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1、(10)申请公布号 CN 103807399 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103807399 A (21)申请号 201410085923.1 (22)申请日 2014.03.10 F16H 25/22(2006.01) (71)申请人 北京信息科技大学 地址 100192 北京市海淀区清河小营东路 12 号 (72)发明人 王科社 郝大贤 杨庆东 (74)专利代理机构 北京金恒联合知识产权代理 事务所 11324 代理人 李强 (54) 发明名称 一种新型滚珠丝杠多圆弧端塞反向器 (57) 摘要 根据本发明的端塞反向器， 通过优化反向器 回珠曲线， 提高了滚珠通过反向。
2、器的流畅性， 降低 了滚珠丝杠副的振动与噪声， 提高了滚珠丝杠副 的综合性能。本多圆弧端塞反向器的特征在于包 括 ： 反向器入口滚道 （101） ； 多个圆弧滚道 （102、 103、 104） ， 其入口端与反向器入口滚道 （101）相 切 ； 反向器出口滚道 （105） ， 其入口与所述多个圆 弧滚道 （102、 103、 104） 的出口相切。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103807399 A CN 103807399。
3、 A 1/1 页 2 1. 一种多圆弧端塞反向器， 其特征在于包括 ： 反向器入口滚道 （101） ； 多个圆弧滚道 （102、 103、 104） ， 其入口端与反向器入口滚道 （101） 相切 ； 反向器出口滚道 （105） ， 其入口与所述多个圆弧滚道 （102、 103、 104） 的出口相切。 2. 根据权利要求 1 的多圆弧端塞反向器， 其特征在于所述多个圆弧滚道 （102、 103、 104） 包括 ： 第一圆弧滚道 （102） ， 其具有第一圆弧曲线 （202） ； 第二圆弧滚道 （103） ， 其具有第二圆弧曲线 （203） ； 第三圆弧滚道 （104） ， 其具有第三圆弧曲。
4、线 （204） ， 其中， 反向器入口滚道 （101） 具有反向器入口曲线 （201） ， 反向器出口滚道 （105） 具有反向器 出口曲线 205， 反向器入口曲线 （201） 、 第一圆弧曲线 （202） 、 第二圆弧曲线 （203） 、 第三圆弧曲线 （204） 、 反向器出口曲线 205 分别与相邻的曲线相切。 3. 根据权利要求 2 的多圆弧端塞反向器， 其特征在于 ： 第一圆弧曲线 （202） 的曲率半径 第二圆弧曲线 （203） 的曲率半径 第三圆弧曲线 （204） 的曲率半径。 4. 根据权利要求 3 的多圆弧端塞反向器， 其特征在于 ： 第一圆弧曲线 （202）的曲率半径为 。
5、16.29mm， 第二圆弧曲线 （203）的曲率半径为 11,40mm， 第三圆弧曲线 （204） 的曲率半径为 5mm。 5. 根据权利要求 4 的多圆弧端塞反向器， 其特征在于 ： 第一圆弧曲线 （202） 的圆弧角为 21， 第二圆弧曲线 （203） 的圆弧角为 45.9， 第三圆 弧曲线 （204） 的圆弧角为 28.7。 权 利 要 求 书 CN 103807399 A 2 1/3 页 3 一种新型滚珠丝杠多圆弧端塞反向器 技术领域 0001 本发明涉及高性能滚动功能部件领域。尤其涉及一种新型多圆弧端塞滚珠反向 器。 背景技术 0002 高性能滚珠丝杠副是高档数控机床的关键滚动功能部。
6、件。 高性能滚珠丝杠副需要 拥有比普通丝杠的更流畅的滚珠回珠方式。为适应高性能滚珠丝杠副的发展需要， 必须开 发和优化新型反向器。 0003 滚珠丝杠副反向回珠曲线是影响滚珠丝杠副性能的关键因素。 反向器的优劣直接 影响到滚珠丝杠副的噪声， 振动， 温升， 使用寿命和丝杠最大进给速度。目前端塞反向器属 于流畅型反向器， 适合低噪声， 低温升， 高速滚珠丝杠副。但端塞反向器回珠线型的设计主 要是采用经验设计。 因此， 需要对反向器的回珠曲线进行优化， 以达到更高性能的滚珠丝杠 副的设计要求， 提高滚动功能部件的性能。 0004 传统的反向器只是单圆弧滚道， 其回珠曲线如图 3 所示， 即传统的反。
7、向器回珠滚 道包括反向器入口滚道、 单圆弧滚道、 反向器出口滚道， 其不能根据滚珠在反向器内的碰撞 力变化随意调节圆弧半径， 无法在降低碰撞力的同时缩短回珠曲线长度。 发明内容 0005 本发明针对现有的端塞反向器的不足， 提供了一种新型多圆弧端塞反向器结构方 案， 以适应高性能滚珠丝杠副的发展要求。新型多圆弧端塞反向器可以降低滚珠与反向器 之间的碰撞力， 拥有更短的回珠曲线， 缩短滚珠通过反向器的时间， 提高滚珠通过反向器的 流畅性。 0006 为了达到上述目的， 本发明提供如下技术方案 ： 0007 根据研究表明滚珠与反向器的碰撞力大小与回珠曲线的圆弧半径成反比。 因此要 降低滚珠与反向器。
8、之间的碰撞力需要增大圆弧半径。但这也会增加回珠曲线的长度， 是反 向器内的滚珠数目增加， 导致摩擦阻力增加。 为了平衡这一矛盾， 提供了一种采用多段圆弧 过渡回珠曲线的端塞反向器。 多段圆弧通过改变圆弧半径， 圆弧角度， 使回珠曲线的设计变 得更加灵活， 从而得到更加流畅的反向器回珠曲线。回珠滚道由三段相切圆弧构成。 附图说明 0008 图 1 是根据本发明的一个实施例的多圆弧端塞反向器的结构示意图。 0009 图 2 是根据本发明的一个实施例的多圆弧端塞反向器的回珠曲线图。 0010 图 3 是传统的反向器的单圆弧滚道的回珠曲线。 0011 图 4 显示了根据本发明的一个具体实施例的优化多圆。
9、弧端塞反向器的回珠曲线。 0012 图 5 是传统端塞反向器碰撞力的 ADAMS 仿真试验结果。 0013 图 6 是根据本发明的实施例的端塞反向器碰撞力的 ADAMS 仿真试验结果。 说 明 书 CN 103807399 A 3 2/3 页 4 具体实施方式 0014 为实现上述目的， 本发明采用下述技术方案 ： 0015 根据本发明的一个实施例的多圆弧端塞反向器的结构如图 1 和图 2 所示。根据本 发明的多圆弧端塞反向器与传统反向器相比的区别主要在于回珠滚道结构形状的改进 ； 根 据本发明的多圆弧端塞反向器包括反向器入口滚道 101、 第一圆弧滚道 102、 第二圆弧滚道 103、 第三。
10、圆弧滚道 104、 反向器出口滚道 105。反向器的回珠滚道结构形状是由反向器的回 珠曲线决定的。根据本发明的多圆弧端塞反向器的回珠曲线如图 2 所示， 其包括反向器入 口曲线201、 第一圆弧曲线202、 第二圆弧曲线203、 第三圆弧曲线204、 反向器出口曲线205， 分别与其回珠滚道相对应。各段曲线分别与两侧相邻的曲线相切。 0016 本发明人进行了实验和理论分析， 并确定， 滚珠在进入反向器入口 101 处和第一 圆弧滚道 102、 第二圆弧滚道 103 处与反向器的碰撞力较大， 因此需要适当增大回珠曲线的 圆弧半径， 降低此处的碰撞力。 在第三圆弧滚道104、 反向器出口滚道105。
11、处碰撞力较小， 可 以适当减小回珠曲线圆弧半径。 本新型多圆弧端塞反向器不仅可以降低滚珠与反向器的碰 撞力， 还可以缩短反向器的回珠曲线， 使滚珠通过反向器的时间减少。 0017 虽然从理论上说， 所采用的圆弧数量越多， 优化的效果越好， 但是优化过程也越繁 复， 可以在结果与效率之间采取合适的圆弧数。 根据本发明的一个实施例中， 采用三段圆弧 过渡曲线优化端塞反向器的回珠曲线。 其中， 在降低滚珠与反向器的碰撞力同时， 以反向器 回珠曲线长度为优化目标， 采用 MATLAB 进行有约束的非线性优化， 得到三段圆弧的半径 ； 在本发明的一个具体实例中， 第一圆弧曲线 202 的圆弧半径为 16。
12、.29mm， 第二圆弧曲线 203 的圆弧半径为 11,40mm， 第三圆弧曲线 204 的圆弧半径为 5mm。优化后得到三段圆弧的圆弧 角， 第一圆弧曲线 202 的圆弧角为 21， 第二圆弧曲线203 的圆弧角为 45.9， 第三圆弧曲 线 204 的圆弧角为 28.7。 0018 把图 2 的本发明的反向器与图 3 的传统反向器的回珠曲线对比， 图 2 的本发明 的多圆弧端塞的回珠曲线总长度为 27.65mm， 图 3 的传统单圆弧端塞的回珠曲线的长度为 29.14mm， 可见本发明的反向器回珠曲线长度减小， 反向器内滚珠数量减少， 有利于减小摩 擦阻力， 提高传动效率。 0019 根据。
13、本发明的端塞反向器能有效的降低滚珠与反向器的碰撞力， 并使碰撞力更加 均匀， 有利于提高反向器的流畅性。 使滚珠在端塞内运行更加平稳， 有利于提高滚珠丝杠副 的进给速度。 0020 为验证新型多圆弧端塞反向器的性能， 本发明人进行了 ADAMS 仿真试验， 由于反 向器内的每个滚珠运动状态， 受力状态各不相同， 因此要分析反向器内所有滚珠是比较复 杂的， 可以简化为模拟单个滚珠与反向器的碰撞， 如果单个滚珠可以流畅通过反向器， 可以 认为多个滚珠通过反向器也会流畅。分别建立单个滚珠与普通端塞反向器， 滚珠与新型多 圆弧端塞反向器的接触模型， 导入 ADAMS 中设定仿真参数， 对比两种反向器的。
14、性能差距。 0021 欲使 DS4716 型号的滚珠丝杠副直线进给速度达到 60m/min， 即 1m/s 的高速进 给速度， 可计算出此时的滚珠中心线速度 V0=4.118m/s。在 ADAMS 中设置滚珠的初速度为 4.118m/s， 固定端塞。定义滚珠与反向器的碰撞参数， 本申请中选用冲击函数定义接触。 ADAMS 中定义接触类型为 solid-solid（实体与实体） ， 在 IMPACT 函数中有如下几个关键参 说 明 书 CN 103807399 A 4 3/3 页 5 数 ： 0022 1） 刚度系数 K ： 经过计算滚珠与反向器的接触刚度系数 1.34106N/mm2。 002。
15、3 2） 阻尼 ： 指定接触材料的阻尼属性， ADAMS 推荐值为刚度系数的 1。 0024 3） 切入深度 ： 切入深度决定何时阻尼达到最大， 本文中设定为 0.01。 0025 4） 力指数 ： ADAMS 金属与金属材料的推荐值为 1.5。 0026 5） 库仑摩擦力 ： 确定两构件之间的摩擦因数， 本文设定静摩擦因数 0.04， 0027 动摩擦因数 0.0369， 静摩擦速度 0.1mm/s， 动摩擦速度 10mm/s。 0028 设定好接触副参数， 采用交互式仿真设置， 设置 End Time=0.1s， Step=2000。积分 器 (Integrator) 选择 ADAMS 中。
16、常用的刚性积分器 GSTIFF， 积分格式 (Formulation) 设定 为 I3， 计算速度较快。设定积分误差 (Error) 的值为 0.001， 开始仿真计算。得到仿真结果 后， 运用 ADAMS 后处理工具得到碰撞力曲线图， 如图 5 和图 6 分别所示。对比普通单圆弧端 塞与优化后的多圆弧端塞的性能如下表 1 所示。 0029 表 1 优化前后反向器性能对比 0030 0031 由上表可知， 经过优化回珠曲线的长度变短， 滚珠通过反向器的时间减少， 优化前 为 0.0065s， 优化后为 0.005s， 滚珠通过反向器的时间缩短了 23%。对比碰撞力曲线图可知 优化前的最大碰撞力。
17、为 378N， 优化后的最大碰撞力为 255N， 优化后的端塞反向器最大碰撞 力降低32.5%， 由公式可以计算出丝杠的极限移动速度可以提高17%左右。 优化前的主要碰 撞力波动范围在 120 215N 之间， 优化后的主要碰撞力波动范围在 150 180N 之间， 碰撞 力波动降低 64%， 综合碰撞力明显变得比较均匀， 平均碰撞力较优化前也下降了。碰撞力波 动降低， 碰撞过程更加平稳， 有利于提高反向器的寿命和流畅性， 改善滚珠在反向回路中的 卡滞现象。 0032 由此可见， 根据本发明的端塞反向器， 通过优化反向器回珠曲线， 提高了滚珠通过 反向器的流畅性， 降低了滚珠丝杠副的振动与噪声， 提高了滚珠丝杠副的综合性能。 说 明 书 CN 103807399 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103807399 A 6 2/2 页 7 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103807399 A 7 。