Шарико-винтовая передача движения. Шариковые винтовые передачи (ШВП)

Шариковая винтовая передача (ШВП) состоит из винта и гайки и служит для преобразования вращательного движения в поступательное. В шарико-винтовых передачах на винте 1 и в гайке 2 выполнены винтовые канавки (резьба) криволинейного профиля, служащие дорожками качения для шариков, размещенных между витками винта и гайки. Наибольшее распространение получила резьба с полукруглым профилем. При этом вращение закрепленной от осевых перемещений гайки вызывает поступательное перемещение винта, или вращение закрепленного от осевых перемещений винта приводит к поступательному перемещению гайки.

Основные геометрические параметры передачи: номинальный диаметр d 0 , т.е. диаметр расположения центров тел качения, шаг резьбы Р и диаметр D w тел качения (обычно D w = 0,6Р).

Достоинства шарико-винтовой передачи: возможность создания больших осевых сил; малые потери на трение (КПД передачи 0,9 и выше); возможность получения поступательного перемещения с высокой точностью; малые габариты при высокой несущей способности; значительный ресурс.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции гайки, необходимость высокой точности изготовления и хорошей защиты передачи от загрязнений. Шарико-винтовые передачи применяют в механизмах точных перемещений, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика, кузнечно-прессовое оборудование и др.).

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

При вращении винта шарики увлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и. выкатываясь из резьбы, через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Таким образом перемещение шариков происходит по замкнутому внутри гайки контуру. Наиболее распространена конструкция ШВП. в которой канал возврата соединяет два соседних витка.

В станкостроении применяют трехконтурные гайки. Перепускной канал выполняют в специальном вкладыше, который вставляют в овальное окно гайки. В трехконтурной гайке предусматривают три вкладыша, расположенные под углом 120° один к другому и смещенные по длине гайки на один шаг резьбы по отношению друг к другу. Таким образом шарики в гайке разделены на три (по числу рабочих витков) независимых группы.

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте путь, равный длине одного или нескольких витков, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша и возвращаются обратно в исходное положение на исходный виток гайки.

ПРОФИЛЬ РЕЗЬБЫ

Основные параметры полукруглого профпля резьбы (рис. 1. а):

R = (0,515...0,525) D w - радиус канавок;
α = 45° - угол контакта шариков;
ψ = arctg - угол подъема резьбы (здесь z - число заходов резьбы).

На рис. 1. б показан в нормальном сечении профиль резьбы винта с разгрузочной канавкой, а в табл. 1 приведены размеры разгрузочных канавок по ОСТ 2 РЗ1-5-89 .

1. Размеры разгрузочных канавок, мм

ШВП С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАТЯГОМ

С целью устранения осевого зазора в сопряжении винт-гайка и повышения тем самым осевой жесткости и точности перемещения ведомого элемента ШВП собирают с предварительным натягом.

Для передачи с полукруглым профилем резьбы натяг создают установкой двух гаек с последующим относительным их осевым смещением. Относительное смещение гаек осуществляют установкой прокладок между ними или их относительным угловым поворотом.

Профиль резьбы и конструкцию гайки (канал возврата шариков, регулирование натяга и т.д.) определяет завод-изготовитель.

Шариковые винтовые передачи применяют в широком диапазоне размеров.

ТИПОРАЗМЕРЫ ШАРИКОВЫХ ВИНТОВЫХ ПЕРЕДАЧ
по ГОСТ 25329-82

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Технические условия на шарико-винтовые передачи, применяемые в станкостроении, установлены ГОСТ 2 РЗ1-5-89 . Этот стандарт распространяется на ШВП, применяемые для комплектации металло- и деревообрабатывающих станков, промышленных роботов, кузнечно-прессового оборудования.

Стандарт устанавливает основные размеры, основные параметры, комплектность, маркировку, порядок и состав приемосдаточных испытаний, упаковку, условия транспортирования и хранения, указания по эксплуатации и гарантии завода-изготовителя централизованно изготовляемых ШВП.

В стандарте учтены требования ISO/DP 8931, ISO/DP 8932, ISO/DP 3408, ISO/DP 9783, ISO/DP 9784 .

Корпусные передачи изготовляют в 4-х исполнениях:

I - ШВП с одной или двумя гайками без корпуса;
II - ШВП с двумя гайками в цилиндрическом корпусе, имеющем фланец;
III - ШВП с двумя гайками в призматическом корпусе, имеющем сквозные крепежные отверстия;
IV - ШВП с двумя гайками в призматическом корпусе, имеющем глухие резьбовые крепежные отверстия.
Применение ШВП исполнения III является непредпочтительным.

По точностным параметрам ШВП разделяют на позиционные и транспортные (ОСТ 2 РЗ1-7-88 ). Позиционые ШВП позволяют произвести косвенное измерение осевого перемещения в зависимости от угла поворота и хода резьбы винта. В транспортных ШВП перемещения измеряют прямым методом с помощью отдельной измерительной систем не зависящей от угла поворота винта.

Классы кинематической и геометрической точности ШВП должны соответствовать ОСТ 2 РЗ 1-4-88 . Согласно этому стандарту" установлены классы точности для позиционных (П) и транспортных (Т) ШВП соответственно: П1, П3, П5, П7 и Т1, ТЗ, Т5, Т7, T9, Т10.

Внутризаводские приемосдаточные нормы кинематической точности должны соответствовать ГОСТ 2 Р31-5-89 .

Согласно ОСТ 2 РЗ1-5-89 качество материалов, обработки и сборки ШВП должно соответствовать ГОСТ 7599-82 , а для поставок на экспорт - ОСТ 2 Н06-1-86 .

ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ

При проектировании, в соответствии с основными критериями работоспособности шарико-винтовых передач расчет ведут по динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания рабочих поверхностей) и по статической грузоподъемности для предупреждения пластического деформирования тел и поверхностей качения.

При выборе значений динамической С а и статической С oа грузоподъемностей, а также минимальных и максимальных значений момента T xx холостого хода ШВП можно ориентироваться на данные таблицы 2.

Базовая статическая осевая грузоподъемность С oа - статическая осевая сила (Н), которая вызывает общую остаточную пластическую деформацию шарика, канавок винта и гайки, равную 0,0001 диаметра шарика.

2. Базовые грузоподъемные характеристики ШВП

Базовая динамическая осевая грузоподъемность С а - осевая сила, которую шарико-винтовая передача может воспринимать при базовой долговечности, составляющей 1.000.000 оборотов винта.

Базовые грузоподъемности соответствуют передаче, выполненной из обычно применяемых сталей (см. табл.3). При отличии свойств материала от обычных, а также в зависимости от класса точности, твердости рабочих поверхностей и др. вычисляют значение скорректированной статической и скорректированной динамической грузоподъемности.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Технические требования на основные детали шарико-винтовых передач, применяемых в станкостроении, установлены ОСТ 2 РЗ1-5-89 (табл. 3). Нормы точности винта - по ОСТ 2 РЗ1-4-88.

3. Технические требования на основные детали ШВП

Винты изготовляют также из сталей марок ХВГ и 7Г2ВМ с объемной закалкой, стали марки 8ХВ с закалкой при индукционном нагреве, стали марки 20Х3МВФ с азотированием.
Для гаек применяют сталь марки ХВГ с объемной закалкой и цементуемые стали марок 18ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А .
Шарики изготовляют из хромистой стали марки ШХ20СГ .
Материалы винта, гайки и тел качения должны обеспечить твердость рабочих поверхностей не ниже 61 HRC э.
Полость гайки при сборке заполняют пластичным смазочным материалом марки ЦИАТИМ-201 или ЦИАТИМ-203 .
Передачи требуют хорошей защиты от загрязнений. Наиболее часто применяют гармоникообразные меха, телескопические кожухи и съемники загрязнений - пластмассовые уплотняющие гайки с двумя-тремя выпуклыми витками по профилю канавок. Съемники загрязнений крепят к каждому торцу основной гайки.

Номенклатура показателей качества, используемых при оценке уровня качества ШВП, применяемых в металло- и деревообрабатывающих станках, участках, линиях, комплексах, промышленных роботах и кузнечно-прессовом оборудовании, установлена ОСТ 2 РЗ1-6-87 .

Похожие документы:

ГОСТ 3722-81 - Подшипники качения. Шарики. Технические условия;
расчет ходовых винтов;
расчет грузовых винтов;
пример выполнения чертежа ходового винта

Лекция 21 ПЕРЕДАЧИ ВИНТ-ГАЙКА КАЧЕНИЯ

План лекции

1. Общие сведения.

2. Устройство и принцип работы шариковинтовых передач.

3. ШВП с предварительным натягом.

4. Расчет шариковинтовой передачи.

1. Общие сведения

Передача винт–гайка качения – винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами. Наиболее широко применяют шариковые винтовые передачи (ШВП).

В шариковых винтовых передачах на винте и в гайке выполнены винтовые канавки (резьба) криволинейного профиля, служащие дорожками качения для шариков, размещенных между витками винта и гайки.

Достоинства шариковинтовой передачи: малые потери на трение, высокая несущая способность при малых габаритах, возможность реализации равномерного поступательного перемещения с высокой точностью, высокое быстродействие, значительный ресурс. ШВП могут быть легко приспособлены для работы с электрическими, гидравлическими и другими приводами.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции гайки, необходимость высокой точности изготовления и хорошей защиты передачи от загрязнений.

Применение. Шариковинтовые передачи применяют в исполнительных механизмах, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика и др.). Перспективным считается создание и использование мехатронных узлов перемещения, включающих в свою структуру помимо передачи винт-гайка качения также приводной электродвигатель и элементы управления.

Резьбы , применяемые в ШВП, изготовляют с криволинейным профи-

лем: полукруглым (рис. 21.1, а ) и «стрельчатая арка » (рис. 21. 1, б ). Наи-

большее распространение получила резьба с полукруглым профилем, позволяющая создавать конструкции ШВП с регулируемым натягом.

d а)

D w R

2. Устройство и принцип работы шариковинтовых передач

При вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и, выкатываясь из резьбы, че-

рез перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положе-

ние. Таким образом, перемещение шариков происходит по замкнутой внутри гайки траектории. Наиболее распространена конструкция ШВП, в которой

канал возврата соединяет два соседних витка (рис. 21.2). Число i в ра-

бочих витков в гайке от 1 до 6.

В станкостроении применяют трехвитковые гайки (i в = 3). Перепускной канал выполняют в специальном вкладыше 1 (рис. 21.2), который вставляют в овальное окно гайки. В трехвитковой гайке предусматривают три вкладыша, расположенные под углом 120° один к другому и смещенные по длине гайки на один шаг резьбы по отношению друг к другу. Таким образом, шарики в гайке разделены на три (по числу рабочих витков) независимых группы. При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте путь равный длине одного витка, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются обратно в исходное положение на тот же виток гайки. Конструктивно ШВП с вкладышами имеют минимальные радиальные размеры, в них отсутствуют детали

типа отражателей, а канал возврата имеет минимальную длину, что облегчает проталкивание шариков. Однако такая конструкция неприменима для передач с многозаходной резьбой.

Гайки с большим числом i в витков применяют в тяжелонагруженных передачах крупных станков.

Основные характеристики ШВП. Стандартизованы шарико-

винтовые передачи, применяемые для комплектации металло- и деревообрабатывающих станков, промышленных роботов, кузнечно– прессового оборудования.

Грузоподъемность. В каталоге приведены значения базовых I статической осевой С оа и динамической осевой С а грузоподъемностей шариковинтовых передач с трехвитковыми гайками.

Базовая статическая грузоподъемность Соа – статическая центральная осевая нагрузка в Н, которая соответствует расчетному контактному напряжению в зоне контакта шарика и дорожки качения, равному 3 000 МПа. Возникающая при этих контактных напряжениях общая остаточная деформация тела качения и дорожки качения приблизительно равна 0,0001 диаметра тела качения.

Базовая динамическая осевая грузоподъемность Са – постоянная цен-

тральная осевая нагрузка в Н, которую шариковинтовая передача теоретически может воспринимать при базовом расчетном ресурсе, составляющем один миллион оборотов винта и соответствующем 90%-ной надежности передачи.

В общем случае необходимая точность изготовления элементов пере-

дачи – винта, гайки, шариков – обусловлена требуемыми с точностью перемещения ведомого звена, плавностью движения, постоянством натяга, постоянством движущего момента и др.

Кинематическую точность ШВП характеризуют кинематической погрешностью винтовой пары – разностью между действительным и номинальным осевыми перемещениями одной из сопряженных деталей винтовой пары в их относительном движении. В соответствии с допускаемыми значениями кинематической погрешности установлены 10 классов точности ШВП.

Радиальный зазор между винтом и гайкой до создания предварительного натяга регламентирован для стандартизованных ШВП с полукруглым профилем. Радиальный зазор измеряют при смещении в радиальном направлении собранной гайки под действием силы, превышающей силу тяжести гайки в 1,5 – 2 раза.

Осевая жесткость – отношение осевой силы, приложенной к гаечной группе, к осевому перемещению ее корпуса относительно винта при условии, что винт не проворачивается.

Момент холостого хода замеряют в контролируемой передаче, установленной в центрах стенда, при вращении винта с частотой 100 мин -1 .

Числовые значения основных характеристик регламентированы отраслевыми стандартами.

Материалы винта, гайки и тел качения должны обеспечить твердость рабочих поверхностей не ниже 61HRC. Винты изготовляют из сталей: марки ХВГ с объемной закалкой, марки 8ХВ с закалкой при индукционном нагреве, марки 20ХЗМВФ с азотированием. Для гаек применяют стали марок ШХ15, ХВГ с объемной закалкой и цементуемые стали марок 18ХГТ, 12ХНЗА. Шарики изготовляют из хромистых сталей марок ШХ15, ШХ20СГ.

Полость гайки при сборке заполняют пластичным смазочным материалом марок ЦИАТИМ–01 или ЦИАТИМ–203.

ШВП в зависимости от условий работы и предъявляемых к ним требо-

ваний подразделяют на передачи с зазором и передачи с натягом. Во первых осевой зазор всегда выбирается в одну сторону вследствие действия осевой силы: силы тяжести груза, силы сопротивления перемещаемого узла и т. п. Во вторых зазор устраняют при сборке предварительным нагружением элементов передачи осевой силой, обеспечивающей необходимую осевую жесткость.

3. ШВП с предварительным натягом

С целью устранения осевого зазора в сопряжении винт–гайка и повышения тем самым осевой жесткости и точности перемещения I Ц1ВП собирают с предварительным натягом. Созданием предварительного натяга не только устраняют зазоры, но и усредняют периодические ошибки шага винта, стабилизируют положение оси гайки относительно оси винта. Конструктивно натяг осуществляют: для профиля «стрельчатая арка» – подбором шариков несколько большего диаметра; для полукруглого профиля – установкой двух гаек, размещенных в одном корпусе, с последующим относительным их осевым смещением. Конструкция с двумя гайками обеспечивает возможность регулирования натяга. Относительное смещение гаек осуществляют установкой прокладок между ними или их относительным угловым поворотом.

Рассмотрим пример конструкции ШВП с регулированием натяга относительным поворотом гаек (рис. 21.3). Соединение гаек с корпусом выполнено зубчатыми муфтами 7 и 2, у которых наружные зубья нарезаны на флан-

цах гаек, а внутренние – в корпусе. Числа зубьев z 1 и z 2 муфт отличаются на единицу, что позволяет поворачивать гайки одну относительно другой на малый угол, осуществляя осевое смещение на очень малую величину.

Поворот гаек выполняют вне винта на специальной оправке – трубе с

наружным диаметром, равным внутреннему диаметру d 3 резьбы винта по впадинам, после чего гайки вместе с корпусом навинчивают на винт.

Если число зубьев на фланце одной из гаек z 1, а на фланце другой (z 1 +1), то поворот обеих гаек в одну сторону на k зубьев приводит при шаге Р к их осевому смещению Рk /.

Например, при z 1 = 92, Р =10 мм и k =1 имеем ∆ =1,2 мкм.

Основные геометрические соотношения

Основные геометрические параметры шариковинтовой передачи

(рис. 21.1, 21.4): d 0 – номинальный диаметр резьбы; Р – шаг резьбы α – угол контакта (α = 45°); z - число заходов резьбы (обычно z = 1).

Основные параметры полу, круглого профиля резьбы (размеры в

R пр

Число рабочих шариков в одном витке с каналом возврата во вкладыше

z раб z ш z в ,

где z в – число шариков в канале возврата, z в = 3PID w .

Расчетное число шариков в одном витке гайки с учетом неодинакового их нагружения вследствие погрешностей изготовления элементов передачи и неравномерности распределения нагрузки между витками

Коэффициент трения качения

Трением качения называют сопротивление, возникающее при перека-

тывании одного тела по другому. Комплекс явлений, вызывающих трение качения, достаточно сложен. В технических расчетах применяют в основном данные экспериментальных исследований. Опыты показывают, что сопротивление перекатыванию зависит от упругих свойств материалов, шероховатостей и кривизны соприкасающихся поверхностей, значения прижимающей силы. На преодоление сопротивлений при перекатывании тел затрачивается работа, обусловливаемая в основном деформированием сопряженных поверхностей.

При перекатывании, например цилиндра по плоскости, можно выделить два участка площадки контакта (рис. 21.5). Участок С 2 находится в зоне нарастающих деформаций (в зоне нагрузки), участок С 1 – в зоне исчезающих деформаций (в зоне разгрузки). Наличие внутреннего трения в материале приводит к необратимым потерям энергии – упругому гистерезису. Это явление называют несовершенной упругостью , поэтому распределение напряжений по всей площадке контакта несимметрично максимуму и смещено в сторону Движения на величину f k (рис. 21.6), которую называют плечом силы трения качения или коэффициентом трения качения и измеряют в миллиметрах. Таким образом, при качении необходимо преодолеть некоторый момент – момент трения качения.

Шариковинтовые передачи работают в условиях трения качения, реализуемого при взаимодействии резьб винта и гайки через тела качения – шарики. Рассмотрим качение шарика, находящегося между двумя плоскостями и нагруженного силами F n (рис. 21.7).

Движение одной из плоскостей со скоростью v вызывает качение шарика: перемещение центра шарика со скоростью v /2 и вращения относительно центра с угловой скоростью ω = v/ (2R w ). Для качения нагруженного шарика по сопряженным плоскостям необходимо преодолеть момент сопротивления качению, обусловленный силами трения F w в контакте. По общему

определению сила трения есть произведем нормальной к поверхности силы F n на коэффициент трения f или на тангенс угла трения р : F тр F n f F n tgρ .

Из условия равновесия шарика под воздействием внешних моментов следует:

2 Frp Rw =2 Fn fк .

Отсюда (см. также рис. 21.6)

Момент сопротивления качению шарика в рассматриваемых условиях

Т ш 2 F тр R w 2 F n f к 2 F n R w tgρ F n D w tgρ .

Для шариковинтовой передачи с числом i в витков и расчетным числом z p шариков в каждом витке момент сопротивления вращению может быть вычислен по зависимости

Т iв zр Fn Dw tgρ ,

где ρ arctg(f к / R w ) обычно принимают f к = 0,010– 0,012 мм.

Силу F n , действующую по нормали к площадке контакта, определяют расчетом, а угол трения ρ принимают по приведенным выше (рекомендациям или по результатам специально выполненного эксперимента.

Момент сопротивления вращению является основной величиной. характеризующей потери на трение в шариковинтовой передаче.

Силовое взаимодействие в ШВП и расчет потерь на трение

Передача с зазором. Рассмотрим случай нагружения винта вращающим моментом Т и осевой силой F a сопротивления перемещению гайки (рис. 21.8). Силовое взаимодействие между шариком и винтом происходит в т. K

на винтовой линии, обозначенной штрихами. На основном виде (т.е. в плоскости, параллельной оси винта, рис. 21.8, а ) показаны вектор силы трения F ТР , направленный по касательной к окружности качения диаметром d кв , и проекция F n sinα вектора нормальной к площадке контакта силы F n , перпендикулярная винтовой линии. Вектор силы F n показан в плоскости А-А , перпендикулярной винтовой линии рис. 21.8, б.

При этом плоскость качения совпадает с плоскостью Б-Б.

Силовое взаимодействие в точке контакта K удобно представить в виде параллелепипеда, построенного на векторах сил (рис. 21.9).

Исходными для рассмотрения являются нормальная сила F

Ось винта

Полная реакция R n (KC ) точке контакта равна геометрической сумме векторов сил F n (KD) и F тр (KB ). Вектор силы R n также расположен в плоскости качения KBCD.

В плоскости KBEF, параллельной оси винта, отклонения вектора результирующей силы R (KE ) от плоскости KFDC перпендикулярной винтовой линии, составляет угол ρ

Выразив силу трения F тр из (21.3) и подставив в (21.4), получим tg ρ F n tgρgρ/n sinα) tg ρ / sin α

Обычно величину ρ называют приведенным углом трения

ρ = arctg(tg ρ /sina).

Тогда для результирующей R (KE ) сил взаимодействия в плоскости KBEF, параллельной оси винта, можно записать

R = F n sinα / cosρ .

С другой стороны, результирующая сила R(KE) (рис. 21.8, 21.9) может

быть представлена в виде проекций F o и F t соответственно в правлении оси винта и в перпендикулярном оси винта направлении (рис. 21.10)

F 0 R cos(ψ ρ) F n sin cos(ψ ρ)/cosρ , F t R sin(ψ ρ) F n sin sin(ψ ρ)/cosρ .

Сумма сил F 0 на всех шариках должна уравновесить внешнюю осевую силу F a , а сумма произведений сил F t , на плечо d кв /2 – вращающий момент Т