RU2522730C2

RU2522730C2 - Rotation-to-translation converter

Info

Publication number: RU2522730C2
Application number: RU2012145737/11A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Блинов; Борис Олегович Дубовецкий; Наталья Владимировна Верещака
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012145737A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: rotation-to-translation converter consists of a screw (1) and a unit moving translationally. The said unit consists of a casing (2) and a cover (3) which is connected to the casing (2) by screws (4) with spring washers (5) and a pin (6). Rollers (11) fitted with a thread along the whole their length are installed inside the casing (2). The roller (11) thread turns are engaged with the screw (1) thread turns. The thread rollers on their ends are fitted by spherical undercuts, inside which balls (12) are set. All rollers are prevented from the radial displacement by two rings (13). For the purpose of work synchronisation, additional rings (14) are provided, their internal tooth rims are geared with external tooth rims which are made at the opposite ends of every roller immediately on the thread. The axial displacement of additional rings is limited by the ends of the rings (13) and ends on the cover (7) or at semi-rings (10) coupled to the cover (3).

EFFECT: durability and accuracy of the device, increased load-carrying capacity.

2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве механической винтовой передачи для преобразования вращательного движения в поступательное.The invention relates to mechanical engineering and can be used as a mechanical screw drive for converting rotational motion into translational.

Известна планетарная роликовинтовая передача (см. Решетов Д.Н. «Детали машин», учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов, 4-е издание, Москва, Машиностроение, 1989 год, стр.314), состоящая из винта, гайки и установленных между ними резьбовых роликов. Ролики, которые имеют, как правило, однозаходную резьбу, своими торцовыми шейками установлены в сепараторах. Чтобы исключить самопроизвольное вывинчивание роликов, они дополнительно связаны по торцам с гайкой зубчатыми зацеплениями. Витки роликов находятся в резьбовых зацеплениях с витками винта и гайки. При этом на винте выполняют наружную многозаходную резьбу, а на гайке - внутреннюю многозаходную резьбу.Known planetary roller screw transmission (see D. Reshetov, “Machine Details”, a textbook for students of engineering and mechanical specialties of universities, 4th edition, Moscow, Engineering, 1989, p. 314), consisting of a screw, a nut and installed between threaded rollers. Rollers, which have, as a rule, single-thread, are installed in cages with their end necks. To exclude spontaneous unscrewing of the rollers, they are additionally connected along the ends with a nut by gears. The turns of the rollers are in threaded engagement with the turns of the screw and nut. At the same time, an external multi-thread is performed on the screw, and an internal multi-thread is performed on the nut.

Основным недостатком данной планетарной роликовинтовой передачи является технологическая сложность изготовления на внутренней поверхности гайки, закаленной до высокой твердости, высокоточной многозаходной резьбы (как правило, пяти- или шестизаходной). Для изготовления резьбы на гайке требуется дополнительный прецизионный станок. В основном по этим причинам освоение производства планетарных роликовинтовых передач, которые по большинству эксплуатационных параметров превосходят другие передачи для преобразования вращательного движения в поступательное, в России затруднено. В мире изготовление планетарных роликовинтовых передач освоили только несколько фирм.The main disadvantage of this planetary roller screw transmission is the technological complexity of manufacturing on the inner surface of the nut, hardened to high hardness, high-precision multi-thread (usually five- or six-way). An additional precision machine is required to make a thread on a nut. Mainly for these reasons, the development of the production of planetary roller screw gears, which in most operational parameters is superior to other gears for converting rotational motion into translational, is difficult in Russia. In the world, only a few companies have mastered the manufacture of planetary roller screw drives.

При этом резьбовая гайка, рассматриваемой планетарной роликовинтовой передачи, выполняет следующие функции:In this case, the threaded nut of the planetary roller screw drive under consideration performs the following functions:

- воспринимает осевую силу с исполнительного механизма и передает ее через ролики на винт:- perceives axial force from the actuator and transfers it through the rollers to the screw:

- удерживает ролики от перемещения в радиальном направлении от оси винта к гайке;- keeps the rollers from moving in the radial direction from the axis of the screw to the nut;

- участвует в преобразовании вращательного движения в поступательное.- participates in the conversion of rotational motion to translational.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для преобразования вращательного движения в поступательное, см. патент РФ №2374527 «Устройство для преобразования вращательного движения в поступательное», F16H 25/00 - 25/24, БИ №33, 2009 г., которое выбрано в качестве прототипа. Данное устройство состоит из винта, корпуса с закрепленными к нему крышками, резьбовых роликов, двух колец, шаров, количество которых в два раза больше числа резьбовых роликов, уплотнений и других деталей.Of the known technical solutions, the closest in technical essence to the claimed device is a device for converting rotational motion into translational, see RF patent No. 2374527 "Device for converting rotational motion into translational", F16H 25/00 - 25/24, BI No. 33, 2009, which is selected as a prototype. This device consists of a screw, a housing with covers fixed to it, threaded rollers, two rings, balls, the number of which is two times the number of threaded rollers, seals, and other parts.

Резьбовые ролики установлены в корпусе с возможностью поворота вокруг собственной оси. При работе устройства обычно винт вращается, а корпус вместе с резьбовыми роликами совершает поступательное движение. Рабочая осевая сила в устройстве передается с винта на ролики за счет резьбовых сопряжений витков этих деталей, а затем с резьбовых роликов на одну из крышек корпуса через шары. Для этого сферические поднутрения выполнены на торцах каждого резьбового ролика и на внутренних торцовых поверхностях крышек. Центры этих сферических поднутрений расположены на оси соответствующего ролика. Каждый шар одновременно устанавливается в поднутрение резьбового ролика и в поднутрение крышки. При этом радиус шара должен быть меньше радиуса поднутрения в резьбовых роликах и крышках примерно на 2-3%. На цилиндрической резьбовой поверхности каждого ролика выполняются два кольцевых паза, в которые устанавливаются кольца, удерживающие ролики в радиальном направлении.Threaded rollers are mounted in the housing with the possibility of rotation around its own axis. During the operation of the device, the screw usually rotates, and the housing, along with the threaded rollers, performs a translational motion. The working axial force in the device is transmitted from the screw to the rollers due to the threaded mates of the turns of these parts, and then from the threaded rollers to one of the housing covers through the balls. For this, spherical undercuts are made at the ends of each threaded roller and on the inner end surfaces of the covers. The centers of these spherical undercuts are located on the axis of the corresponding roller. Each ball is simultaneously installed in the undercut of the threaded roller and in the undercut of the cover. Moreover, the radius of the ball should be less than the radius of the undercut in the threaded rollers and covers by about 2-3%. On the cylindrical threaded surface of each roller, two annular grooves are made in which rings are mounted that hold the rollers in the radial direction.

Данное устройство имеет следующие основные недостатки.This device has the following main disadvantages.

1. Невысокую нагрузочную способность из-за неравномерного распределения рабочей осевой силы между роликами. Кроме того, несколько роликов воспринимают большую часть рабочей осевой силы и изнашиваются раньше, чем другие ролики, что понижает долговечность устройства.1. Low load capacity due to the uneven distribution of the working axial force between the rollers. In addition, several rollers absorb most of the working axial force and wear out earlier than other rollers, which reduces the durability of the device.

2. Невысокую осевую точность перемещения выходного звена из-за проскальзывания роликов.2. Low axial accuracy of movement of the output link due to slippage of the rollers.

Эти недостатки объясняются тем, что средние диаметры резьбы всех роликов неодинаковы. Указанные диаметры имеют разброс, хотя и в очень узком диапазоне. Отсюда различны угловые скорости вращения роликов и различны контактные условия для сопрягаемых витков винта и роликов.These disadvantages are explained by the fact that the average thread diameters of all the rollers are not the same. The indicated diameters are scattered, although in a very narrow range. Hence, the angular rotational speeds of the rollers are different and the contact conditions for the mating turns of the screw and the rollers are different.

Техническим результатом изобретения является повышение нагрузочной способности, долговечности и точности устройства для преобразования вращательного движения в поступательное за счет синхронизации работы роликов.The technical result of the invention is to increase the load capacity, durability and accuracy of the device for converting rotational motion into translational motion due to the synchronization of the rollers.

Поставленная задача достигается тем, что устройство снабжено двумя дополнительными кольцами с прямозубыми внутренними зубчатыми венцами, а на цилиндрической резьбовой поверхности каждого ролика с двух сторон между торцом и кольцевым пазом выполнены прямозубые наружные зубчатые венцы, которые зацепляются с внутренними зубчатыми венцами дополнительных колец, причем зубья прямозубых наружных зубчатых венцов у различных торцов каждого ролика расположены на одних и тех же образующих, на крышках выполнены конструктивные элементы с торцами, предназначенными для осевого ограничения с одной стороны дополнительных колец, а соответствующие торцы основных колец предназначены для осевого ограничения с другой стороны дополнительных колец.The task is achieved in that the device is equipped with two additional rings with spur internal gears, and on the cylindrical threaded surface of each roller on both sides between the end and the ring groove, spur outer gears are made that mesh with the internal gears of the additional rings, and the teeth are spur external gear rims at different ends of each roller are located on the same generators, structural elements are made on the covers from the end intended for axial restriction on one side of the additional rings, and the corresponding ends of the main rings are intended for axial restriction on the other side of the additional rings.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, гдеThe invention is illustrated by the accompanying drawings, where

- на фиг.1 показан общий вид устройства;- figure 1 shows a General view of the device;

- на фиг.2 показан разрез А - А на фиг.1.- figure 2 shows a section a - a in figure 1.

Устройство для преобразования вращательного движения в поступательное (см. фиг.1) состоит из винта 1 и узла, совершающего поступательное перемещение с базовыми элементами «В» (цапфами под подшипники), которые предназначены для соединения указанного узла с исполнительным механизмом. Указанный узел состоит из корпуса 2 и крышки 3, которая соединена с корпусом винтами 4 с пружинными шайбами 5 и штифтом 6. К наружной торцовой поверхности крышки 3 крепится круглая пластина 8, которая удерживает маслоотражатель 9.A device for converting rotational motion into translational (see figure 1) consists of a screw 1 and a node that performs translational movement with the basic elements "B" (pins for bearings), which are designed to connect the specified node with the actuator. The specified node consists of a housing 2 and a cover 3, which is connected to the housing by screws 4 with spring washers 5 and a pin 6. A round plate 8 is attached to the outer end surface of the cover 3, which holds the oil deflector 9.

С другой стороны, см. фиг.2, к корпусу 2 с помощью винтов 4 с пружинными шайбами 5 и штифта 6 крепится крышка 7. Для обеспечения сборки устройства конструкции крышек 3 и 7 различны. На крышку 3 устанавливаются два одинаковых полукольца 10.On the other hand, see FIG. 2, a cover 7 is attached to the housing 2 by means of screws 4 with spring washers 5 and a pin 6. To ensure the assembly of the device, the structures of the covers 3 and 7 are different. Two identical half rings 10 are mounted on the cover 3.

Внутри корпуса, см. фиг.2, установлены ролики 11, количество которых обычно из условия соседства выбирают наибольшим для повышения нагрузочной способности и кинематической точности устройства (минимальное количество роликов равно трем). На всей длине роликов нарезана резьба. Витки резьбы роликов 11 зацепляются с витками резьбы винта 1. На резьбовой поверхности каждого ролика 11 у его торцов выполняют два кольцевых паза «Г», а на торцах - сферические поднутрения «Д» с радиусом R_П, центр которых расположен на оси ролика. На внутренней торцовой поверхности каждой крышки выполняют сферические поднутрения «Е» с радиусом R_П, центр которых также расположен на оси ролика, а количество поднутрений на каждой крышке равно количеству роликов. Чтобы оси всех роликов были параллельны оси винта, нужна угловая ориентация крышек относительно корпуса, которая осуществляется с помощью двух штифтов 6.Inside the case, see figure 2, the rollers 11 are installed, the number of which is usually chosen from the conditions of the neighborhood the greatest to increase the load capacity and kinematic accuracy of the device (the minimum number of rollers is three). A thread is cut along the entire length of the rollers. The threads of the threads of the rollers 11 engage with the threads of the threads of the screw 1. On the threaded surface of each roller 11 at its ends there are two annular grooves "G", and on the ends - spherical undercuts "D" with a radius R _P , the center of which is located on the axis of the roller. On the inner end surface of each cover, spherical undercuts “E” are made with radius R _P , the center of which is also located on the axis of the roller, and the number of undercuts on each cover is equal to the number of rollers. In order for the axes of all the rollers to be parallel to the axis of the screw, the angular orientation of the covers relative to the housing is needed, which is carried out using two pins 6.

Шары 12 с радиусом R_Ш, см. фиг.2, установлены одновременно в сферических поднутрениях на торце ролика 11 и одной из крышек 3 или 7 для того, чтобы передавать рабочую осевую силу с роликов на корпус с крышками и далее на исполнительный механизм (на фиг.1 и 2 не показан). При этом R_П>R_Ш на несколько процентов, чтобы обеспечить сборку.Balls 12 with a radius R _W , see figure 2, are installed simultaneously in spherical undercuts at the end of the roller 11 and one of the covers 3 or 7 in order to transmit the working axial force from the rollers to the housing with covers and then to the actuator (on Figures 1 and 2 are not shown). Moreover, R _P > R _W several percent to ensure assembly.

Одновременно в соответствующие пазы «Г» всех роликов И, см. фиг.2, с осевым зазором установлены кольца 13, которые сдерживают ролики от радиального перемещения при приложении нагрузки.At the same time, in the corresponding grooves “G” of all the And rollers, see FIG. 2, rings 13 are installed with an axial clearance, which restrain the rollers from radial movement when a load is applied.

На концах каждого ролика 11, см. фиг.2, от торца до кольцевого паза «Г» прямо по резьбе выполнены прямозубые наружные зубчатые венцы «Ж» таким образом, чтобы зубья на каждом конце ролика находились на одних и тех же образующих. Прямозубые наружные зубчатые венцы «Ж» роликов зацепляются с прямозубыми внутренними зубчатыми венцами дополнительных колец 14. Для ограничения перемещения дополнительных колец в осевом направлении используются торцы «К» колец 13 и торцы «И» на крышке 7 или на полукольцах 10, соединенных с крышкой 3.At the ends of each roller 11, see FIG. 2, from the end to the annular groove “G”, the spur outer gear crowns “G” are made directly along the thread so that the teeth at each end of the roller are on the same generatrix. The spur outer gear rims “G” of the rollers engage with the spur inner gear rims of the additional rings 14. To limit the movement of the additional rings in the axial direction, the ends “K” of the rings 13 and the ends “I” on the cover 7 or on the half rings 10 connected to the cover 3 are used .

Для регулировки осевого люфта заявляемого устройства предусмотрена, см. фиг.2, прокладка 15, которая установлена между фланцами корпуса 2 и крышки 7.To adjust the axial play of the claimed device is provided, see figure 2, the gasket 15, which is installed between the flanges of the housing 2 and the cover 7.

Для сборки заявляемого устройства необходима специальная оснастка. С помощью этой оснастки, см. фиг.2, винт 1 устанавливают вертикально, а крышку 3 без полуколец 10 - в плоскости нормальной оси винта. Дополнительное кольцо 14 устанавливают на место, которое предназначено для установки полуколец 10. В сферические поднутрения «Е» крышки 3 устанавливают шары 12.To assemble the inventive device requires special equipment. Using this equipment, see figure 2, the screw 1 is installed vertically, and the cover 3 without half rings 10 in the plane of the normal axis of the screw. The additional ring 14 is installed in place, which is intended for installation of half rings 10. In the spherical undercut "E" of the cover 3, balls 12 are installed.

Собирают узел, состоящий из всех роликов 11, в пазы «Г» которых установлены кольца 13. Указанный узел ввинчивают в резьбу винта 1 с его верхнего торца до тех пор, пока каждый ролик 11 своим сферическим поднутрением «Д» не упрется в соответствующий шар 12, см. фиг.2. В конце этой операции придется индивидуально поворачивать часть роликов.Assemble a assembly consisting of all the rollers 11 into the grooves “G” of which the rings are mounted 13. The indicated assembly is screwed into the thread of the screw 1 from its upper end until each roller 11 with its spherical undercut “D” abuts against the corresponding ball 12 see figure 2. At the end of this operation, it is necessary to individually turn part of the rollers.

Поднимая дополнительное кольцо 14, вводят в зацепление его внутренний зубчатый венец с наружными зубчатыми венцами всех роликов 11, см. фиг.2. При этом возможно придется выставлять часть роликов по угловой координате. После сборки зубчатого зацепления дополнительного кольца 14 и всех роликов 11 на крышку 3 устанавливают полукольца 10, которые не позволяют опуститься дополнительному кольцу 14. Затем на крышку 3 с полукольцами 10 устанавливают корпус 2, фиксируют корпус и крышку штифтом 6 и крепят винтами 4 с пружинными шайбами 5.Raising the additional ring 14, enter into meshing its inner gear ring with the outer gear rims of all the rollers 11, see figure 2. In this case, you may have to set some of the videos in the angular coordinate. After assembling the gearing of the additional ring 14 and all the rollers 11, half rings 10 are installed on the cover 3, which do not allow the additional ring 14 to fall. Then, the housing 2 is mounted on the cover 3 with half rings 10, the housing and the cover are fixed with a pin 6 and fastened with screws 4 with spring washers 5.

На противоположные наружные зубчатые венцы всех роликов 11, см. фиг.2, устанавливают второе дополнительное кольцо 14, которое упрется в кольцо 13. Зубчатое зацепление роликов и дополнительного кольца легко соберется, так как зубья на каждом конце ролика находятся на одних и тех же образующих. В сферические поднутрения «Д» роликов 11 устанавливают шары 12. Прокладку 15 и крышку 7 устанавливают на фланец корпуса 2 так, чтобы сферические поднутрения «Е» крышки легли на шары 12, и скрепляют крышку с корпусом с помощью штифта 6 и винтов 4 с пружинными шайбами 5. Далее проверяют осевой люфт корпуса относительно винта, и при необходимости производят регулировку с помощью уменьшения (подшлифовки) толщины прокладки 15. В итоге необходимо выбрать осевой люфт и создать предварительный натяг в механизме, который контролируется по крутящему моменту холостого хода.A second additional ring 14 is mounted on the opposite outer gear crowns of all the rollers 11, see FIG. 2, which abuts against the ring 13. The gear engagement of the rollers and the additional ring is easily assembled, since the teeth at each end of the roller are on the same generatrix . Balls 12 are installed in the spherical undercuts “D” of the rollers 11. The gasket 15 and the cover 7 are mounted on the flange of the body 2 so that the spherical undercuts “E” of the cover lie on the balls 12 and fasten the cover to the body using a pin 6 and spring screws 4 washers 5. Next, check the axial play of the housing relative to the screw, and, if necessary, make adjustments by reducing (grinding) the thickness of the gasket 15. Finally, select the axial play and create a preload in the mechanism, which is controlled by torque at idle.

При работе устройства винт 1, см. фиг.2, вращается, приводя во вращение вокруг собственной оси все ролики 11, а собранный корпус 2 вместе с роликами совершает поступательное движение. Ролики вращаются за счет сил трения и несовпадения в зоне контакта витков резьбы углов подъема резьбы винта и роликов. При этом со стороны винта на каждый ролик действуют осевая и радиальная силы. Осевые силы с роликов передаются через шары на соответствующую крышку и далее на корпус и исполнительный механизм. Радиальные силы с роликов уравновешиваются на двух кольцах 13. При этом за счет трения кольца вращаются вокруг оси винта. Дополнительные кольца 14, находящиеся в зубчатых зацеплениях со всеми роликами 11, синхронизируют их движение, не позволяя роликам проскальзывать и отставать каким-то роликам относительно других роликов. Осевое перемещение дополнительных колец 14 ограничивают торцы «К» колец 13 и торцы «И» на крышке 7 или на полукольцах 10, соединенных с крышкой 3When the device is operating, screw 1, see FIG. 2, rotates, turning all the rollers 11 into rotation around its own axis, and the assembled body 2 together with the rollers performs translational motion. The rollers rotate due to frictional forces and discrepancies in the contact zone of the threads of the thread of the angle of elevation of the thread of the screw and the rollers. In this case, from the screw side, axial and radial forces act on each roller. Axial forces from the rollers are transmitted through the balls to the corresponding cover and then to the housing and actuator. The radial forces from the rollers are balanced on the two rings 13. In this case, due to friction, the rings rotate around the axis of the screw. Additional rings 14, which are in gear meshes with all the rollers 11, synchronize their movement, preventing the rollers from slipping and lagging behind some rollers relative to other rollers. The axial movement of the additional rings 14 is limited by the ends “K” of the rings 13 and the ends “I” on the cover 7 or on the half rings 10 connected to the cover 3

По сравнению с устройством-прототипом в заявляемом устройстве:Compared with the prototype device in the inventive device:

- за счет отсутствия проскальзывания роликов повышается кинематическая точность;- due to the lack of slippage of the rollers increases the kinematic accuracy;

- за счет синхронизации работы роликов выравнивается распределение рабочей осевой силы между роликами, что позволяет повысить нагрузочную способность устройства и его долговечность;- due to the synchronization of the rollers, the distribution of the working axial force between the rollers is leveled, which allows to increase the load capacity of the device and its durability;

- зубчатые зацепления не позволяют перекашиваться роликам в плоскости, касательной к поверхности винта, что также способствует выравниванию нагрузки между роликами, уменьшает риск заклинивания и, как следствие, повышает долговечность заявляемого устройства.- gearing does not allow the skews to warp in the plane tangent to the surface of the screw, which also helps to balance the load between the rollers, reduces the risk of jamming and, as a result, increases the durability of the claimed device.

Claims

A device for converting rotational motion into translational, containing a screw, a housing with lids fixed to it, n mounted in the housing with the possibility of rotation around its axis of the rollers, each of which has a cylindrical threaded surface along its entire length, spherical undercuts at the ends centered on the axis of the roller and two ring grooves made on the cylindrical threaded surface of the roller near its ends, two rings and 2 N balls, and the screw and rollers are in threaded engagement, spherical undercuts are made on each cover, the centers of which are also located on the axis of the corresponding roller, each ring is installed in the corresponding groove of all the rollers, and each ball is installed simultaneously in spherical undercuts on one of the ends of the roller and corresponding cover, characterized in that it is provided with two additional rings with spur internal gears, and on the cylindrical threaded surface of each roller with two sides n between the end face and the annular groove there are spur outer tooth rims that mesh with the inner gear rims of the additional rings, while the teeth of the spur outer gear rims at the different ends of each roller are located on the same generators, structural elements with ends designed for axial restriction on one side of the additional rings, and the corresponding ends of the main rings are intended for axial restriction on the other side of the additional rings.