Ролико винтовая передача своими руками
1 Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимиp
В статье проводится анализ кинематических характеристик роликовинтовых механизмов (РВМ) с дополнительным зубчатым замыканием звеньев. Показана необходимость дополнительного зубчатого замыкания звеньев РВМ поступательного перемещения с целью стабилизации кинематических характеристик, приведена классификация РВМ с дополнительным зубчатым замыканием. Авторами предложены аналитические зависимости для расчета кинематических характеристик РВМ для каждого из пяти вариантов дополнительного зубчатого замыкания. Особенностями полученных формул является возможность варьирования входным и выходным звеньями. В качестве ведущего звена в таких механизмах могут выступать винт, водило или гайка, а в качестве выходного – гайка или винт. Дополнительное замыкание звеньев приводит к существенному уменьшению кинематической передаточной функции (КПФ) – до 0,1 мм/об при шаге резьбы 1 мм. На основе аналитических зависимостей построены графики и показано влияние дополнительного зубчатого замыкания на КПФ РВМ. На КПФ существенное влияние оказывают соотношение диаметров винта и роликов, а также число зубьев на ведущем звене.
1. Морозов В.В. Роликовинтовые механизмы. Кинематические характеристики: монография. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2005. – 78 с.
2. Планетарные передачи: Справочник / под ред. В.Н. Кудрявцева, Ю.Н. Кирдяшева. – Л.: Машиностроение, 1977. – 536 с.
3. Морозов В.В., Панюхин В.И. Зубчато-винтовые передачи для преобразования вращательного движения в поступательное: монография. – Владимир, 2000. – 160 с.
4. Морозов В.В., Панюхин В.И., Панюхин В.В. Механические передачи: КПД и самоторможение: монография; под. ред. В.В. Морозова; Владим. гос. ун-т. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2002. – 164 с.
5. Козырев В.В. Конструкции, теория и методика проектирования и исследования планетарных передач винт-гайка с резьбовыми роликами и мехатронных модулей на их базе: монография. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2011. – 238 с.
Роликовинтовые механизмы (РВМ), обеспечивающие преобразование вращательного движения в поступательное и создающие высокую редукцию, имеют широкие кинематические и силовые характеристики (рис. 1). Ряд схем РВМ обеспечивают стабильную кинематическую передаточную функцию (КПФ) - это механизмы, выпускаемые известными фирмами SKF (Швеция), INA (Германия), Exclar (США) под торговой маркой Transroll, у которых значение КПФ может быть определено по формуле Sx = z1∙px = const, где px - шаг резьбы, мм; z1 - число заходов на 1-м звене - винте. Конструктивной особенностью передач Transroll является равенство чисел заходов на 1-м (винте) и 3-м звене (гайка), т.е. z1 = z3 ≥ 3.
Рис. 1. Роликовинтовой механизм (РВМ):
1 - винт; 2 - ролик; 3 - полугайка; 4 - полугайка; 5 - зубчатый венец;
6 - зубчатый венец; 7 - сепаратор
Наиболее большой класс РВМ разработан для случая z1 ≠ z3, однако КПФ
т.к. передача переходит в класс фрикционных механизмов (u - коэффициент редукции) [1]. Для приводов с обратной связью данная нестабильность не является критической, т.к. не превышает 6 %, однако для высокоточных устройств необходимо предложить пути обеспечения стабильной КПФ РВМ.
Стабильность КПФ можно достигнуть несколькими способами:
1) подбором геометрических параметров механизма;
2) созданием принципиально новых схем передач [1];
3) введением дополнительного зубчатого зацепления.
Последний путь будет подробнее рассмотрен ниже. Замкнутые РВМ представляют собой механизмы, в которых на звенья накладываются дополнительные кинематические связи в виде планетарных зубчатых замыканий. Это обеспечивает жесткое сопряжение между звеньями без проскальзывания и стабильную передаточную функцию для поступательного перемещения выходного звена.
Замкнутые РВМ можно классифицировать по нескольким признакам:
1. По типу планетарной передачи, включаемой в состав РВМ (данная классификация эквивалентна количеству центральных колес). Классификация аналогична [2]: передачи типа 2K - H и передачи типа 3К.
2. По степени замыкания:
а) РВМ с полным замыканием;
б) РВМ с неполным замыканием звеньев.
В механизмах первой группы замыкаются все три резьбовые звена (винт, ролик и гайка), т.е. на всех резьбовых элементах дополнительно нарезаны зубья. В механизмах второй группы с неполным замыканием возможны два варианта: когда замыкаются ролик-гайка и винт-ролик.
3. По конструктивным особенностям обеспечения зубчатого замыкания. Различают введение зубчатого замыкания на основных (резьбовых) элементах (винт, ролик, гайка) и вспомогательных элементах (сепаратор, корпус). При этом введение зубчатой нарезки возможно на опорный винт (а.с. 1747771 и 1585578) и опорную гайку (а.с. 1610139, 739289, 968542). Замыкание через корпус возможно для роликов на гайку и корпус (а.с. 737687), а также для сепаратора (а.с. 1663273).
В соответствии с принятой классификацией для РВМ возможны 5 вариантов дополнительных зубчатых замыканий между звеньями. Ниже рассматриваются все эти случаи.
Вариант 1. Все три звена РВМ - винт, ролики и гайка снабжаются зубчатыми венцами, у которых начальные поверхности совпадают со средними диаметрами соответствующих резьб. Замыкающая кинематическая цепь, необходимая для получения степени подвижности механизма W = 1, состоит из зубчатых колес z4 и z5, из которых первое сблокировано с роликом, а второе со стойкой. Все зубчатые зацепления образуют планетарный механизм с одним входным и двумя выходными звеньями. Вопрос о том, какое из трех звеньев - винт 1, гайку 3 или водило Н (сепаратор роликов) сделать ведущим, следует решать с учетом КПД планетарного механизма. Звеном, ведущим осевую полезную нагрузку, в принципе может быть как винт 1, так и гайка 3.
Конструктивные особенности механизма, выполняемого по варианту 1, следующие: на выходном звене необходим широкий зубчатый венец соответственно длине хода этого венца;выходное звено должно совершать вращательное движение, что видно из эпюр окружных скоростей; это требует применения упорных подшипников между перемещаемым объектом и выходным звеном. Кинематика механизма, выполненного по варианту 1, может быть двух типов:
а) ведущее звено - водило, а выходное - винт 1, гайка 3 и ролики 2 не должны иметь осевого перемещения относительно стойки;
б) ведущее звено - гайка 3, выходное - винт 1. Гайка и ролики не имеют осевого перемещения относительно стойки.
При любом ведущем звене могут быть найдены передаточные отношения, необходимые для определения функции положения и условия неподвижности звеньев относительно друг друга. Подбор числа зубьев должен производиться согласно условиям соосности зубчатых венцов. При этом предполагается что зубчатые венцы изготовлены с коэффициентами суммы смещений xΣ = 0. Таким образом, при четырех неизвестных z2, z3, z4, z5 есть три уравнения, поэтому задача о выборе чисел зубьев имеет множество решений.
Вариант 2. Зубчатыми венцами снабжаются все три звена, но винт или гайка фиксируются от поворота. В этом варианте зубчатые венцы и сепаратор - водило Н образуют рядный планетарный механизм с опорным колесом z3 при невращающейся гайке 3 или колесом z1 при невращающемся винте 1. В первом случае (вариант а) ведущим может быть водило Н или винт 1, во втором водило Н или гайка 3 (вариант б). Конструктивные особенности механизма: на выходном звене необходим широкий зубчатый венец соответственно длине хода; выходное звено не совершает вращательного движения, что исключает применение упорных подшипников между перемещаемым объектом и выходным звеном. Для подбора числа зубьев необходимо использовать условия соосности и чистого качения средних цилиндров резьб. Таким образом, если задаться одним из z, то остальные два определятся однозначно, то есть задача будет иметь единственное решение.
Вариант 3. Зубчатыми венцами снабжены ролики 2 и гайка 3. Для данного случая замыкающая кинематическая цепь, необходимая для получения степени подвижности W = 1, состоит из дополнительных зубчатых колес на гайке z4 и водиле - сепараторе zH и блока колес z5 и z6, вращающегося в неподвижной опоре. Все зубчатые зацепления образуют так называемый замкнутый дифференциальный механизм. Ведущим звеном может быть гайка 3, водило Н или блок колес z5 и z6. КПФ и условие опорного сопряжения определяются в предположении, что винт 1 не вращается, то есть φ1 = 0. Числа зубьев колес при введении зубчатого замыкания должны удовлетворять четырем условиям: соосности, чистого качения ролика по гайке, чистого качения ролика по винту, и условию, получающемуся из рассмотрения эпюр окружных скоростей звеньев. Четыре уравнения при пяти неизвестных z3, z4, z5, z6 и zH дают множество решений. Конструктивные особенности варианта 3: отсутствие зубчатого венца на выходном звене; отсутствие вращения выходного звена; не исключается применение блока колес z5 и z6 с внутренними зубчатыми колесами.
Вариант 4. Зубчатые венцы выполняются на роликах и винте. Замыкающая кинематическая цепь состоит из дополнительных зубчатых колес на винте z4 и водиле-сепараторе zH и блока колес z5 и z6 с неподвижной осью вращения. Все зацепления образуют замкнутый дифференциальный механизм. Ведущим звеном может быть винт 1 или блок колес z5 и z6. Передаточная функция и условие опорного сопряжения определяются в предположении, что выходное звено - гайка 3 не вращается, то есть φ3 = 0. Числа зубьев колес должны удовлетворять условиям соосности, качения роликов по винту, качения роликов по гайке. Конструктивные особенности механизма аналогичны варианту 3.
Вариант 5. Зубчатые венцы выполняются либо на роликах 2 и гайке 3, либо на роликах 2 и винте 1. Поскольку винт 1 и гайка 3 фиксируются от вращения, то ведущим звеном может быть только водило Н. В качестве выходного звена принимается то, которое не имеет зубчатого зацепления с роликами 2. Данный вариант отличается конструктивной простотой в сравнении со всеми остальными, но здесь неизбежно скольжение резьбовых поверхностей роликов 2 и выходного звена со скоростью, близкой к наибольшей окружной скорости ролика.
Кинематические характеристики РВМ с различными вариантами зубчатого замыкания звеньев сведены в таблицу. По формулам, представленным в ней, были рассчитаны значения КПФ для всех вариантов зубчатого замыкания. На рис. 2 и 3 представлены зависимости КПФ от отношения диаметров k винта и роликов. Анализ данных зависимостей показывает, что с увеличением значений k передаточная функция РВМ увеличивается. При сравнении КПФ замкнутой и незамкнутой передач видно, что для замкнутых типов РВМ КПФ меньше от 1,7 до 8 раз в зависимости от варианта зубчатого замыкания. Введение зубчатого замыкания в РВМ приводит к смене направления движения передачи. Так для 3-го и 4-го вариантов Sx
Винтовая передача состоит из винта и гайки, соприкасающихся друг с другом через резьбовые поверхности. Когда они движутся друг относительно друга, одновременно происходит вращение и линейное перемещение. Если один из элементов (винт или гайку) принудительно вращать, а вращение другого заблокировать, то второй будет линейно перемещаться относительно первого. Этот принцип действия используется для осуществления линейного привода в различных механических и электрических устройствах.
В современном оборудовании, таком как металлообрабатывающие станки и промышленные роботы, используются винтовые передачи качения. В них происходит качение шариков или роликов между гайкой и винтом, за счет чего трение минимизируется, особенно в сравнении с винтовыми передачами скольжения. Следствиями этого являются повышение КПД передачи (90% и более), снижение энергопотребления и тепловыделения, увеличение долговечности.
Существует два типа винтовых передач качения: шарико-винтовые передачи (ШВП) и ролико-винтовые передачи (РВП). В шариковой винтовой передаче гайка содержит шарики, движущиеся по резьбе винта под нагрузкой и по возвратным каналам свободным ходом. Она имеет легкий ход и обеспечивает быстрое перемещение при высоких нагрузках. В роликовой винтовой передаче внутри гайки расположены ролики с резьбой, катящиеся вокруг винта. Преимущества РВП – это высочайшая грузоподъемность, точность и устойчивость к тяжелым условиям работы.
Своим клиентам Rexroth всегда предлагает подходящие решения для конкретных задач, в том числе широкий выбор винтовых передач различных типов. В нашем ассортименте представлены шарико-винтовые пары и планетарные ролико-винтовые пары.
Шарико-винтовые передачи
Доступные в размерах от 6 до 125 шариковинтовые пары Rexroth предоставляют конструкторам множество решений для задач перемещения и позиционирования с приводом вращением винта либо гайки. Требуются ли высокая линейная скорость и грузоподъемность или минимальные габариты, вы всегда найдете подходящий вариант.
Планетарные ролико-винтовые передачи
Планетарные ролико-винтовые пары Rexroth – это линейные механические приводы с исключительными характеристиками. Эти мощные механизмы отлично подходят для работы при нагрузках выше средних, например, в прессах, станках и установках для литья пластиковых деталей под давлением.
Крупнейшая независимая площадка для обсуждения вопросов производства и переработки пластмасс и эластомеров различными способами. Рекомендации ведущих специалистов.
Шарико-винтовая передача (ШВП)
- "Чудеса" случившиеся с вашими дорогими Куаси, Хмельницкими, Одесскими, Белорусскими, Русскими, Немецкими, Китайскими, Итальянскими и даже Американскими машинами.
- Various cases and problems with your IMM: Kuasy from DDR, Soviet-made machines, German, Chinese, American, Italian, Belarusian made machines.
Шарико-винтовая передача (ШВП)
Шарико-винтовая передача (ШВП, ПВГК - передача винт-гайка качения) представляет собой механизм для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, но при этом исключает её главные недостатки, такие как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.
Конструктивно ШВП состоит из прецизионного накатного или шлифованного винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков (смотрите фото). Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Каналы возврата выполняются в специальных вкладышах, которые вставляются в соответствующее окно гайки, по числу рабочих витков.
В процессе производства шарико-винтовой передачи проводится предварительный натяг для устранения осевого зазора и другие меры, чтобы обеспечить высокую точность позиционирования. Для предупреждения преждевременного усталостного выкрашивания, пластического деформирования и изнашивания, влияющих на точность, скорость перемещения и другие характеристики ШВП, применяется комплекс защитных мер, в том числе смазка и защита винта и подвижных элементов от пыли, влаги и механических частиц. Одной из наиболее эффективных мер служит специальная физико-химическая обработка компонентов ШВП, обеспечивающая увеличение твердости поверхностного слоя и сохранение точностных характеристик (азотирование, обработка токами СВЧ и пр.).
Основные достоинства шарико-винтовой передачи:
• малые потери на трение;
• высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
• размерное поступательное перемещение с высокой точностью;
• высокое быстродействие;
• плавный и бесшумный ход.
Шарико-винтовые передачи применяют в исполнительных механизмах, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика и др.). Благодаря компактным размерам и простоте конструкции ШПВ могут быть легко интегрированы в различные машины и механизмы, в том числе с гидравлическим и пневматическим приводом.
В ЭлТПА шарико-винтовые передачи работают в паре с серводвигателями смыкания, впрыска, выталкивания и подвода сопла. Множество производителей подшипников разрабатывают и производят ШВП для инжекционно-литьевых машин, но наибольших успехов в этой отрасли добилась японская компания NSK. ШВП компании NSK используют большинство ведущих производителей ЭлТПА. NSK производит подшипники с 1916 года. Это первая компания в Японии, которая начала производить шариковые подшипники. В настоящий момент производственная программа включает сверхпрецизионные и роликовые подшипники, корпусные подшипники, однорядные и двухрядные радиально-упорные шарико-подшипники, системы линейного перемещения, шпиндели, шарико-винтовые передачи.
Конструктивно роликовинтовая пара состоит из винта и гайки (рис. 5.27), внутри которой по окружности расположены ролики, параллельные винту. Нагрузка передается от гайки к винту через все ролики одновременно.
Рис. 5.27. Устройство роликовинтовой передачи:
- 1 — многозаходный винт; 2 — сепаратор; 3 — втулка;
- 4 — однозаходный резьбовой ролик; 5 — многозаходная гайка
По типу роликовинтовые передачи делятся на:
Рис. 5.28. Планетарная роликовинтовая передача
В передаче первого типа резьбовые ролики-сателлиты движутся без рециркуляции, обеспечивая высочайшие прочность, грузоподъемность, скорость, ускорение, долговечность и надежность.
Рис. 5.29. Рециркуляционная роликовинтовая передача
В рециркуляционных передачах нерезьбовые ролики с кольцевыми канавками обеспечивают идеальное сочетание грузоподъемности, осевой жесткости и минимально возможного шага резьбы для позиционирования с высочайшей точностью. Благодаря небольшому шагу и углу подъема резьбы такая конструкция устойчива к скатыванию и даже может быть самотор-мозящей с малым коэффициентом трения качения при этом.
Преимущества роликовинтовых передач:
- - высочайшие жесткость и точность;
- -устойчивость к ударным нагрузкам;
- -сохранение работоспособности в отсутствии смазки.
Основные области применения: металлообработка, металлургия, литье пластика под давлением, сборочные линии, медицинское и лабораторное оборудование.
Читайте также: