盤的弧形收縮錐，蝸輪另一側的同樣位置也有同樣功能零件，此兩件的作用是引領滾珠進出軸向滾道通孔。

具有上述結構特徵的滾珠蝸杆蝸輪副，當蝸杆旋轉時，驅動力帶動滾珠推動蝸輪旋轉的同時，滾珠也沿著螺旋線往埠移動，當滾珠脫離蝸輪螺旋槽嚙合區後，在離心力的作用下沿著脫離點圓弧切線方向飛出，此時弧形鉤齒已伸入到蝸杆螺旋底部滾珠的側面，便能因勢利導順利地將滾珠導入徑向通道，經弧面調向塊或導向盤的弧形收縮錐的引導進入軸向滾道通孔，到達孔的另一端後在前述兩功能零件的引導下進入徑向通道，然後進入蝸輪螺旋槽，完成滾珠的循環回流。

蝸輪的外圓周設有防護罩4，確保滾珠不掉出，防護罩由兩個半圓環組成，其中一個半圓環開有缺口，以便蝸杆進入與蝸輪嚙合，防護罩可固定在箱體底部（立式輸出）或者固定於箱體側壁上，用於蝸輪臥式安裝。

所述一種滾珠蝸杆蝸輪副，滾珠通過蝸輪兩側的弧形鉤齒導向盤在蝸輪內循環，其弧形鉤齒導向盤圓周分布了與蝸輪螺旋槽數相等的弧線鉤齒，導向盤之導向面由外端的弧形鉤齒內弧面、環形內平面、盤中心的弧形收縮錐體組成。生產加工比較簡單，若是單件小批量生產可按照圖3(a)製造，毛坯可鑄造，機加工車銑即可完成；若是較大批量生產可按圖3(b)用薄板衝壓成型即可，成本低廉。

此種滾珠在蝸輪內循環的方式，適用於圓柱、環面蝸輪和直齒、斜齒的平面齒蝸輪，蝸輪螺旋槽的截面型式可為單圓弧、雙圓弧或直廓槽型等。