行星滚柱丝杠技术专利分析

田 青 孙 磊 郭亚星 姜 涛 郑继贵

1.北京精密机电控制设备研究所；2.中国航天系统科学与工程研究院

行星滚柱丝杠是一种由主丝杠、滚柱、螺母、齿圈、法兰盘等组成，可实现直线运动与旋转运动相互转换的精密传动机构，具有高承载、长寿命、抗冲击、高可靠性等特点，应用于航空航天、新能源装备、高精密机床、汽车、船舶与机器人等高端技术领域。基于行星滚柱丝杠在各个领域的重要地位，尤其是在航空航天领域广泛应用，开展行星滚柱丝杠技术的知识产权分析研究具有较为重要的意义。

一、行星滚柱丝杠关键技术专利分析

行星滚柱丝杠技术包括行星滚柱丝杠设计研究、行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究、行星滚柱丝杠综合性能测量方法等3 个关键技术。本文基于合享和德温特专利数据库进行全球专利检索，截止日期为2022 年3 月18 日。针对筛选后得到的专利数据进行专利宏观分析，主要包括专利申请趋势分析、专利技术构成分析、专利申请区域分布分析、专利申请人分析等内容，得出各关键技术领域的专利布局现状和发展趋势。

1.专利申请趋势分析

本文采用时序分析方法开展专利申请趋势分析，通过研究专利申请量随时间变化的情况,可从一定程度上反映技术的发展历程、技术生命周期的具体阶段，并可以预测未来一段时间的发展趋势。行星滚柱丝杠技术方面相关专利自20 世纪40 年代便开始出现，1988 年以后的专利申请趋势如图1 所示：行星滚柱丝杠技术领域的专利申请量可划分为2 个阶段，即萌芽期（2009 年之前）和成长期（2010 年至今）。

图1 专利申请趋势图

在萌芽期，每年的专利申请数量不超过15 项，且多数专利来源于日本、德国、法国、美国、中国、瑞士等国家，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计技术、行星滚柱丝杠及螺母螺纹加工制造技术方面，主要申请人有日本丰田公司（TOYOTA）、德国舍弗勒技术公司、瑞典滚珠轴承制造公司（SKF）、日本精工株式会社（NSK）等。

在成长期，专利数量总体呈现快速增长趋势，可分为2 个阶段：第一阶段系2015 年之前，专利数量增长动力主要来源于德国、瑞典、法国、日本等国家，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计方面。第二阶段系2016 年以后，中国专利数量的占总申请量比重逐年扩大，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计、行星滚柱丝杠及螺母螺纹加工制造、行星滚柱丝杠副传动精度及效率测量、刚度特性试验等方面。

2.专利技术构成分析

行星滚柱丝杠技术共涉及行星滚柱丝杠设计研究、行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究、行星滚柱丝杠综合性能测量方法3 个方面。各技术分支的专利申请情况如图2 所示：行星滚柱丝杠设计研究方面的专利最多（497 项），占总申请数量的67.3%；行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究方面专利申请数量次之（153 项），占总申请数量的20.7%；行星滚柱丝杠综合性能测量方法方面专利申请数量最少（89 项），占总申请数量的12.0%，针对专利申请量较少的技术仍需要开展持续的技术攻关。

图2 各技术分支的专利申请情况

（1）行星滚柱丝杠设计研究方面专利构成分析

行星滚柱丝杠设计研究方面相关专利主要包括行星滚柱丝杠副总体结构设计技术、啮合机理与接触特性研究、静刚度与变形研究、载荷分布与均载方法研究、摩擦机理与传动效率研究。其中，行星滚柱丝杠副总体结构设计技术方面的专利数量最多，申请人主要来自德国、中国、日本、瑞典等国家及地区，如SKF 公司、丰田公司、NSK 公司、西北工业大学等。

（2）行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究方面专利构成分析

行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究方面专利，具体包括螺纹硬态车削工艺研究、螺纹磨削用砂轮—廓形修整及保持技术研究、深孔内螺纹制造技术研究、大长径比外螺纹制造技术研究。其中，深孔内螺纹制造技术研究方面专利数量较多，技术主要涉及内螺纹采用磨削、研磨、车削、铣削的加工方法及装置，加工过程中磨削力预测、监测方法及装置方面。螺纹磨削用砂轮—廓形修整及保持技术方面专利相对较多，技术主要涉及螺纹磨削方法、磨削装置、磨削补偿装置及方法方面。

（3）行星滚柱丝杠综合性能测量方法方面专利构成分析

行星滚柱丝杠综合性能测量方法方面专利具体包括内外螺纹检测技术研究、传动精度测量试验研究、刚度特性试验研究、传动效率测量试验研究。传动效率测量试验研究和传动精度测量试验研究方面专利申请量较多，技术主要涉及测试装置及方法，单项加载、双向加载、变加载、综合测试的装置及测试方法等。

（4）关键技术专利申请趋势

行星滚柱丝杠各关键技术分支的专利申请趋势如图3 所示。从图中可以看出，近年来，行星滚柱丝杠副总体结构设计技术、螺纹磨削用砂轮—廓形修整及保持技术、深孔内螺纹制造技术研究、传动效率测量试验研究方面的年申请数量较多且呈增长趋势，是目前高精度行星滚柱丝杠副技术领域的热点；啮合机理与接触特性研究、静刚度与变形研究、载荷分布与均载方法研究、摩擦机理与传动效率研究方面的专利均在近几年出现，是目前高精度行星滚柱丝杠副技术领域的新兴技术，但主要由中国相关研究机构申请。

图3 各关键技术分支的专利申请情况

3.专利申请区域分析

行星滚柱丝杠技术领域的专利申请主要来自于中国、德国、日本、法国、瑞典等国家及地区，如图4所示。其中，中国的专利申请量最多（325 项），占总申请数量的44%，且在各技术领域的专利申请数量均较多；在行星滚柱丝杠设计研究方面的专利申请数量仅少于德国，相较于其他国家及地区的专利数量具有一定数量优势。德国共申请了178 项专利，占总申请数量的24.1%，主要涉及行星滚柱丝杠设计研究方面，其次在行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究、行星滚柱丝杠综合性能测量方法方面申请少量专利，其中在行星滚柱丝杠副总体结构设计方面具有极大的专利数量优势，在深孔内螺纹制造技术研究、传动精度测量试验研究方面的专利数量相对较多。日本共申请68 项专利，占总申请数量的9.2%，在行星滚柱丝杠设计研究、行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究方面申请的专利数量较多，其中，在行星滚柱丝杠副总体结构设计、螺纹磨削用砂轮—廓形修整及保持技术、深孔内螺纹制造技术研究方面具有一定专利数量优势。法国共申请43 项专利，占总申请数量的5.8%，专利均为行星滚柱丝杠副总体结构设计方面。瑞典共申请37 项专利，占总申请数量的5.0%，专利均为行星滚柱丝杠副总体结构设计方面。

图4 专利区域来源分布情况

4.专利申请人分析

经过统计分析，专利申请量排名前10 位的专利申请人如图5 所示。从图中可以看出，舍弗勒技术公司的专利申请数量较多（139 项），技术基础雄厚，主要涉及行星滚柱丝杠副总体结构设计技术方面（133 项），其次是传动精度测量试验研究、深孔内螺纹制造技术研究、大长径比外螺纹制造技术研究方面；北京精密机电控制设备研究所共申请42 项专利，技术领域涉及较广；SKF 公司共申请专利39 项，其中38 项涉及行星滚柱丝杠副总体结构设计技术方面，具体涉及标准式、循环式行星滚柱丝杠副结构设计以及载荷分布与均载方法研究方面。其他企业专利申请数量相当，在行星滚柱丝杠设计、螺纹加工工艺、综合性能测量方法方面均有涉及。

图5 主要专利权人排名

二、技术发展建议

从专利申请趋势看，目前行星滚柱丝杠处于技术发展期，仍具有较大的自主创新研究空间，需要持续开展技术创新并进行专利布局。

从专利申请区域及专利申请人看，相关专利绝大多数为德国、中国、瑞典及日本主体申请，且近年来较多专利在中国进行申请，企业的国内外竞争压力都在增大，因此有必要在关键技术进行技术创新以防止技术侵权，也有必要构筑技术壁垒以保护自研技术。

从专利检索情况来看，目前在行星滚柱丝杠螺纹加工工艺和综合性能测量方法方面的专利数量相对较少，可见该技术方面具有较高创新性，具有较大的发展空间和创新空间，因此这些技术是主要技术创新研发方向。

从专利申请数量来看，载荷分布与均载方法研究、深孔内螺纹制造技术研究、传动效率测量试验研究方面已存在多件处于有效状态的相关专利，相关公司仍不断进行专利布局，存在自研技术研发空间受限及侵权风险的情况，因此突出自研技术与其他专利技术的差异尤其重要。

相关企业应根据研发情况，着重在行星滚柱丝杠设计、螺纹加工工艺、综合性能测量方法3 方面挖掘相关专利，以丰富行星滚柱丝杠技术方面的专利池，为产品市场销售保驾护航。同时可在总体上采取攻防兼备、差异化的专利布局策略，强化在行星滚柱丝杠设计、螺纹加工工艺、综合性能测量方法方面的专利挖掘及布局，以便对产品实现全方位保护，以防相似竞品争夺市场，对关键技术采用技术秘密方式保护。

三、结束语

在专利布局方面，德国、美国、日本、世界知识产权组织（WIPO）、欧洲专利局、法国和韩国可作为海外专利布局的重点地域，考虑到制造工艺类及测试类专利侵权的证据搜集极为困难，因此海外专利布局建议以结构类核心专利为主。结合自身已有专利情况，在企业精力或经费有限的情况下，可按各关键技术优先级顺序选择对应的技术领域进行专利申请。