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一种行星滚柱丝杠 传动系统

阅读：407发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种行星滚柱丝杠传动系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及传动零件技术领域，尤其为一种行星滚柱丝杠传动系统，包括行星滚柱丝杠的参数设计与电机、减速器的参数设计；本发明的行星滚柱丝杠参数设计的依据就是计算分析过程，根据机构的工作条件，首先选择丝杠直径与头数，之后设计丝杠、滚柱和螺母的具体参数，之后根据已有的零件尺寸确定其他的零件尺寸，比如内齿圈和挡圈的参数，第二步为电机与减速器的参数设计选择过程，在电机选择的时候，要避免出现“大马拉小车”和“小马拉大车”的情况，这两种情况都会降低工作效率，所以必须根据所设计的行星滚柱丝杠参数以及工作整体要求来计算得到合适的电机与减速器的参数设计。相比于传统滚珠丝杠系统具有承载能力强，速度快，寿命长等特点。，下面是一种行星滚柱丝杠传动系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：包括电机(1)、与所述电机(1)相连的减速器(2)以及行星滚柱机构(4)，所述行星滚柱机构(4)由丝杠(3)、滚柱(6)、螺母(7)三个部件组成，所述丝杠(3)与所述减速器(2)相连，所述丝杠(3)带动行星滚柱机构(4)沿轴向运动，所述行星滚柱机构(4)上设置有负载(5)，所述行星滚柱机构(4)带动负载(5)做直线运动；
所述行星滚柱机构(4)的工作原理与行星轮系的工作原理相一致，所述丝杠(3)为太阳轮，所述滚柱(6)为行星轮，所述螺母(7)为外部的固定齿轮，所述丝杠(3)的圆周外壁上安装若干滚柱(6)，每个滚柱(6)内设置有内齿圈(8)和挡圈(9)，所述滚柱(6)和所述内齿圈(8)齿轮啮合，所述挡圈(9)保证所述滚柱(6)在丝杠(3)圆周方向上均匀分布。
2.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：在圆周方向上所述丝杠(3)、所述滚柱(6)和所述螺母(7)之间的运动为纯滚动，所述滚柱(6)与所述螺母(7)的螺旋升角相同，在啮合的过程中保证所述滚柱(6)和所述螺母(7)之间相对纯滚动且无相对轴向的位移。
3.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述丝杠(3)每旋转一周，所述滚柱(6)相对于所述丝杠(3)的轴向位移是固定的值，所述固定的值为行星滚柱丝杠的导程。
4.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述丝杠(3)采用多头螺纹，所述滚柱(6)采用单头螺纹，所述滚柱(6)与所述丝杠(3)的牙型相同，为了提高机构的承载能力，将所述滚柱(6)的螺纹加工成圆弧面，圆弧面降低摩擦，提高传动效率。
5.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述丝杠(3)、所述滚柱(6)和所述螺母(7)的螺纹旋向相同，所述丝杠(3)和所述螺母(7)均采用多头螺纹，且螺纹头数相同。
6.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述丝杠(3)、所述滚柱(6)和所述螺母(7)螺纹螺距相同，所述滚柱(6)的数量增加承载能力，所述滚柱(6)的数量受到空间的限制。
7.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述内齿圈(8)和所述滚柱(6)齿轮啮合，且轮齿模数相等。
8.根据权利要求3所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述电机(1)采用不同的转速，在丝杠导程不变的情况下，所述减速器(2)的减速比会相应的变化，若所述电机(1)的转速增大，所述减速器(2)的减速比就会增大，则所述电机(1)需要提供的扭矩会减小，所述电机(1)的功率不会发生变化。
9.根据权利要求3所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述电机(1)的转速不变，改变所述丝杠(3)的导程，所述丝杠(3)的导程增大，所述丝杠(3)的转速减小，所述减速器(2)的减速比增大，所述电机(1)提供的扭矩减小，电机(1)的功率不变。
10.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠传动系统，其特征在于：所述电机(1)惯量的计算与零件的尺寸以及工作状态有关，在系统运行的过程中，所述丝杠(3)为旋转运动，所述滚柱(6)绕丝杠轴线公转也会绕自身的轴线自转，且在轴向上还有移动的工作状态，所述螺母(7)与所述负载(5)的工作状态为直线运动。

说明书全文

一种行星滚柱丝杠 传动系统

技术领域

[0001] 本发明涉及传动零件技术领域，具体为一种行星滚柱丝杠传动系统。

背景技术

[0002] 行星滚柱丝杠就是在丝杠的周围，行星式地均匀布置了6-12个带螺纹的滚柱，这样可以将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动。行星滚柱丝杠能够在极其艰苦的
环境下工作，而且可以承受重载上千小时，我们现在应用条件正在逐渐向着高承载、高寿命
方向发展，行星滚柱丝杠就成为要求连续工作的应用场合的非常理想的选择。

[0003] 目前的行星滚柱丝杠不能根据负载以及行星滚柱丝杠参数计算电机的转速以及功率，从而造成无法选择合适的电机以及减速器的参数，出现大马拉小车”或“小马拉大车”
的情况，这两种情况都会降低工作效率。鉴于此，我们提供一种行星滚柱丝杠传动系统。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种行星滚柱丝杠传动系统，以解决上述背景技术中提出现如今行星滚柱丝杠出现大马拉小车”或“小马拉大车”的情况，降低工作效率的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种行星滚柱丝杠传动系统，包括电机、与所述电机相连的减速器以及行星滚柱机构，所述行星滚柱机构由丝杠、滚柱、螺母三个部件组成，所述丝杠与所述减速器相连，所
述丝杠带动行星滚柱机构沿轴向运动，所述行星滚柱机构上设置有负载，所述行星滚柱机
构带动负载做直线运动；

[0007] 所述行星滚柱机构的工作原理与行星轮系的工作原理相一致，所述丝杠为太阳轮，所述滚柱为行星轮，所述螺母为外部的固定齿轮，所述丝杠的圆周外壁上安装若干滚
柱，每个滚柱内设置有内齿圈和挡圈，所述滚柱和所述内齿圈齿轮啮合，所述挡圈保证所述
滚柱在丝杠圆周方向上均匀分布。

[0008] 作为优选，在圆周方向上所述丝杠、所述滚柱和所述螺母之间的运动为纯滚动，所述滚柱与所述螺母的螺旋升角相同，在啮合的过程中保证所述滚柱和所述螺母之间相对纯
滚动且无相对轴向的位移。

[0009] 作为优选，所述丝杠每旋转一周，所述滚柱相对于所述丝杠的轴向位移是固定的值，所述固定的值为行星滚柱丝杠的导程。

[0010] 作为优选，所述丝杠采用多头螺纹，所述滚柱采用单头螺纹，所述滚柱与所述丝杠的牙型相同，为了提高机构的承载能力，将所述滚柱的螺纹加工成圆弧面，圆弧面降低摩
擦，提高传动效率。

[0011] 作为优选，所述丝杠、所述滚柱和所述螺母的螺纹旋向相同，所述丝杠和所述螺母均采用多头螺纹，且螺纹头数相同。

[0012] 作为优选，所述丝杠、所述滚柱和所述螺母螺纹螺距相同，所述滚柱的数量增加承载能力，所述滚柱的数量受到空间的限制。

[0013] 作为优选，所述内齿圈和所述滚柱齿轮啮合，且轮齿模数相等。

[0014] 作为优选，所述电机采用不同的转速，在丝杠导程不变的情况下，所述减速器的减速比会相应的变化，若所述电机的转速增大，所述减速器的减速比就会增大，则所述电机需
要提供的扭矩会减小，所述电机的功率不会发生变化。

[0015] 作为优选，所述电机的转速不变，改变所述丝杠的导程，增大所述丝杠导程，所述丝杠的转速减小，所述减速器的减速比增大，所述电机提供的扭矩减小，电机的功率不变。

[0016] 作为优选，所述电机惯量的计算与零件的尺寸以及工作状态有关，在系统运行的过程中，所述丝杠为旋转运动，所述滚柱绕丝杠轴线公转也会绕自身的轴线自转，且在轴向
上还有移动的工作状态，所述螺母与所述负载的工作状态为直线运动。

[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0018] 1、本行星滚柱丝杠传动系统丝杠在圆周方向转动，滚柱在绕丝杠公转的过程中也会自转，螺母带动负载沿轴向做直线运动，滚柱和内齿圈齿轮啮合，挡圈保证滚柱位置的相
对固定。参数计算过程中，根据负载选择丝杠尺寸，相应的选择滚柱以及螺母的参数，以及
内齿圈和挡圈的参数。根据负载以及行星滚柱丝杠参数计算电机的转速以及功率，选择合
适的电机以及减速器的参数，避免出现“大马拉小车”和“小马拉大车”的情况。

[0019] 2、本行星滚柱丝杠传动系统丝杠中滚柱与丝杠接触半径更大，而且所有的滚柱同时参与啮合，相对于滚珠丝杠接触点更多。这就意味着在丝杠直径相同的情况下，滚柱丝杠
的承载能力更高。在负载相同的条件下，滚柱丝杠的体积可以做的更小。滚柱丝杠的使用寿
命大幅度提高、工作环境温度范围也有提高；滚柱丝杠用滚动摩擦代替滑动摩擦，与滚珠丝
杠传动效率相当，润滑良好的情况下效率可达90％；滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此具
有加速、旋转和减速的能力，转速可达，直线速度，加速度，而滚珠丝杠很难达到上述指标；
行星滚柱丝杠不需要安装循环装置，因此在高速运转时产生的振动噪声较小；可在恶劣环
境下使用。再滚柱丝杠两端加工直齿，与安装在螺母内的内齿圈啮合，可以保证运转正常；
滚柱丝杠拆装方便，拆卸时可直接将螺母旋出，并不需要拆下滚柱。
附图说明

[0020] 图1为本发明提供的行星滚柱丝杠机构图；

[0021] 图2为本发明提供的行星滚柱丝杠内部细节图；

[0022] 图3为本发明提供的行星滚柱丝杠齿轮啮合示意图。

[0023] 图中：1、电机；2、减速器；3、丝杠；4、行星滚柱机构；5、负载；6、滚柱；7、螺母；8、内齿圈；9、挡圈。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的
实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都
属于本发明保护的范围。

[0025] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特
定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0026] 实施例1

[0027] 一种行星滚柱丝杠传动系统，如图1所示，包括电机1、与电机1相连的减速器2以及行星滚柱机构4，行星滚柱机构4由丝杠3、滚柱6、螺母7三个部件组成，丝杠3与减速器2相
连，丝杠3带动行星滚柱机构4沿轴向运动，行星滚柱机构4上设置有负载5，行星滚柱机构4
带动负载5做直线运动；

[0028] 值得说明的是，行星滚柱机构4的工作原理与行星轮系的工作原理相一致，不考虑轴向位移，为若干行星轮绕太阳轮旋转，当太阳轮旋转时，行星轮即会自转也会绕太阳轮公
转，这就是行星滚柱丝杠运行基本原理，丝杠3为太阳轮，滚柱6为行星轮，螺母7为外部的固
定齿轮，丝杠3的圆周外壁上安装若干滚柱6，每个滚柱6内设置有内齿圈8和挡圈9，滚柱6和
内齿圈8齿轮啮合，挡圈9保证滚柱6在丝杠3圆周方向上均匀分布。

[0029] 由于行星滚柱丝杠是精密传动部件，当滚柱丝杠径向受到载荷的时候会产生较大的变形，因此实际的工作中要使滚柱丝杠只承受轴向的载荷，所以工作状态只考虑竖直的
工作状态，即使有的时候工作状态并不是严格的竖直状态，这是就需要通过外部的设计机
构消除横向的载荷。

[0030] 进一步的，在圆周方向上丝杠3、滚柱6和螺母7之间的运动为纯滚动，滚柱6与螺母7的螺旋升角相同，在啮合的过程中保证滚柱6和螺母7之间相对纯滚动且无相对轴向的位
移，丝杠3每旋转一周，滚柱6相对于丝杠3的轴向位移是固定的值，固定的值为行星滚柱丝
杠的导程。

[0031] 本实施例的行星滚柱丝杠传动系统中丝杠在圆周方向转动，滚柱6在绕丝杠3公转的过程中也会自转，螺母7带动负载沿轴向做直线运动，滚柱6和内齿圈8齿轮啮合，挡圈9保
证滚柱位置的相对固定。参数计算过程中，根据负载5选择丝杠3尺寸，相应的选择滚柱以及
螺母的参数，以及内齿圈和挡圈的参数。根据负载5以及行星滚柱丝杠参数计算电机1的转
速以及功率，选择合适的电机1以及减速器的参数，避免出现“大马拉小车”和“小马拉大车”
的情况。

[0032] 实施例2

[0033] 作为本发明的第二种优选实施例，丝杠3采用多头螺纹，滚柱6采用单头螺纹，滚柱6与丝杠3的牙型相同，为了提高机构的承载能力，将滚柱6的螺纹加工成圆弧面，圆弧面降
低摩擦，提高传动效率。

[0034] 进一步的，丝杠3、滚柱6和螺母7的螺纹旋向相同，丝杠3和螺母7均采用多头螺纹，且螺纹头数相同，丝杠3、滚柱6和螺母7螺纹螺距相同，滚柱6的数量增加承载能力，滚柱6的
数量受到空间的限制。

[0035] 值得说明的是，内齿圈8和滚柱6齿轮啮合，且轮齿模数相等。

[0036] 具体的，如图3所示，其中dr为滚柱6直径、dn为螺母7在与滚柱6接触处的直径、ds为丝杠3与滚柱6接触处的直径；dm是滚柱6公转直径；ωr是滚柱6自转角速度；ωm是滚柱6公转
角速度；ωs是丝杠3的角速度，可得如下关系：

[0037]

[0038] 得到滚柱6公转角速度为：

[0039]

[0040] 其中

[0041] 又有：

[0042]

[0043] 得到滚柱6自转角速度为：

[0044] 当丝杠3转一周后，滚柱6相对于螺母7的轴向位移H1为：

[0045]

[0046] 其中表示螺母7相对于丝杠3的移动，nn为螺母头数，s为螺距，表示滚柱6相对于丝杠3的移动距离，螺母7与滚柱6旋向相同，取减号，得到：

[0047]

[0048] 由已知条件，螺母7相对于滚柱6轴向没有相对运动，所以H1＝0，得到：

[0049]

[0050] 丝杠3旋转一周，滚柱6相对于丝杠3的移动距离为：

[0051]

[0052] 其中根据情况判断符号都取上边的，表示旋向相同，ns为丝杠3头数，将ωr和ωm带入得到：理想的H2应该为常数，这样可以保证运动的平稳性。这时有：
所以ns＝nn＝k+2，H2＝nss为常数。

[0053] 如图3所示的行星轮系的啮合过程,就是内齿圈8与滚柱6两端的齿轮啮合，m1为内齿圈8齿轮模数，m2为滚柱6齿轮模数，Zn为内齿圈8齿数，Zr为滚柱6齿数，由公式(6)，其中dn
＝m1Zn，dr＝m2Zr，齿轮啮合，所以m1＝m2，所以Zn＝(k+2)Zr。

[0054] 实施例3

[0055] 作为本发明的第三种优选实施例，电机1采用不同的转速，在丝杠导程不变的情况下，减速器2的减速比会相应的变化，若电机1的转速增大，减速器2的减速比就会增大，则电
机1需要提供的扭矩会减小，电机1的功率不会发生变化。

[0056] 进一步的，电机1的转速不变，改变丝杠3的导程，增大丝杠3导程，丝杠3的转速减小，减速器2的减速比增大，电机1提供的扭矩减小，电机1的功率不变。

[0057] 具体的，电机1惯量的计算与零件的尺寸以及工作状态有关，在系统运行的过程中，丝杠3为旋转运动，滚柱6绕丝杠轴线公转也会绕自身的轴线自转，且在轴向上还有移动
的工作状态，螺母7与负载5的工作状态为直线运动。

[0058] 本实施例的电机1可以选择不同的电机转速，要满足功率和扭矩的要求，还要满足惯量的要求，在系统运行的过程中，丝杠3为旋转运动，滚柱6绕丝杠3轴线公转也会绕自身
的轴线自转，而且在轴向上还有移动的工作状态。而螺母7和负载5的工作状态就是直线运
动，并不会产生旋转运动。

[0059] 行星滚柱丝杠驱动电机1扭矩计算复杂，这里采用滚珠丝杠做近似计算，这种近似计算能应用在准确度要求不高的情况，计算公式为：

[0060]

[0061] 式中Ta表示驱动扭矩，单位kgf.mm；Fa表示轴向负载，单位N；p为丝杠导程；η1表示滚柱丝杠的传动效率。

[0062] 竖直工作状态下，轴向负载计算公式为：

[0063] Fa＝F+μmg (9)

[0064] 式中F为轴向切削力，单位N；μ为导向件的综合摩擦系数；m表示工作台的重量。

[0065] 丝杠3的惯量为：

[0066]

[0067] 滚柱6的惯量为：

[0068]

[0069] 螺母7的惯量为(螺母不转动，和负载计算方法相同)：

[0070]

[0071] 所以滚柱丝杠惯量为：

[0072]

[0073] 其中n为滚柱数量。

[0074] 负载5等效惯量为：

[0075]

[0076] 选择电机1的转动惯量为：

[0077]

[0078] 在实际选择电机1和减速器2的时候，通常电机1和负载5转动惯量1:10都是可以满足要求的，所以可以根据实际情况选择多种电机进一步对比。

[0079] 本发明的行星滚柱丝杠传动系统中丝杠在圆周方向转动，滚柱6在绕丝杠3公转的过程中也会自转，螺母7带动负载沿轴向做直线运动，滚柱6和内齿圈8齿轮啮合，挡圈9保证
滚柱位置的相对固定。参数计算过程中，根据负载5选择丝杠3尺寸，相应的选择滚柱以及螺
母的参数，以及内齿圈和挡圈的参数。根据负载5以及行星滚柱丝杠参数计算电机1的转速
以及功率，选择合适的电机1以及减速器的参数，避免出现“大马拉小车”和“小马拉大车”的
情况。

[0080] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明
的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种
变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所
附的权利要求书及其等效物界定。

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