提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置.pdf

《提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置.pdf（8页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910318626.X (22)申请日 2019.04.19 (71)申请人 南京理工大学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 200号 (72)发明人 周长光聂从辉王凯冯虎田 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心 32203 代理人 马鲁晋 (51)Int.Cl. F16H 25/22(2006.01) F16H 57/01(2012.01) (54)发明名称 一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向 载荷的装置 (57)摘要 本发明公开了一种提高双螺母预紧滚。

2、珠丝 杠副最大轴向载荷的装置， 包括滚珠丝杠副、 螺 母套筒、 弹性元件以及固定装置， 其中， 滚珠丝杠 副包括丝杠、 第一滚珠螺母以及第二滚珠螺母； 两个滚珠螺母嵌于螺母套筒中， 并与丝杠同轴设 置， 且均通过滚珠滚道与丝杠配合安装； 弹性元 件与第二滚珠螺母的外圆配合安装， 并通过固定 装置固定。 传统增大最大轴向载荷的方法是增大 预紧力， 但过大预紧力会产生磨损发热影响滚珠 丝杠副的性能， 且最大轴向载荷的增大程度有 限。 本发明的装置能在不影响滚珠丝杠副结构和 性能的前提下极大提高滚珠丝杠副的最大轴向 载荷， 通过更换不同弹性元件来调节增大提高倍 数， 可以使同样的滚珠丝杠能适应不同轴。

3、向载荷 的工程场合。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 110081141 A 2019.08.02 CN 110081141 A 1.一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置， 其特征在于， 包括滚珠丝杠 副、 螺母套筒(3)、 弹性元件(4)以及固定装置(5)； 其中， 滚珠丝杠副包括丝杠(1)、 第一滚珠 螺母(2)以及第二滚珠螺母(6)； 所述第一滚珠螺母(2)、 第二滚珠螺母(6)嵌于螺母套筒(3)中， 并与丝杠(1)同轴设置， 且均通过滚珠滚道与丝杠(1)配合安装； 弹性元件(4)与第二滚珠螺母(6)的外圆配合安装， 用于将最大轴向载荷提高 倍； 弹性元件(4)通过。

4、固定装置(5)固定。 2.根据权利要求1所述的提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置， 其特征在 于， 所述第一滚珠螺母(2)、 第二滚珠螺母(6)与丝杠(1)初始配合安装时， 施加了初始预紧 力Fp。 3.根据权利要求1或2所述的提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置， 其特征 在于， 所述弹性元件(4)具体采用低刚性垫片。 4.根据权利要求3所述的提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置， 其特征在 于， 所述固定装置(5)具体采用螺母， 第二滚珠螺母(6)的外圆有螺纹， 固定装置(5)与第二 滚珠螺母(6)的外圆通过螺纹安装固定。 5.根据权利要求1所述的提高双螺母预紧滚珠丝杠。

5、副最大轴向载荷的装置， 其特征在 于， 所述 为： 式中， F1为普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷， F2为该装置的最大轴向 载荷。 6.根据权利要求5所述的提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置， 其特征在 于， 所述普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷F1， 具体为： 求取普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的预紧力Fp： 式中， Mtest为通过摩擦力矩测量系统检测的普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副空载摩 擦力矩， 0为接触角， 为滚珠丝杠副摩擦系数， rm为丝杠轴的半径， rb为滚珠的半径； 根据预紧力Fp求取普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷F1： F12.。

6、83Fp。 7.根据权利要求5所述的提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置， 其特征在 于， 所述该装置的最大轴向载荷F2， 具体为： 当滚珠丝杠副受到最大轴向载荷时， 第一滚珠螺母(2)中滚珠变形量、 第二滚珠螺母 (6)中滚珠变形量以及弹性元件(4)的轴向变形量之间的关系为： A B+ 式中， 为弹性元件(4)的变形恢复量， A为第一滚珠螺母(2)中滚珠的轴向变形 量， B为第二滚珠螺母(6)中滚珠的轴向变形量； 普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的 等于零； 则该装置的最大轴向载荷F2为： 权利要求书 1/2 页 2 CN 110081141 A 2 其中， 式中， cK表示丝杠赫兹接触。

7、系数， cE表示材料常数， Yn和Ys分别为螺母和丝杠在赫兹理论 中对于第一类和第二类椭圆积分的辅助值； n和 s分别为滚珠-螺母滚道和滚珠-丝杠滚道 接触点处的曲率半径倒数。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110081141 A 3 一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置 技术领域 0001 本发明属于滚珠丝杠副性能提高领域， 特别是一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最 大轴向载荷的装置。 背景技术 0002 滚珠丝杠副包含丝杠、 螺母、 滚珠和循环系统等组件。 其主要功能是将旋转运动转 换为直线运动， 或将扭矩转换为轴向往复作用力， 具有高精度、 高效率、 节省能源、 零间隙高 刚度。

8、传动、 跟随灵敏、 不污染环境且对周边环境的适应性强等特点， 被广泛应用于机械、 航 天、 航空、 核工业等领域， 且始终占据直线运动应用领域的绝大部分市场。 0003 近年来， 数控机床高速、 高精以及高寿命的发展趋势使得定位精度、 高承载性能以 及可靠性成为评价滚珠丝杠副的重要指标。 就提高滚珠丝杠的承载能力而言， 目前， 市面上 用来提高滚珠丝杠副最大轴向载荷只有通过增大丝杠副的预紧力的方法。 但过大的预紧力 会导致发热增加、 磨损增大， 从而直接影响滚珠丝杠副的定位精度、 动态刚性、 温升、 效率以 及摩擦磨损等一系列性能。 所以这种依靠增大预紧力的方式增大最大轴向载荷的方法并不 能显。

9、著增大滚珠丝杠副最大轴向载荷， 其实际应用价值不大。 因此， 如何在不增大预紧力的 前提下大幅提高丝杠最大轴向载荷， 增大其承载性能就成为急需解决的问题。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种提高双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的 装置。 0005 实现本发明目的的技术解决方案为： 一种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载 荷的装置， 包括滚珠丝杠副、 螺母套筒、 弹性元件以及固定装置， 其中， 滚珠丝杠副包括丝 杠、 第一滚珠螺母以及第二滚珠螺母； 0006 所述第一滚珠螺母、 第二滚珠螺母嵌于螺母套筒中， 并与丝杠同轴设置， 且均通过 滚珠滚道与丝杠配合安装； 弹性元件与第二滚。

10、珠螺母的外圆配合安装， 用于将最大轴向载 荷提高 倍； 弹性元件通过固定装置固定。 0007 该装置最大轴向载荷提高的倍数 为： 0008 0009 式中， F1为普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷， F2为该装置的最大 轴向载荷。 0010 本发明与现有技术相比， 其显著优点为： 1)装置结构简单， 成本低， 安装简单， 无需 拆卸原有滚珠丝杠副； 2)该装置能极大程度的提高双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴 向载荷， 但不会影响原滚珠丝杠副的结构和性能； 3)该装置增大的最大轴向载荷倍数可以 通过更换不同弹性元件如不同低刚性的垫片(或者其他具有相同效果的弹性元件)来调节， 从而使。

11、得同样的滚珠丝杠可以适应不同轴向载荷的工程场合， 如注塑机、 打桩机等。 说明书 1/4 页 4 CN 110081141 A 4 0011 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 附图说明 0012 图1为本发明提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷装置示意图。 0013 图2为本发明实施例中提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷实验验证装置示 意图。 0014 图中： 1、 丝杠2、 第一滚珠螺母3、 螺母套筒4、 弹性元件5、 固定装置6、 第二滚珠螺母 7、 载荷加载装置8、 防转机构9、 键10、 轴向固定机构11、 支撑面12、 力传感器。 具体实施方式 0015 结合图1， 本发明一。

12、种提高双螺母预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的装置， 包括滚珠 丝杠副、 螺母套筒3、 弹性元件4以及固定装置5， 其中， 滚珠丝杠副包括丝杠1、 第一滚珠螺母 2以及第二滚珠螺母6； 0016 第一滚珠螺母2、 第二滚珠螺母6嵌于螺母套筒3中， 并与丝杠1同轴设置， 且均通过 滚珠滚道与丝杠1配合安装； 弹性元件4与第二滚珠螺母6的外圆配合安装， 用于将最大轴向 载荷提高 倍； 弹性元件4通过固定装置5固定。 0017 进一步地， 第一滚珠螺母2、 第二滚珠螺母6与丝杠1初始配合安装时， 施加了初始 预紧力Fp。 0018 示例性优选地， 弹性元件4具体采用低刚性垫片。 0019 示例性优选地， 。

13、固定装置5具体采用螺母， 第二滚珠螺母6的外圆有螺纹， 固定装置 5与第二滚珠螺母6的外圆通过螺纹安装固定。 0020 进一步地， 所述 为： 0021 0022 式中， F1为普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷， F2为该装置的最大 轴向载荷。 0023 其中， 普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷F1， 具体为： 0024 求取普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的预紧力Fp： 0025 0026 式中， Mtest为通过摩擦力矩测量系统检测的普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副空 载摩擦力矩， 0为接触角， 为滚珠丝杠副摩擦系数， rm为丝杠轴的半径， rb为滚珠的半径； 0027。

14、 根据预紧力Fp求取普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷F1： 0028 F12.83Fp。 0029 本发明装置的最大轴向载荷F2， 具体为： 0030 当滚珠丝杠副受到最大轴向载荷时， 第一滚珠螺母2中滚珠变形量、 第二滚珠螺母 6中滚珠变形量以及弹性元件4的轴向变形量之间的关系为： 0031 A B+ 0032 式中， 为弹性元件4的变形恢复量， A为第一滚珠螺母2中滚珠的轴向变形 说明书 2/4 页 5 CN 110081141 A 5 量， B为第二滚珠螺母6中滚珠的轴向变形量； 普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的 等于零； 0033 则该装置的最大轴向载荷F2为： 0034 。

15、0035 其中， 0036 0037 式中， cK表示丝杠赫兹接触系数， cE表示材料常数， 针对滚珠轴承钢， cE0.4643； Yn和Ys分别为螺母和丝杠在赫兹理论中对于第一类和第二类椭圆积分的辅助值； n和 s分 别为滚珠-螺母滚道和滚珠-丝杠滚道接触点处的曲率半径倒数。 0038 本发明相较普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷的区别为： 当一个加 载装置沿第一滚珠螺母2处丝杠施加轴向力时， 第一滚珠螺母2中滚珠与滚道之间的压缩变 形量不仅要抵消第二滚珠螺母6中滚珠的弹性恢复量， 还要抵消外加弹性元件4以及螺纹连 接等的弹性恢复量。 正是由于弹性元件4的初始变形量， 从而极大的提高。

16、了达到卸载状态所 需的最大轴向载荷。 且弹性元件4刚性越低其初始变形量越大， 则达到卸载状态所需的最大 轴向载荷也越大。 0039 实施例 0040 结合图2， 本发明实施例的实验验证装置是在图1装置上加装载荷加载装置7、 防转 机构8、 键9、 轴向固定机构10、 支撑面11、 力传感器12， 用以获取实验数据， 进行验证。 其关系 如下： 0041 载荷加载装置7的力通过防转机构8传递给丝杠1的轴向， 载荷加载装置7的加载方 向是自上向下加载的； 防转机构8内壁开有键槽， 通过键9与丝杠1开有键槽的轴段配合。 0042 轴向固定机构10包括4个螺钉， 该4个螺钉90度均布安装在螺母套筒3上。

17、， 力传感器 12数量为2个， 以180度均布在螺母套筒3与弹性元件4之间， 螺母套筒3通过轴向固定机构10 和支撑面11固定。 0043 特别说明， 本实施例为了测得真实的最大轴向载荷， 进而对本发明装置的效果进 行验证， 在弹性元件4处安装力传感器12， 并没有改变本发明装置的实质结构。 0044 本实施例中， 提高双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副最大轴向载荷实验测量过程， 包 括以下测量步骤： 0045 步骤1、 根据图2所示装置的结构关系装配各个零件； 0046 步骤2、 启动载荷加载装置7， 加载读数校准清零， 自上向下给丝杠1加载轴向力， 螺 母套筒3受到竖直向下的轴向载荷， 此时第一滚。

18、珠螺母2中滚珠与滚道之间的压力逐渐增 大， 而第二滚珠螺母6中滚珠与滚道之间的压力逐渐减小； 0047 步骤3、 继续增大加载力， 当轴向载荷增大到一定程度时， 第二滚珠螺母6中滚珠与 滚道将出现完全脱开的状态， 即达到卸载状态。 在此过程中观察力传感器12的示数， 当力传 感器12示数逐渐减小直至变为零时， 立即停止载荷加载装置7的加载； 0048 步骤4、 读取载荷加载装置7上的力的大小， 该力即为双螺母垫片式预紧滚珠丝杠 副最大轴向载荷F2； 说明书 3/4 页 6 CN 110081141 A 6 0049 步骤5、 普通双螺母垫片式预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷F1依据传统的2.83倍。

19、 理论求得： 0050 F12.83Fp 0051 则本发明理论最大轴向载荷增大倍数为 F2/F1。 0052 说明： 本次试验选取的预紧力水平分别为： 1000N、 2000N、 3000N和4000N。 假设螺母 套筒3、 低刚性垫片4、 力传感器12的刚性值分别以KT、 KD、 KC表示， 则三者的综合刚性KZ为： 0053 0054 通过计算以及查找厂家手册可知， 螺母套筒3、 低刚性垫片4、 力传感器12的刚性值 分别为29296N/ m、 82307N/ m以及117N/ m， 所以三者的综合刚性KZ为345N/ m。 0055 特别说明， 本实施例中力传感器12的刚性值117N/。

20、 m远远小于低刚性垫片4的刚性 值82307N/ m， 将图2实验验证装置中力传感器12和低刚性垫片4整体等效为一个刚性极低 的低刚性垫片4。 实验结果如下表1所示： 0056 表1不同预紧力水平下最大轴向载荷的试验值与理论值与增大倍数 0057 0058 由上述实验实例可以看出， 本发明装置的最大轴向载荷比普通双螺母垫片式预紧 滚珠丝杠副2.83倍理论(2.83倍理论： 目前国内外普遍采用滚珠丝杠副的预紧力的2.83倍 来表示滚珠丝杠副最大轴向载荷)的最大轴向载荷大很多， 能够验证本发明装置的可行性 和正确性。 0059 本发明的装置能在不影响滚珠丝杠副结构和性能的前提下极大提高滚珠丝杠副 的最大轴向载荷， 通过更换不同弹性元件如不同低刚性的垫片(或者其他具有相同效果的 弹性元件)来调节增大提高倍数， 可以使同样的滚珠丝杠能适应不同轴向载荷的工程场合， 如注塑机、 打桩机等。 该装置为双螺母垫片式滚珠丝杠副提供了新的设计思路， 对滚珠丝杠 的性能提升具有重要的意义。 说明书 4/4 页 7 CN 110081141 A 7 图1 图2 说明书附图 1/1 页 8 CN 110081141 A 8 。