滾柱絲杠領(lǐng)域的全球?qū)＠治?/h1>
2015-12-22 02:41:59王小波吳志敏賈丹白欣欣
汽車零部件 2015年4期
王小波，吳志敏， 賈丹，白欣欣
(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215000 )
滾柱絲杠領(lǐng)域的全球?qū)＠治?/p>
王小波，吳志敏， 賈丹，白欣欣
(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215000 )
滾柱絲杠副是一種可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動裝置，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、航空機械和武器裝備以及石油、化工、機床等領(lǐng)域，并成為國內(nèi)外研究熱點。介紹了3種類型滾柱副的工作原理，并利用強大的專利檢索系統(tǒng)(S系統(tǒng))中的CNABS、SIPOABS、DWPI等數(shù)據(jù)庫從多方面對滾柱絲杠專利進行了統(tǒng)計分析和梳理，從國內(nèi)外專利申請趨勢、申請人以及關(guān)鍵技術(shù)專利等方面進行深入分析。通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，為我國滾柱絲杠領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和專利申請?zhí)峁﹨⒖迹⒔o出相關(guān)發(fā)展建議。
滾柱絲杠；專利分析；S系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)
0 前言
滾柱絲杠副是一種可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動裝置，由于它具有承載能力強、精度高、頻響快、高速運行時噪聲小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、航空機械和武器裝備以及石油、化工、機床等領(lǐng)域[1-4]。其最典型的應(yīng)用實例是1976—1992年，總共14架超音速的大型客機在法航和英航的航線上飛行，每架航空飛機安裝有8個行星滾柱絲杠副以控制發(fā)動機吸氣機構(gòu)，在正常運轉(zhuǎn)的情況下施加在絲杠上載荷變化范圍為-21 000～9 275 N，溫度變化范圍為-60～140 ℃，而行星絲杠副在如此高載荷、大溫差的惡劣環(huán)境工況下沒有一個失效。由此可見，滾柱絲杠副相對于其他類型的傳動副尤其是滾珠絲杠副有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢。同樣原因，滾柱絲杠副也被應(yīng)用于汽車上的伺服電動缸。
滾柱絲杠副在國外已經(jīng)是一種比較成熟的產(chǎn)品，但是在國內(nèi)到目前為止，對其基礎(chǔ)理論的研究還處于起始階段，研制水平還比較薄弱，也并沒有開發(fā)推廣成熟產(chǎn)品。作者意在對該技術(shù)的專利文獻進行檢索的基礎(chǔ)上，分析該技術(shù)的現(xiàn)狀并預測未來的發(fā)展趨勢，并且對照各主要國家和申請人的專利活動，對我國在該技術(shù)上的專利申請活動給出客觀定位，對我國主要申請人的專利活動作全面評價，以期在國際化的大潮下，對我國在滾柱絲杠領(lǐng)域的發(fā)展提供一些有價值的信息。
1 滾柱絲杠技術(shù)概述
1.1 發(fā)展歷程
瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年申請了循環(huán)式行星滾柱絲杠的發(fā)明專利(申請?zhí)朏R888281)，開啟了滾柱絲杠領(lǐng)域的時代，他隨后又申請了一系列關(guān)于滾柱絲杠副的專利；William J Roantree于1968年申請了差動式滾柱絲杠副的專利，Timonthy A Erhart于1993年發(fā)明了包含差動軸承環(huán)型滾柱絲杠的線性馬達，并申請了專利。至此，行星滾柱絲杠已經(jīng)發(fā)展成較為成熟的系列產(chǎn)品在全球廣泛推廣開來，在發(fā)展過程也出現(xiàn)了其他類型的絲杠滾柱副。
滾柱絲杠副根據(jù)滾柱與絲杠的位置關(guān)系分為3種類型：(1)滾柱與絲杠垂直布置的類型；(2)行星滾柱絲杠類型；(3)滾柱與絲杠平行布置的非行星滾柱絲杠類型。其中，行星滾柱絲杠副(Planetary Roller Screw)是其中最為常見的一種類型，而行星滾柱絲杠副(PRS)的結(jié)構(gòu)形式主要是通過滾柱相對于絲杠和螺母的運動關(guān)系來分類，常見的PRS有5種結(jié)構(gòu)形式，即：標準式、反向式、循環(huán)式、差動式和軸承環(huán)式。
到目前為止，全球生產(chǎn)滾柱絲杠的廠商主要有：瑞典的SKF公司、日本的THK株式會社以及NTN株式會社，各大廠商都開發(fā)了系列產(chǎn)品，例如SKF公司的SR、T/PR、SV、PV系列。
1.2 3種類型絲杠滾柱副的工作原理
圖1是布置方式為滾柱垂直絲杠類型的典型專利申請(專利公開號DE1111905 B)，包括滾柱1、支撐滾柱的導軌2以及絲杠3，滾柱1垂直絲杠3布置并與其耦合，動力機構(gòu)驅(qū)動絲杠3轉(zhuǎn)動，滾柱1與絲杠3摩擦結(jié)合，使絲杠3沿著導軌2直線移動，將絲杠3的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線或弧線運動，滾柱1與絲杠3之間的接觸為滾動摩擦，有效提高了傳動效率。
如圖2所示，典型的行星滾柱絲杠副PRS主要由3個部件組成，即絲杠、滾柱、螺母(齒圈)，其中絲杠是多頭螺紋；滾柱是具有相同牙型角的單頭螺紋，其牙型輪廓通常加工成球面，用于提高承載能力、降低摩擦、提高效率；螺母是具有與絲杠相同頭數(shù)和牙型的內(nèi)螺紋。若干個滾柱沿絲杠圓周方向均勻分布。
圖3為行星滾柱絲杠副的運動原理圖，可以看出行星絲杠的傳動原理與行星輪系相似，絲杠可以看作太陽輪，滾柱作為行星輪，螺母作為齒圈，當絲杠旋轉(zhuǎn)且螺母固定時，滾柱圍繞絲杠作行星運動，同時通過螺旋傳動原理，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線往復運動。行星絲杠傳動3個部件之間的接觸為多點接觸，所以比單點接觸的滾珠絲杠更有技術(shù)優(yōu)勢。
除上述類型外，還有第3種類型，即滾柱與絲杠平行布置的非行星滾柱絲杠類型，與行星滾柱絲杠類型的布置方式類似，所不同的僅僅是滾柱只自轉(zhuǎn)、不進行公轉(zhuǎn)。
2 滾柱絲杠專利技術(shù)狀況分析
作者利用S系統(tǒng)中的CNABS、SIPOABS、DWPI等數(shù)據(jù)庫從多方面對滾柱絲杠領(lǐng)域進行了統(tǒng)計分析，為我國滾柱絲杠領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和專利申請?zhí)峁﹨⒖?。截止?2014年10月6日，對于涉及滾柱絲杠領(lǐng)域的專利申請，在上述數(shù)據(jù)庫中檢索并經(jīng)過篩選和數(shù)據(jù)處理，得到有效的滾柱絲杠相關(guān)技術(shù)的全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)1310項，中國專利申請數(shù)據(jù)241項。
2.1 檢索策略
對滾柱絲杠領(lǐng)域的檢索，主要依賴于IPC分類號、EC分類號、CPC分類號、FT分類號與關(guān)鍵詞。針對分類號和數(shù)據(jù)庫的特點，在分類準確的SIPOABS數(shù)據(jù)庫中通過FT/CPC/EC+關(guān)鍵詞的方式進行檢索；在關(guān)鍵詞更準確的DWPI數(shù)據(jù)庫中通過IPC/EC+關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞+關(guān)鍵詞的策略檢索；在CNABS數(shù)據(jù)庫中采用IPC+關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞+關(guān)鍵詞的檢索策略，對上述檢索結(jié)果先進行合并去重處理，再統(tǒng)計分析。
2.2 全球?qū)＠暾垹顩r分析
2.2.1 全球?qū)＠暾埖臅r間發(fā)展趨勢
圖4為1968—2013年滾柱絲杠領(lǐng)域全球?qū)＠暾垟?shù)量隨時間的變化趨勢，2012—2013年的申請量下降的原因是發(fā)明專利申請至公開的時間段較長，導致數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完全，僅供參考?？梢钥闯?，滾柱絲杠領(lǐng)域經(jīng)歷了萌芽期(1942—1972年)、穩(wěn)定發(fā)展期(1972—1993年)、快速發(fā)展期(1994—2005年)以及成熟期(2006—至今)。滾柱絲杠在1942年誕生后進入萌芽期，經(jīng)過二十多年的緩慢發(fā)展之后在1972年進入穩(wěn)定發(fā)展期，相關(guān)的專利申請數(shù)量穩(wěn)定在20項左右；在1994年之后進入快速發(fā)展期，專利申請量呈現(xiàn)快速增長趨勢；在2006年之后進入成熟期。值得注意的是：由于受2008—2009年世界經(jīng)濟危機的影響，滾柱絲杠領(lǐng)域，全球?qū)＠暾垟?shù)量下降，在2010年之后隨著全球經(jīng)濟回暖，滾柱絲杠領(lǐng)域的相關(guān)專利申請數(shù)量也開始逐年回升。
2.2.2 申請量的區(qū)域分布
從圖5可以看出：行星滾柱絲杠領(lǐng)域申請產(chǎn)出排在前6位的國家或地區(qū)是日本、美國、中國、俄羅斯和法國，其中日本的申請量最大，約占全部申請總數(shù)的34%，美國、俄羅斯申請量比較接近，中國的申請量僅次于上述國家。此外，我國臺灣地區(qū)的專利申請量也排在前十之中，表明臺灣也相當重視該技術(shù)的研發(fā)，這也為兩岸開展此領(lǐng)域的合作研究奠定了良好的基礎(chǔ)。
2.2.3 全球主要申請人分析
通過對檢索到的1310項專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，排名前10位的申請人和申請量如圖6所示。可以看出：截止統(tǒng)計日，NTN株式會社、謝夫勒科技有限公司、日本精工株式會社、THK株式會社、豐田公司、SKF等公司在滾柱絲桿領(lǐng)域的專利申請量都比較大，株式會社日立制作所、BLINOV公司以及波音公司在相關(guān)領(lǐng)域也比較強勢。并且，在排名前十的申請人中，有一半申請人屬于日本，反映了日本在滾柱絲杠領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，取得了集團領(lǐng)先優(yōu)勢；而中國大陸的申請人并不在上述排名中，說明在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)在全球范圍內(nèi)比較薄弱。具體到滾柱絲杠結(jié)構(gòu)分類方面的專利申請方向，NTN株式會社、謝夫勒科技有限公司、豐田公司、SKF以及波音公司側(cè)重于滾柱與絲杠平行布置類型的專利申請，尤其是行星滾柱絲杠類型，日本精工株式會社、上銀科技股份有限公司等更側(cè)重于滾柱與絲杠大致垂直類型的專利申請。
NTN株式會社是世界綜合性精密機械制造廠家之一，從20世紀90年代開始申請滾柱絲杠相關(guān)領(lǐng)域的專利，進入21世紀后，在滾柱絲杠領(lǐng)域的申請量急速上升，已經(jīng)超越SKF、ROLLVIS等老牌公司。然而，值得注意的是，當前NTN株式會社在滾柱絲杠領(lǐng)域的市場份額并不如SKF和ROLLVIS等公司，而這充分說明日本的企業(yè)相比其他國家或地區(qū)的企業(yè)更注重專利布局，更好地執(zhí)行了“技術(shù)發(fā)展，專利先行”的發(fā)展戰(zhàn)略。
2.3 中國專利申請狀況分析
2.3.1 中國專利申請的時間發(fā)展趨勢
通過統(tǒng)計CNABS數(shù)據(jù)庫滾柱絲杠領(lǐng)域的專利申請量，得到申請量隨時間變化趨勢，如圖7所示。
從圖7可以看出：與國外的技術(shù)相比，中國的滾柱絲杠領(lǐng)域起步較晚，直到20世紀90年代行星滾柱絲杠副的概念才開始引入中國，加上對其基礎(chǔ)理論的研究比較薄弱，所以行星滾柱絲杠副的專利申請在1987—2003之間數(shù)量較少，而在中國的中國專利申請數(shù)量從2003年之后開始活躍，申請數(shù)量開始上升，其原因主要在于：(1)隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，中國已經(jīng)成為機械設(shè)備的最大消費市場之一，各大公司(例如THK株式會社、SKF公司、NTN株式會社等)著眼于中國市場，大量的國外申請進入我國；(2)國內(nèi)的高校研究機構(gòu)和公司也開始積極進行研究，申請相關(guān)專利，該領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力正在逐漸增強。與全球相關(guān)領(lǐng)域申請數(shù)量變化趨勢類似，由于2008—2009年世界經(jīng)濟危機的影響，在中國的滾柱絲杠領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量下降，在2010年之后隨著全球經(jīng)濟回暖，滾柱絲杠領(lǐng)域的相關(guān)專利申請數(shù)量也開始逐年回升。
2.3.2 中國專利申請的申請人分析
圖8是在中國申請的國外申請人和國內(nèi)申請人各自所占的比重，可以看出：國外申請人在華申請數(shù)量反而大于本國申請人的申請數(shù)量，占到約55%。這是由于：(1)由于中國經(jīng)濟迅速發(fā)展，已逐漸成為機械設(shè)備的最大消費市場之一，國外公司非常重視在華市場；(2)相對于中國的企業(yè)，國外的企業(yè)歷來重視知識產(chǎn)權(quán)的保護，專利申請的積極性較高；(3)相對于國外，中國在滾柱絲杠領(lǐng)域的研究才剛剛起步，導致技術(shù)遠遠落后于其他先進國家，另外中國的企業(yè)和科研機構(gòu)對知識產(chǎn)權(quán)保護的意識還比較薄弱，申請專利數(shù)量較少。
圖9顯示出我國申請人的類型分布情況，可以看出：我國申請人中公司申請62件占到57%，個人申請的比例要高于高校申請與科研機構(gòu)申請數(shù)量的總和，占總量的24%。這說明高校和科研機構(gòu)還不夠重視滾珠絲杠領(lǐng)域的研發(fā)，而公司申請才占到一半，這說明國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的資金投入和研發(fā)力量不足，且在上述專利申請中，實用新型占到了很大比例，而外國申請人在中國的申請均為發(fā)明專利，這說明國外的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，國內(nèi)的技術(shù)水平還有待提高。
2.3.3 中國專利申請量的地域分布
圖10顯示出了滾柱絲杠領(lǐng)域的申請人地區(qū)分布，可以看出：江蘇、陜西、臺灣、浙江、廣東、上海以及北京位居前七，江蘇以絕對的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他地區(qū)。專利分布格局的原因主要在于以下幾個方面：申請專利的主要省市大多數(shù)是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達為研發(fā)提供了充裕的資金支持；其次，這些地方積極支持知識產(chǎn)權(quán)保護，鼓勵申請專利；另外，中國發(fā)展該領(lǐng)域的高校、重點企業(yè)和科研機構(gòu)集中分布在上述省市地區(qū)。
2.4 滾柱絲杠關(guān)鍵技術(shù)專利
瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年申請了循環(huán)式行星滾柱絲杠的發(fā)明專利(申請?zhí)朏R888281A)，如圖11所示，該結(jié)構(gòu)的滾柱沒有上升螺旋角，開啟了行星滾柱絲杠領(lǐng)域的時代，Strandgren隨后又申請了一系列關(guān)于滾柱絲杠副的專利，包括具有螺旋上升角滾柱的行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)。
William J Roantree于1967年申請了差動式滾柱絲杠副的專利(申請?zhí)朥S19670661860A)， 與以前的行星滾柱絲杠不同，如圖12所示，其中螺母1、滾柱2、絲杠3上螺紋頭數(shù)的選擇均不同，并且滾柱和絲杠的導程都為零，在滾柱上制造螺旋升角不同的兩種滾道使其具有差動齒輪傳動的特點，該方式的失效是剛開始運動時位置控制的不精確和螺母中的推力軸承失效。
德國航空及宇航研究及試驗協(xié)會于1987年申請了一項專利申請(申請?zhí)朌E3739059A)，如圖13所示，該PRS結(jié)構(gòu)包括心軸1、細螺紋2、封蓋3、滾柱4、凸起5、螺母8、內(nèi)導槽9，該滾柱4具有兩種齒形6、7，其中一種細螺紋的齒形6產(chǎn)生對絲杠上的齒形的軸向動力嚙合，而另一種較粗的齒形7對螺母上的齒型產(chǎn)生軸向動力嚙合，可以提供非常高的效率和較高的降速比。
美國EXLAR公司于1993年申請了一項專利發(fā)明，該發(fā)明涉及一種具有位置反饋傳感器的線性驅(qū)動器，發(fā)明人為著名的 Timonthy A Erhart，該線性驅(qū)動器是一種包含差動軸承環(huán)型滾柱絲杠的線性馬達，如圖14所示，包括外殼1、輸出軸2、滾柱3、定子4、螺母5和磁體6，從此之后滾柱絲杠在精密儀器領(lǐng)域得到了更廣發(fā)的應(yīng)用。
3 結(jié)束語
隨著滾柱絲杠副尤其是PRS各種優(yōu)點的凸顯以及加工手段的多樣化，其大推力、高頻響、長壽命等特點越來越符合航空航天和武器裝備的發(fā)展趨勢和要求，滾柱絲杠副的研究和專利申請也越來越受到重視。而通過對滾柱絲杠領(lǐng)域的專利申請狀況分析可以看出：由于時間發(fā)展差異，該產(chǎn)業(yè)的巨頭企業(yè)大多屬于日本、歐洲和美國公司(例如瑞典SKF公司、日本NTN株式會社)，這些國家的專利申請數(shù)量多并且技術(shù)含量也較高，形成了滾柱絲杠技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，專利優(yōu)勢非常明顯；與之相比較，中國在滾柱絲杠領(lǐng)域的研究和發(fā)展還處于起始階段，相關(guān)研究過少，自主研發(fā)的專利申請數(shù)量較少。在今后的發(fā)展中，建議國內(nèi)的公司和科研機構(gòu)應(yīng)借鑒國外先進經(jīng)驗，加大研發(fā)力度，重視滾柱絲杠尤其是行星滾柱絲杠的基礎(chǔ)理論研究以及核心技術(shù)的開發(fā)，逐步縮小與國外企業(yè)在技術(shù)上的差距；重視科研機構(gòu)與企業(yè)合作開發(fā)；遵循“技術(shù)發(fā)展，專利先行”的指導思想，積極籌備相關(guān)領(lǐng)域的專利申請，形成技術(shù)壁壘，從而掌握市場的主動權(quán)。
【1】馬尚君,劉更,周建星,等.行星滾柱絲杠副運轉(zhuǎn)過程動態(tài)特性分析[J].振動與沖擊，2013，32(3):167-171.
【2】Rosero J A,Ortega J A,Aldabas E,et al.Moving Towards a More Electric Air-craft[J].Aerospace and Electronic Systems,2007,22(3):1-7.
【3】董永,劉更,馬尚君,等.行星滾柱絲杠副滾柱的設(shè)計方法與虛擬裝配[J].機械設(shè)計，2013，30(8)：53-70.
【4】劉更,馬尚君.佟瑞庭,等.行星滾柱絲杠副的新發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].機械傳動，2012，36(5)：103-109.
ResearchReviewonGlobalRollerScrewFieldPatent
WANG Xiaobo, WU Zhimin, JIA Dan, BAI Xinxin
(Patent Exanination Cooeration Jiangsu Center of the Patent Office SIPO,Suzhou Jiangsu 215000，China)
The roller screw is a mechanical transmission device converting rotary motion into linear motion or vice versa, which is widely used in aviation machinery and weaponry as well as vehicle industry, petroleum, chemicals, machine tools and other fields, and has become the domestic and foreign research focus. The working principles of three kinds of roller screw pair were introduced. Global roller screw patents were collected and statistical analyzed by the specialized patent searching and analyzing platform of S system, that including CNABS,SIPOABS, DWPI and other databases. The research status and developmental trend of roller screw were summarized from the aspects of domestic and international time trends, national distribution, technical branches distribution, applicant distribution and key technology patents. Based on the summaries and related analysis, some suggestions were presented for future roller screw research and development in China.
Roller screw; Patent analysis; S system; Key technology
2015-03-01
王小波(1986—)，男，工學碩士，實質(zhì)審查員，從事車輛領(lǐng)域發(fā)明實質(zhì)審查工作。E-mail：light225@sina.com。
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滾柱絲杠副是一種可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動裝置，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、航空機械和武器裝備以及石油、化工、機床等領(lǐng)域，并成為國內(nèi)外研究熱點。介紹了3種類型滾柱副的工作原理，并利用強大的專利檢索系統(tǒng)(S系統(tǒng))中的CNABS、SIPOABS、DWPI等數(shù)據(jù)庫從多方面對滾柱絲杠專利進行了統(tǒng)計分析和梳理，從國內(nèi)外專利申請趨勢、申請人以及關(guān)鍵技術(shù)專利等方面進行深入分析。通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，為我國滾柱絲杠領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和專利申請?zhí)峁﹨⒖迹⒔o出相關(guān)發(fā)展建議。
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0 前言
滾柱絲杠副是一種可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動裝置，由于它具有承載能力強、精度高、頻響快、高速運行時噪聲小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、航空機械和武器裝備以及石油、化工、機床等領(lǐng)域[1-4]。其最典型的應(yīng)用實例是1976—1992年，總共14架超音速的大型客機在法航和英航的航線上飛行，每架航空飛機安裝有8個行星滾柱絲杠副以控制發(fā)動機吸氣機構(gòu)，在正常運轉(zhuǎn)的情況下施加在絲杠上載荷變化范圍為-21 000～9 275 N，溫度變化范圍為-60～140 ℃，而行星絲杠副在如此高載荷、大溫差的惡劣環(huán)境工況下沒有一個失效。由此可見，滾柱絲杠副相對于其他類型的傳動副尤其是滾珠絲杠副有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢。同樣原因，滾柱絲杠副也被應(yīng)用于汽車上的伺服電動缸。
滾柱絲杠副在國外已經(jīng)是一種比較成熟的產(chǎn)品，但是在國內(nèi)到目前為止，對其基礎(chǔ)理論的研究還處于起始階段，研制水平還比較薄弱，也并沒有開發(fā)推廣成熟產(chǎn)品。作者意在對該技術(shù)的專利文獻進行檢索的基礎(chǔ)上，分析該技術(shù)的現(xiàn)狀并預測未來的發(fā)展趨勢，并且對照各主要國家和申請人的專利活動，對我國在該技術(shù)上的專利申請活動給出客觀定位，對我國主要申請人的專利活動作全面評價，以期在國際化的大潮下，對我國在滾柱絲杠領(lǐng)域的發(fā)展提供一些有價值的信息。
1 滾柱絲杠技術(shù)概述
1.1 發(fā)展歷程
瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年申請了循環(huán)式行星滾柱絲杠的發(fā)明專利(申請?zhí)朏R888281)，開啟了滾柱絲杠領(lǐng)域的時代，他隨后又申請了一系列關(guān)于滾柱絲杠副的專利；William J Roantree于1968年申請了差動式滾柱絲杠副的專利，Timonthy A Erhart于1993年發(fā)明了包含差動軸承環(huán)型滾柱絲杠的線性馬達，并申請了專利。至此，行星滾柱絲杠已經(jīng)發(fā)展成較為成熟的系列產(chǎn)品在全球廣泛推廣開來，在發(fā)展過程也出現(xiàn)了其他類型的絲杠滾柱副。
滾柱絲杠副根據(jù)滾柱與絲杠的位置關(guān)系分為3種類型：(1)滾柱與絲杠垂直布置的類型；(2)行星滾柱絲杠類型；(3)滾柱與絲杠平行布置的非行星滾柱絲杠類型。其中，行星滾柱絲杠副(Planetary Roller Screw)是其中最為常見的一種類型，而行星滾柱絲杠副(PRS)的結(jié)構(gòu)形式主要是通過滾柱相對于絲杠和螺母的運動關(guān)系來分類，常見的PRS有5種結(jié)構(gòu)形式，即：標準式、反向式、循環(huán)式、差動式和軸承環(huán)式。
到目前為止，全球生產(chǎn)滾柱絲杠的廠商主要有：瑞典的SKF公司、日本的THK株式會社以及NTN株式會社，各大廠商都開發(fā)了系列產(chǎn)品，例如SKF公司的SR、T/PR、SV、PV系列。
1.2 3種類型絲杠滾柱副的工作原理
圖1是布置方式為滾柱垂直絲杠類型的典型專利申請(專利公開號DE1111905 B)，包括滾柱1、支撐滾柱的導軌2以及絲杠3，滾柱1垂直絲杠3布置并與其耦合，動力機構(gòu)驅(qū)動絲杠3轉(zhuǎn)動，滾柱1與絲杠3摩擦結(jié)合，使絲杠3沿著導軌2直線移動，將絲杠3的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線或弧線運動，滾柱1與絲杠3之間的接觸為滾動摩擦，有效提高了傳動效率。
如圖2所示，典型的行星滾柱絲杠副PRS主要由3個部件組成，即絲杠、滾柱、螺母(齒圈)，其中絲杠是多頭螺紋；滾柱是具有相同牙型角的單頭螺紋，其牙型輪廓通常加工成球面，用于提高承載能力、降低摩擦、提高效率；螺母是具有與絲杠相同頭數(shù)和牙型的內(nèi)螺紋。若干個滾柱沿絲杠圓周方向均勻分布。
圖3為行星滾柱絲杠副的運動原理圖，可以看出行星絲杠的傳動原理與行星輪系相似，絲杠可以看作太陽輪，滾柱作為行星輪，螺母作為齒圈，當絲杠旋轉(zhuǎn)且螺母固定時，滾柱圍繞絲杠作行星運動，同時通過螺旋傳動原理，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線往復運動。行星絲杠傳動3個部件之間的接觸為多點接觸，所以比單點接觸的滾珠絲杠更有技術(shù)優(yōu)勢。
除上述類型外，還有第3種類型，即滾柱與絲杠平行布置的非行星滾柱絲杠類型，與行星滾柱絲杠類型的布置方式類似，所不同的僅僅是滾柱只自轉(zhuǎn)、不進行公轉(zhuǎn)。
2 滾柱絲杠專利技術(shù)狀況分析
作者利用S系統(tǒng)中的CNABS、SIPOABS、DWPI等數(shù)據(jù)庫從多方面對滾柱絲杠領(lǐng)域進行了統(tǒng)計分析，為我國滾柱絲杠領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和專利申請?zhí)峁﹨⒖?。截止?2014年10月6日，對于涉及滾柱絲杠領(lǐng)域的專利申請，在上述數(shù)據(jù)庫中檢索并經(jīng)過篩選和數(shù)據(jù)處理，得到有效的滾柱絲杠相關(guān)技術(shù)的全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)1310項，中國專利申請數(shù)據(jù)241項。
2.1 檢索策略
對滾柱絲杠領(lǐng)域的檢索，主要依賴于IPC分類號、EC分類號、CPC分類號、FT分類號與關(guān)鍵詞。針對分類號和數(shù)據(jù)庫的特點，在分類準確的SIPOABS數(shù)據(jù)庫中通過FT/CPC/EC+關(guān)鍵詞的方式進行檢索；在關(guān)鍵詞更準確的DWPI數(shù)據(jù)庫中通過IPC/EC+關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞+關(guān)鍵詞的策略檢索；在CNABS數(shù)據(jù)庫中采用IPC+關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞+關(guān)鍵詞的檢索策略，對上述檢索結(jié)果先進行合并去重處理，再統(tǒng)計分析。
2.2 全球?qū)＠暾垹顩r分析
2.2.1 全球?qū)＠暾埖臅r間發(fā)展趨勢
圖4為1968—2013年滾柱絲杠領(lǐng)域全球?qū)＠暾垟?shù)量隨時間的變化趨勢，2012—2013年的申請量下降的原因是發(fā)明專利申請至公開的時間段較長，導致數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完全，僅供參考?？梢钥闯?，滾柱絲杠領(lǐng)域經(jīng)歷了萌芽期(1942—1972年)、穩(wěn)定發(fā)展期(1972—1993年)、快速發(fā)展期(1994—2005年)以及成熟期(2006—至今)。滾柱絲杠在1942年誕生后進入萌芽期，經(jīng)過二十多年的緩慢發(fā)展之后在1972年進入穩(wěn)定發(fā)展期，相關(guān)的專利申請數(shù)量穩(wěn)定在20項左右；在1994年之后進入快速發(fā)展期，專利申請量呈現(xiàn)快速增長趨勢；在2006年之后進入成熟期。值得注意的是：由于受2008—2009年世界經(jīng)濟危機的影響，滾柱絲杠領(lǐng)域，全球?qū)＠暾垟?shù)量下降，在2010年之后隨著全球經(jīng)濟回暖，滾柱絲杠領(lǐng)域的相關(guān)專利申請數(shù)量也開始逐年回升。
2.2.2 申請量的區(qū)域分布
從圖5可以看出：行星滾柱絲杠領(lǐng)域申請產(chǎn)出排在前6位的國家或地區(qū)是日本、美國、中國、俄羅斯和法國，其中日本的申請量最大，約占全部申請總數(shù)的34%，美國、俄羅斯申請量比較接近，中國的申請量僅次于上述國家。此外，我國臺灣地區(qū)的專利申請量也排在前十之中，表明臺灣也相當重視該技術(shù)的研發(fā)，這也為兩岸開展此領(lǐng)域的合作研究奠定了良好的基礎(chǔ)。
2.2.3 全球主要申請人分析
通過對檢索到的1310項專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，排名前10位的申請人和申請量如圖6所示。可以看出：截止統(tǒng)計日，NTN株式會社、謝夫勒科技有限公司、日本精工株式會社、THK株式會社、豐田公司、SKF等公司在滾柱絲桿領(lǐng)域的專利申請量都比較大，株式會社日立制作所、BLINOV公司以及波音公司在相關(guān)領(lǐng)域也比較強勢。并且，在排名前十的申請人中，有一半申請人屬于日本，反映了日本在滾柱絲杠領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，取得了集團領(lǐng)先優(yōu)勢；而中國大陸的申請人并不在上述排名中，說明在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)在全球范圍內(nèi)比較薄弱。具體到滾柱絲杠結(jié)構(gòu)分類方面的專利申請方向，NTN株式會社、謝夫勒科技有限公司、豐田公司、SKF以及波音公司側(cè)重于滾柱與絲杠平行布置類型的專利申請，尤其是行星滾柱絲杠類型，日本精工株式會社、上銀科技股份有限公司等更側(cè)重于滾柱與絲杠大致垂直類型的專利申請。
NTN株式會社是世界綜合性精密機械制造廠家之一，從20世紀90年代開始申請滾柱絲杠相關(guān)領(lǐng)域的專利，進入21世紀后，在滾柱絲杠領(lǐng)域的申請量急速上升，已經(jīng)超越SKF、ROLLVIS等老牌公司。然而，值得注意的是，當前NTN株式會社在滾柱絲杠領(lǐng)域的市場份額并不如SKF和ROLLVIS等公司，而這充分說明日本的企業(yè)相比其他國家或地區(qū)的企業(yè)更注重專利布局，更好地執(zhí)行了“技術(shù)發(fā)展，專利先行”的發(fā)展戰(zhàn)略。
2.3 中國專利申請狀況分析
2.3.1 中國專利申請的時間發(fā)展趨勢
通過統(tǒng)計CNABS數(shù)據(jù)庫滾柱絲杠領(lǐng)域的專利申請量，得到申請量隨時間變化趨勢，如圖7所示。
從圖7可以看出：與國外的技術(shù)相比，中國的滾柱絲杠領(lǐng)域起步較晚，直到20世紀90年代行星滾柱絲杠副的概念才開始引入中國，加上對其基礎(chǔ)理論的研究比較薄弱，所以行星滾柱絲杠副的專利申請在1987—2003之間數(shù)量較少，而在中國的中國專利申請數(shù)量從2003年之后開始活躍，申請數(shù)量開始上升，其原因主要在于：(1)隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，中國已經(jīng)成為機械設(shè)備的最大消費市場之一，各大公司(例如THK株式會社、SKF公司、NTN株式會社等)著眼于中國市場，大量的國外申請進入我國；(2)國內(nèi)的高校研究機構(gòu)和公司也開始積極進行研究，申請相關(guān)專利，該領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力正在逐漸增強。與全球相關(guān)領(lǐng)域申請數(shù)量變化趨勢類似，由于2008—2009年世界經(jīng)濟危機的影響，在中國的滾柱絲杠領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量下降，在2010年之后隨著全球經(jīng)濟回暖，滾柱絲杠領(lǐng)域的相關(guān)專利申請數(shù)量也開始逐年回升。
2.3.2 中國專利申請的申請人分析
圖8是在中國申請的國外申請人和國內(nèi)申請人各自所占的比重，可以看出：國外申請人在華申請數(shù)量反而大于本國申請人的申請數(shù)量，占到約55%。這是由于：(1)由于中國經(jīng)濟迅速發(fā)展，已逐漸成為機械設(shè)備的最大消費市場之一，國外公司非常重視在華市場；(2)相對于中國的企業(yè)，國外的企業(yè)歷來重視知識產(chǎn)權(quán)的保護，專利申請的積極性較高；(3)相對于國外，中國在滾柱絲杠領(lǐng)域的研究才剛剛起步，導致技術(shù)遠遠落后于其他先進國家，另外中國的企業(yè)和科研機構(gòu)對知識產(chǎn)權(quán)保護的意識還比較薄弱，申請專利數(shù)量較少。
圖9顯示出我國申請人的類型分布情況，可以看出：我國申請人中公司申請62件占到57%，個人申請的比例要高于高校申請與科研機構(gòu)申請數(shù)量的總和，占總量的24%。這說明高校和科研機構(gòu)還不夠重視滾珠絲杠領(lǐng)域的研發(fā)，而公司申請才占到一半，這說明國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的資金投入和研發(fā)力量不足，且在上述專利申請中，實用新型占到了很大比例，而外國申請人在中國的申請均為發(fā)明專利，這說明國外的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，國內(nèi)的技術(shù)水平還有待提高。
2.3.3 中國專利申請量的地域分布
圖10顯示出了滾柱絲杠領(lǐng)域的申請人地區(qū)分布，可以看出：江蘇、陜西、臺灣、浙江、廣東、上海以及北京位居前七，江蘇以絕對的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他地區(qū)。專利分布格局的原因主要在于以下幾個方面：申請專利的主要省市大多數(shù)是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達為研發(fā)提供了充裕的資金支持；其次，這些地方積極支持知識產(chǎn)權(quán)保護，鼓勵申請專利；另外，中國發(fā)展該領(lǐng)域的高校、重點企業(yè)和科研機構(gòu)集中分布在上述省市地區(qū)。
2.4 滾柱絲杠關(guān)鍵技術(shù)專利
瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年申請了循環(huán)式行星滾柱絲杠的發(fā)明專利(申請?zhí)朏R888281A)，如圖11所示，該結(jié)構(gòu)的滾柱沒有上升螺旋角，開啟了行星滾柱絲杠領(lǐng)域的時代，Strandgren隨后又申請了一系列關(guān)于滾柱絲杠副的專利，包括具有螺旋上升角滾柱的行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)。
William J Roantree于1967年申請了差動式滾柱絲杠副的專利(申請?zhí)朥S19670661860A)， 與以前的行星滾柱絲杠不同，如圖12所示，其中螺母1、滾柱2、絲杠3上螺紋頭數(shù)的選擇均不同，并且滾柱和絲杠的導程都為零，在滾柱上制造螺旋升角不同的兩種滾道使其具有差動齒輪傳動的特點，該方式的失效是剛開始運動時位置控制的不精確和螺母中的推力軸承失效。
德國航空及宇航研究及試驗協(xié)會于1987年申請了一項專利申請(申請?zhí)朌E3739059A)，如圖13所示，該PRS結(jié)構(gòu)包括心軸1、細螺紋2、封蓋3、滾柱4、凸起5、螺母8、內(nèi)導槽9，該滾柱4具有兩種齒形6、7，其中一種細螺紋的齒形6產(chǎn)生對絲杠上的齒形的軸向動力嚙合，而另一種較粗的齒形7對螺母上的齒型產(chǎn)生軸向動力嚙合，可以提供非常高的效率和較高的降速比。
美國EXLAR公司于1993年申請了一項專利發(fā)明，該發(fā)明涉及一種具有位置反饋傳感器的線性驅(qū)動器，發(fā)明人為著名的 Timonthy A Erhart，該線性驅(qū)動器是一種包含差動軸承環(huán)型滾柱絲杠的線性馬達，如圖14所示，包括外殼1、輸出軸2、滾柱3、定子4、螺母5和磁體6，從此之后滾柱絲杠在精密儀器領(lǐng)域得到了更廣發(fā)的應(yīng)用。
3 結(jié)束語
隨著滾柱絲杠副尤其是PRS各種優(yōu)點的凸顯以及加工手段的多樣化，其大推力、高頻響、長壽命等特點越來越符合航空航天和武器裝備的發(fā)展趨勢和要求，滾柱絲杠副的研究和專利申請也越來越受到重視。而通過對滾柱絲杠領(lǐng)域的專利申請狀況分析可以看出：由于時間發(fā)展差異，該產(chǎn)業(yè)的巨頭企業(yè)大多屬于日本、歐洲和美國公司(例如瑞典SKF公司、日本NTN株式會社)，這些國家的專利申請數(shù)量多并且技術(shù)含量也較高，形成了滾柱絲杠技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，專利優(yōu)勢非常明顯；與之相比較，中國在滾柱絲杠領(lǐng)域的研究和發(fā)展還處于起始階段，相關(guān)研究過少，自主研發(fā)的專利申請數(shù)量較少。在今后的發(fā)展中，建議國內(nèi)的公司和科研機構(gòu)應(yīng)借鑒國外先進經(jīng)驗，加大研發(fā)力度，重視滾柱絲杠尤其是行星滾柱絲杠的基礎(chǔ)理論研究以及核心技術(shù)的開發(fā)，逐步縮小與國外企業(yè)在技術(shù)上的差距；重視科研機構(gòu)與企業(yè)合作開發(fā)；遵循“技術(shù)發(fā)展，專利先行”的指導思想，積極籌備相關(guān)領(lǐng)域的專利申請，形成技術(shù)壁壘，從而掌握市場的主動權(quán)。
【1】馬尚君,劉更,周建星,等.行星滾柱絲杠副運轉(zhuǎn)過程動態(tài)特性分析[J].振動與沖擊，2013，32(3):167-171.
【2】Rosero J A,Ortega J A,Aldabas E,et al.Moving Towards a More Electric Air-craft[J].Aerospace and Electronic Systems,2007,22(3):1-7.
【3】董永,劉更,馬尚君,等.行星滾柱絲杠副滾柱的設(shè)計方法與虛擬裝配[J].機械設(shè)計，2013，30(8)：53-70.
【4】劉更,馬尚君.佟瑞庭,等.行星滾柱絲杠副的新發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].機械傳動，2012，36(5)：103-109.
ResearchReviewonGlobalRollerScrewFieldPatent
WANG Xiaobo, WU Zhimin, JIA Dan, BAI Xinxin
(Patent Exanination Cooeration Jiangsu Center of the Patent Office SIPO,Suzhou Jiangsu 215000，China)
The roller screw is a mechanical transmission device converting rotary motion into linear motion or vice versa, which is widely used in aviation machinery and weaponry as well as vehicle industry, petroleum, chemicals, machine tools and other fields, and has become the domestic and foreign research focus. The working principles of three kinds of roller screw pair were introduced. Global roller screw patents were collected and statistical analyzed by the specialized patent searching and analyzing platform of S system, that including CNABS,SIPOABS, DWPI and other databases. The research status and developmental trend of roller screw were summarized from the aspects of domestic and international time trends, national distribution, technical branches distribution, applicant distribution and key technology patents. Based on the summaries and related analysis, some suggestions were presented for future roller screw research and development in China.
Roller screw; Patent analysis; S system; Key technology
2015-03-01
王小波(1986—)，男，工學碩士，實質(zhì)審查員，從事車輛領(lǐng)域發(fā)明實質(zhì)審查工作。E-mail：light225@sina.com。
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