一种行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构

技术领域

本发明涉及机械传动技术领域，具体涉及一种行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构，结合行星齿轮传动与行星滚柱丝杠传动特征，实现常规丝杠螺距设计下的超小输出导程传动需求。

背景技术

行星滚柱丝杠是一种通过多个滚柱与丝杠及螺母之间曲面啮合传递动力和运动的精密传动机构和滚动功能部件。行星滚柱丝杠相对于滚珠丝杠具有更小的输出导程，作为机电伺服系统的执行机构，能够大幅提升其功率密度，可取代大推力液压、气动伺服系统，彻底解决“跑、冒、滴、漏”问题，这对于显著提高机械装备的运行效率和降低维护费用、促进全电化智能装备的迅猛发展和推动低碳环保型经济发展具有深远意义。

随着超高速电机的发展，以及小体积大推力机电作动器的应用需求，对行星滚柱丝杠输出导程提出了更小的要求。然而，螺纹螺距过小，除了会增加设计和加工难度，也会降低螺纹牙的承载能力。因此，亟需研发一种能够在常规丝杠螺距设计下的实现超小输出导程的传动机构。

W.J.Roantree在1968年发明了一种差动式行星滚柱丝杠传动机构(US 3406584)能够实现小导程输出，但是该传动机构采用边缘接触传递轴向载荷，承载能力有限，且未考虑丝杠和滚柱以及螺母和滚柱之间的限滑。Yousef Hojjat于2009年发表在Mechanism andMachine Theory期刊上的《A comprehensive study on capabilities and limitationsof roller-screw with emphasis on slip tendency》论文，详细介绍了滚柱与丝杠啮合时，滚柱沿丝杠的轴向位移和滚柱与丝杠螺纹参数之间的关系，奠定了利用大导程螺纹啮合组合获得较小输出导程的理论基础，且作者指出论文中的输出导程计算公式是基于纯滚动假设。当丝杠和滚柱之间完全为纯滑动时，即滚柱不绕其轴线旋转，丝杠和滚柱组合机构输出导程等于丝杠导程。

专利“微小导程差动式行星滚柱丝杠、装配工装以及装配方法ZL

202211027851.6”利用差动式行星滚柱丝杠结构，并结合《A comprehensivestudy on capabilities and limitations of roller-screw with emphasis on sliptendency》的试验方案，给出了一种微小导程的行星滚柱丝杠结构，并未解决丝杠和滚柱之间的滑动问题，也未说明若丝杠和滚柱存在滑动状态下该机构的导程输出特性。

专利“一种定传动比行星滚柱丝杠伺服装置ZL 201110337085.9”是针对标准式行星滚柱丝杠的一种改良，然而对于标准式行星滚柱丝杠，无论滚柱在运动过程中有无滑动，都能够保持恒定的导程和定传动比，因此该发明专利无法给出其输出导程和丝杠滚柱螺纹参数以及各个齿轮参数之间的关系式。

专利“具有微小导程的滚柱丝杠结构ZL 202111612051.6”与专利“一种定传动比行星滚柱丝杠伺服装置ZL 201110337085.9”相似，也是基于标准式行星滚柱丝杠传动的改进，将标准式行星滚柱丝杠中的滚柱螺纹旋向反置。专利“具有微小导程的滚柱丝杠结构ZL202111612051.6”虽然进行了复杂的数学推导，但忽略了若保证滚动滚柱在各个时刻下同时与丝杠和螺母螺纹保证正确啮合，需要螺母头数等于螺母与滚柱中径比值，且滚柱和螺母螺纹旋向相同的关键结构约束条件。

综上，为了获得一种能够在常规丝杠螺距设计下的实现超小输出导程的传动机构，国内外学者均做出了积极的尝试和研究。然而，依然存在丝杠和滚柱间滑动现象考虑不足、滚柱和螺母装配和受力关系阐述不清、缺乏输出导程计算公式以及输出导程和齿轮参数关系不清等问题。差动式行星滚柱丝杠及其类似结构专利，存在滚柱和丝杠间滑动速度不固定，且输出位移量受螺母负载和丝杠转速等应用工况，以及预紧力和润滑摩擦等内部状态影响的弊端。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构，实现恒定的超小导程轴向位移输出，本发明提供了一种行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构。

与现有差动式行星滚柱丝杠不同，本发明在结构上实现了行星齿轮系与滚柱丝杠传动的耦合，使得滚柱自转与公转速度比值，以及滚柱公转速度和螺母旋转速度比值均为定值，功能上实现了远小于丝杠螺纹导程的恒定输出导程，且输出导程不受螺母负载和丝杠转速等应用工况，以及预紧力和润滑摩擦等内部运行状态影响。本发明螺母旋转输入和丝杠轴向输出的方式，使得该机构更适应于高功率密度、高精度、小体积和大负载机电作动器应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构，包括图内齿圈、行星齿轮固定螺钉、行星齿轮、推力球轴承、保持架、螺母、滚柱、丝杠和轴承端盖，内齿圈与螺母固连，行星齿轮与滚柱固连，丝杠同时具有外齿轮和外螺纹结构，外齿轮与行星齿轮相啮合，外螺纹和滚柱的螺纹相啮合；滚柱的螺纹两端为光滑圆柱面结构，圆柱面结构和对应螺母的内圆面相接触，滚柱的螺纹与螺母不接触；滚柱的两端具有销轴结构且均安装在保持架对应的销孔中，保持架通过推力球轴承和螺母连接，轴承端盖位于滚柱和丝杠远离行星齿轮的另一端。

进一步，当约束螺母轴向移动和丝杠旋转自由度，且螺母旋转时，丝杠将沿轴线移动。

进一步，丝杠所受的轴向载荷按照丝杠螺纹->滚柱螺纹->保持架->推力球轴承->轴承端盖/内齿圈->螺母的方式传递给螺母。

进一步，滚柱和行星齿轮固定，滚柱的螺纹两端的光滑外圆柱面结构的直径与行星齿轮的分度圆直径相同，螺母内部圆柱面的最小直径与内齿圈分度圆直径相同。

进一步，假设D

进一步，该传动机构的输出导程L为：

利用行星齿轮传动和滚柱丝杠传动的运动耦合约束，当螺母旋转一周时，丝杠移动距离为L，丝杠能够输出远小于其螺纹螺距的轴向位移，且移动距离L的不受螺母负载和丝杠转速等应用工况，以及预紧力和润滑摩擦内部状态的影响，通过调整内齿圈、行星齿轮、滚柱螺纹、丝杠螺纹和丝杠外齿轮的结构参数，能够实现常规丝杠螺距设计下的超小输出导程传动。

丝杠外齿轮、行星齿轮和内齿圈的齿数分别为z

(1)丝杠螺纹中径d

(2)滚柱螺纹中径d

(3)滚柱和丝杠螺纹中径和内齿圈齿轮分度圆直径z

(4)丝杠齿轮的齿数z

(5)丝杠和滚柱螺纹之间的螺距需满足：P

实现超小输出导程时，参数调整需要同时满足如下五个条件：

(1)丝杠和滚柱采用旋向相反的螺纹，例如：丝杠采用右旋螺纹D

(2)丝杠和滚柱螺纹的中径比值比丝杠和滚柱的头数比值大于0.1，且选用滚柱头数为1，例如：丝杠螺纹中径d

(3)其余参数满足“约束条件”；

(4)最终该传动机构输出的恒定导程为0.0734P

(5)获得的最终导程仅为丝杠螺距的7.34％，为丝杠导程的3.67％。

本发明的有益效果在于提供了一种行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构，结构上实现了行星齿轮系与滚柱丝杠传动的耦合，功能上实现了远小于丝杠螺纹导程的恒定输出导程；该机构输出导程不受螺母负载和丝杠转速等应用工况，以及预紧力和润滑摩擦等内部运行状态影响；滚柱和螺母接触点位于内齿圈和行星齿轮分度圆的切点位置，可时刻保持纯滚动状态；螺母旋转输入和丝杠轴向输出的方式，使得该机构更适应于高功率密度、高精度、小体积和大负载机电作动器应用。

附图说明

图1是本发明行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构的立体示意图。

图2是本发明内齿圈结构立体示意图。

图3是本发明行星齿轮固定螺钉结构立体示意图。

图4是本发明行星齿轮结构立体示意图。

图5是本发明保持架结构立体示意图。

图6是本发明螺母结构立体示意图。

图7是本发明滚柱结构立体示意图。

图8是本发明丝杠结构立体示意图。

图9是本发明轴承端盖结构立体示意图。

图10是本发明行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构的轴剖面示意图。

图11是本发明行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构的A处剖面示意图。

图12是本发明行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构的B处剖面示意图。

图13是本发明行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构的C处剖面示意图。

其中，1为内齿圈，2为固定螺钉，3为行星齿轮，4为推力球轴承，5为保持架，6为螺母，7为滚柱，8为丝杠，9为轴承端盖，1-1为内齿圈外延，1-2为内齿，1-3为内齿圈端面，2-1为固定螺钉的头部，2-2为固定螺钉的螺杆，3-1为行星齿轮的外齿，3-2为行星齿轮的端面，3-3为锥孔，5-1为保持架的边沿，5-2为销孔，6-1为轴承配合面，6-2为滚柱接触面，6-3为内空腔结构，7-1为滚柱销轴，7-2为斜面，7-3为螺母接触面，7-4为圆柱面结构，7-5为滚柱外螺纹，8-1为丝杠外齿，丝杠外螺纹8-2，8.3为丝杠光滑段，9-1为轴承端盖小直径部分，9-2为轴承端盖大直径部分。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构，包括图内齿圈、行星齿轮固定螺钉、行星齿轮、推力球轴承、保持架、螺母、滚柱、丝杠和轴承端盖，内齿圈与螺母固连，行星齿轮与滚柱固连，丝杠同时具有外齿轮和外螺纹结构，外齿轮与行星齿轮相啮合，外螺纹和滚柱的螺纹相啮合；滚柱的螺纹两端为光滑圆柱面结构，圆柱面结构和对应螺母的内圆面相接触，滚柱的螺纹与螺母不接触；滚柱的两端具有销轴结构且均安装在保持架对应的销孔中，保持架通过推力球轴承和螺母连接。

进一步，当约束螺母轴向移动和丝杠旋转自由度，且螺母旋转时，丝杠将沿轴线移动。

进一步，丝杠所受的轴向载荷按照丝杠螺纹->滚柱螺纹->保持架->推力球轴承->轴承端盖/内齿圈->螺母的方式传递给螺母。

进一步，滚柱和行星齿轮固定，滚柱的螺纹两端的光滑外圆柱面结构的直径与行星齿轮的分度圆直径相同，螺母内部圆柱面的最小直径与内齿圈分度圆直径相同。

进一步，假设D

进一步，该传动机构的输出导程L为：

利用行星齿轮传动和滚柱丝杠传动的运动耦合约束，当螺母旋转一周时，丝杠移动距离为L，丝杠能够输出远小于其螺纹螺距的轴向位移，且移动距离L的不受螺母负载和丝杠转速等应用工况，以及预紧力和润滑摩擦内部状态的影响，通过调整内齿圈、行星齿轮、滚柱螺纹、丝杠螺纹和丝杠外齿轮的结构参数，能够实现常规丝杠螺距设计下的超小输出导程传动。

进一步，丝杠外齿轮、行星齿轮和内齿圈的齿数分别为z

调整结构参数时需要遵循的约束条件为同时满足如下五个条件：

(1)丝杠螺纹中径d

(2)滚柱螺纹中径d

(3)滚柱和丝杠螺纹中径和内齿圈齿轮分度圆直径z

(4)丝杠齿轮的齿数z

(5)丝杠和滚柱螺纹之间的螺距需满足：P

实现超小输出导程时，参数调整需要同时满足如下五个条件：

(1)丝杠和滚柱采用旋向相反的螺纹，例如：丝杠采用右旋螺纹D

(2)让丝杠和滚柱螺纹的中径比值略大于(大于0.1)丝杠和滚柱的头数比值，且选用滚柱头数为1，例如：丝杠螺纹中径d

(3)其余参数满足“约束条件”；

(4)最终该传动机构输出的恒定导程为0.0734P

(5)获得的最终导程仅为丝杠螺距的7.34％，为丝杠导程的3.67％。

进一步的说明：

公式

公式中的

如图1所示，一种超小输出导程的行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构，包括图内齿圈1、行星齿轮固定螺钉2、行星齿轮3、推力球轴承4、保持架5、螺母6、滚柱7、丝杠8和轴承端盖9。

如图2所示，内齿圈1为环形结构，本实施例中内齿圈1的齿数为z

如图3所示，固定螺钉2为阶梯结构，固定螺钉的螺杆2-2结构处为细牙外螺纹。

如图4所示，行星齿轮3为中空结构，本实施例中行星齿轮的外齿3-1的齿数为z

如图5所示，保持架5为阶梯中空结构，本实施例中具有N＝7个滚柱销孔5-2。

如图6所示，螺母6分为轴承配合面6-1、滚柱接触面6-2和内空腔结构6-3，本实施例中滚柱接触面6-2的直径为74mm。

如图7所示，滚柱7为具有单头外螺纹的阶梯轴结构，本实施例中螺母接触面7-3的直径为18mm，滚柱外螺纹7-5的中径为d

如图8所示，丝杠8为具有齿轮和单头或多头外螺母的复合结构，本实施例中丝杠外齿8-1的齿数为z

如图9所示，轴承端盖9为中空阶梯结构。

本实施例中，首先将如图1所示，左边的保持架5、推力球轴承4和内齿圈1依次穿入螺母6左侧的轴承配合面6-1中，并使用螺钉将内齿圈和螺母6相固定。再次，依次将7个滚柱7装入保持架5中，使得滚柱销轴7-1与销孔5-2相配和；然后，依次装入图1右侧的保持架5、推力球轴承4和轴承端盖9，并使用螺钉将轴承端盖9和螺母6相固定；随后，旋入丝杠8，再旋入丝杠过程中，利用滚柱伸出的斜面7-2旋动滚柱调节其相位，使得丝杠外螺纹8-2和滚柱外螺纹7-5相互啮合，调节丝杠8在螺母6中的轴向位置，使其处于图10所示位置(丝杠8左端面和内齿圈1左端面处于相同平面内)。最后，在7个滚柱上依次装入7个行星齿轮3，使得锥孔3-3和斜面7-2相配合，行星齿轮的外齿3-1同时与内齿圈的内齿1-2和丝杠外齿8-1相啮合，并使用固定螺钉2将行星齿轮3和滚柱7相固定，完成行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构装配。

完成装配后的行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构轴剖面如图10所示。图10中的A、B和C剖面，A是行星齿轮啮合轴剖面，B是滚柱和螺母接触位置轴剖面，C是滚柱和丝杠接触位置轴剖面，装配完成后的A、B和C剖面图分别如图11、图12和图13所示。

当丝杠右端承受轴向负载时，轴向负载会通过滚柱外螺纹7-5和滚柱外螺纹8-2啮合传递到滚柱上，滚柱所受轴向负载会通过保持架5、推力球轴承4以及内齿圈1或轴承端盖9传递给螺母6，滚柱7所受径向负载会由滚柱的螺母接触面7-4传递给螺母上的滚柱接触面6-2结构。

本实施例中，内齿圈1的齿数为74，行星齿轮3的齿数为18，丝杠8的丝杠外齿8-1的齿数为38，且模数均为1mm，滚柱个数为7。齿轮参数满足行星轮系中的行星齿轮均布安装条件：(z

本实施例中，当螺母转速为ω

本实施例中，丝杠或滚柱螺纹段的螺距P为1mm，该行星齿轮与滚柱丝杠耦合传动机构的输出导程为0.0734mm，且该输出导程不会受到外部负载以及滚柱丝杠之间预紧力的影响。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。