6. Передача винт-гайка

Основное назначение передач типа «винт-гайка» — преобразование вращательного движения в поступательное. Эти передачи бесшумны в работе, что достигается повышенной плавностью зацепления, просты по конструкции и в изготовлении и позволяют получать большой выигрыш в силе. К недостаткам следует отнести: относительно низкий КПД, склонность к заеданию, тихоходность передачи.

Передачи типа «винт-гайка» применяют в подъемных механизмах, в станках (механизмы подачи рабочих инструментов), в измерительных приборах (механизмы для точных перемещений, микрометрические и дифференциальные винты), в прокатных станах (регулировочно-установочные механизмы подшипников, нажимные винты), в винтовых процессах.

Пространственная кинематическая винтовая пара «винт-гайка» (рис. 2.19) обладает следующим свойством: при неподвижном винте 2 поворот гайки 1 на один поворот вызывает ее перемещение вдоль оси винта на величину хода; если закрепить гайку и повернуть винт на один поворот, то, помимо вращения, винт переместится вдоль оси на величину хода.

Рис. 2.19. Схема передачи винт – гайка:

1 – гайка; 2 – винт

Винтовые механизмы принципиально ничем не отличаются от резьбовых соединений, но так как они применяются для передачи движения, то трение в резьбе должно быть минимальным. Наименьшее трение между винтом и гайкой обеспечивает прямоугольная резьба, однако ее нетехнологичность, т.е. невозможность нарезания на резьбофрезерных станках, и небольшая прочность по сравнению с трапецеидальной резьбой делают ее применение крайне ограниченным. Поэтому для передаточных винтов применяют главным образом трапецеидальную резьбу с мелким, средним и крупным шагами и упорную резьбу. Наибольшее распространение получила трапецеидальная резьба со средним шагом. Трапецеидальную резьбу с мелким шагом используют при относительно небольших перемещениях; трапецеидальную резьбу с крупным шагом — при тяжелых условиях эксплуатации. Профиль трапецеидальной резьбы позволяет использовать ее в механизмах с реверсивным перемещением.

Для передач с большими односторонними нагрузками (прессы, домкраты, нажимные устройства в прокатных станах и др.) применяют упорную резьбу.

Резьба винтов и гаек передач бывает правой или левой, однозаходной или многозаходной.

Материалы винтов должны обладать высокой износостойкостью и хорошей обрабатываемостью, а более нагруженные — высокой прочностью. Винты, не подвергаемые закалке, изготовляют из сталей 45, 50, А50, а винты, подвергаемые закалке, выполняют из сталей У10, У65, 40Х, 40ХГ и др. Материал гаек – бронзы оловянные БрОФЮ- 1, БрОЦС-6-6-3 и др.

Интенсивное развитие технологии предъявляет особые требования к механизмам линейного перемещения промышленного оборудования. Из всего многообразия конструкций передач винт-гайка наиболее известны шарико-винтовые передачи (ШВП) (рис.2.20). Существенные недостатки передач скольжения – низкий КПД, нестабильность момента трения, быстрый износ, что ограничивают область их применения, а наличие канала возврата шариков в ШВП ограничивает предельную частоту вращения ходового винта

Рис. 2.20. Шариковинтовая передача:

1 – винт, 2- гайка, 3 – шарики, 4 – канал

Канавки шарикового винта 3 (рис. 2.20) и гайки 2 в осевом сечении имеют полукруглую форму. Непрерывный замкнутый поток шариков 4 заполняет винтовое пространство между желобами по всей длине гайки. Пройдя его, шарики переходят в округленный трубчатый канал 4, по которому они возвращаются в рабочую зону винтовой пары.

Канавки шарикового винта (рис.2.21) и гайки в осевом сечении имеют полукруглую форму.

Рис. 2.21. Арочный профиль винта и гайки с двухточечным контактом

Непрерывный замкнутый поток шариков заполняет винтовое пространство между желобами по всей длине гайки (рис. 2.22). Пройдя его, шарики переходят в округленный трубчатый канал, по которому они возвращаются в рабочую зону винтовой пары.

Рис. 2.22. Шариковая пара винт-гайка с двумя шариковыми гайками на винте:

1 – трубчатый канал; 2 – шариковая гайка; 3 – шариковый винт; 4 – поток шариков;

5 – стальная пружина

Коэффициент полезного действия шариковой винтовой пары много выше, чем обычной, вследствие резкого снижения трения в резьбе.

Для полного устранения зазоров в шариковой паре «винт-гайка» на винте устанавливают одновременно две шариковые гайки 2 (рис. 2.22), между которыми помещают стальную пружину 5. Пружина, создавая предварительный натяг между винтом 3, шариками и гайками, устраняет все зазоры в передаче.

Интенсивное развитие технологии предъявляет особые требования к механизмам линейного перемещения промышленного оборудования. Существенными недостатками передач винт-гайка являются: передачи скольжения – низкий КПД, нестабильность момента трения, быстрый износ – ограничивают область их применения; ШВП - наличие канала возврата шариков ограничивает предельную частоту вращения ходового винта.

Поиск новых, более совершенных передач винт-гайка привел к созданию планетарных ролико-винтовых передач (ПРВП).

Ролико-винтовая передача представляет собой механизм преобразования вращательного движения в поступательное, аналогично тому, как это происходит в традиционных передачах типа ШВП или с трапецеидальной резьбой. Однако в отличие от этих устройств, ролико-винтовая пара может выдерживать большие нагрузки в течение тысяч часов эксплуатации в самых жестких условиях. В связи с этим ролико-винтовая пара идеально подходит для ответственных применений с непрерывным режимом работы.

Разница заключается в том, каким образом роликовый ходовой винт передает усилия. Несколько резьбовых спиральных роликов расположено вокруг резьбового вала по планетарной схеме (рис. 2.23), что позволяет преобразовывать вращательное движение электродвигателя в линейное перемещение вала или гайки.

Рис. 2.23. Ролико – винтовая передача

Для обеспечения возможности качественного уплотнения гладкого штока, в новой конструкции планетарный механизм роликов вращается внутри полого цилиндра с резьбой (рис. 2.24). Это обеспечивает возможность качественного уплотнения гладкого штока, что не возможно при использовании ШВП.

 

Рис. 2.24. Качественные отличия ролико-винтовой передачи и ШВП

В традиционной конструкции шарико-винтовой пары вал электродвигателя жестко соединен с резьбовым валом шарико-винтовой передачи. Вследствие вращения вала, каретка, находящаяся на валу начинает двигаться поступательно. Каретка, в свою очередь, закреплена таким образом, чтобы не проворачиваться. Для уменьшения сил трения, между кареткой и резьбовым валом пускаются металлические шарики, чтобы избежать трения скольжения.

Сравнение ролико-винтовых и шарико-винтовых передач.

При движении каретки, момент электродвигателя передается посредством контакта шариков с резьбовым валом и кареткой. Чем меньше точек контакта, тем меньше максимальная нагрузка и долговечность. На рисунке 2.25 показыно, что в сходных габаритах, ШВП и ролико-винтовой передачи (РВП), точек контакта значительно больше у последней. А значит намного больше нагрузочная способность и ресурс.

Рис. 2.25. Пример приложения нагрузки в ШВП (а) и РВП (б)

Более низкий КПД и максимальная скорость у шарико-винтовой пары обусловленна следующими факторами: чем больше скорость, тем больше трение и износ шариков, что уменьшает КПД.

При скорости вала более 1000 об/мин возникают сильные соударения и вибрации шариков, поэтому, все, даже самые точные и дорогие ШВП не рассчитаны на скорости свыше 2000 об/мин.

Конструкция РВП лишена подобных недостатков. Все ролики жестко закреплены друг от друга и не могут соприкасаться. Для механической синхронизации вращения каждого ролика применены специальные зубчики на конце роликов, что позволяет избегать ненужных проскальзываний.

Грузоподъемность передач винт-гайка качения практически всецело зависит от характеристик поверхностей в месте контакта элементов качения и винта: диаметра, числа точек контакта, твердости, обработки поверхности для обеспечения точности и, следовательно, равномерности распределения нагрузок между телами качения.

В шарико-винтовых передачах нагрузка передается с гайки на винт через шарики, расположенные в канавках резьбы. В ШВП с однозаходной резьбой размер шарика ограничен приблизительно 70 % шага резьбы. В связи с этим, общая площадь контакта относительно мала в связи с ограниченностью числа полных витков шариков в гайке.

В ролико-винтовых передачах нагрузка передается через рифленую поверхность всех цилиндрических роликов, что приводит к значительному увеличению числа точек контакта общей площади контакта относительно ШВП.

Ролико-винтовые передачи характеризуются:

• очень высокой грузоподъемностью (статическая нагрузка до 1000 тонн, динамическая нагрузка до 200 тонн;

• очень высокой допустимой скоростью вращения (для РВП диаметром 48 мм - 3000 об/мин);

• очень высокими допустимыми ускорениями (7000 рад/сек² );

• долгим сроком службы даже при постоянной работе;

• высочайшей надежностью;

• хорошей сопротивляемостью агрессивным средам (пыль, песок, лёд);

• хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам и вибрациям;

• прекрасной точностью позиционирования (шаг 1 мм).

Планетарные ролико-винтовые передачи выдерживают тяжелейшие нагрузки в агрессивных условиях тысячи часов, что делает их пригодными для использования в задачах с очень высокими требованиями к грузоподъемности и надежности. Очень прочная гайка способна выдерживать ударные нагрузки, а механизм синхронизации движения роликов сохраняет надежность даже при высоких скоростях. Большой шаг резьбы и симметричная конструкция гайки позволяют осуществлять линейные перемещения с высокими скоростями.

Планетарные ролико-винтовые передачи применяются в протяжных станках, прессах, станках, сталелитейном производстве, производстве шин, для автоматизации погрузочно-разгрузочных операций, военной авиации, танках, пусковых установках.

Для получения контролируемого линейного перемещения в таблице 2.1. представлены пять вариантов передач.

Таблица 2.1

Характеристики передач винт-гайка

	Ролико-винтовая пара	Винты с трапецеи- дальной резьбой	ШВП	Гидравлика	Пневматика
Номинальная нагрузка	Высока	Высокая	Высокая	Очень высокая	Высокая
Срок службы	Большой	Маленький, из-за высокого трения	Средний	Большой, при правильном тех. обслуживании	Большой, при правильном тех. обслуживании
Скорость	Высокая	Низкая	Средняя	Высокая	Высокая
Позициони рование	Простое	Среднее	Среднее	Сложное	Очень сложное
Жесткость	Очень высокая	Очень высокая	Средняя	Очень высокая	Очень низкая
Ударные нагрузки	Высокие	Высокие	Средние	Очень высокие	Высокие
Габариты	Минимальные	Средние	Средние	Большие	Большие
КПД	> 80 %	прибл. 40%	> 70%	< 50 %	< 50 %
Установка	Совместима со стандар- тными преобразова- телями частоты	Требуется разработка механики системы	Требуется разра- ботка механики системы	Сложная, требуется установка гидро линий, сервоклапанов, маслостанции и.т.д.	Сложная, требуется установка пневмо линий, компресс сорных станции и.т.д.
Обслуживание	Очень простое	Сложное, вследствии сильного износа	Среднее	Очень сложное	Сложное
Воздействие на окружающую среду	Минима льное	Минима льное	Минима льное	Утечка гидравли ческой жидкости, шум	Шум