Роликовый винт

Ролико -винтовая передача , также известная как планетарная ролико-винтовая передача или сателлитная ролико-винтовая передача , представляет собой с низким коэффициентом трения винтового типа прецизионный привод , механическое устройство для преобразования вращательного движения в линейное движение или наоборот. Планетарные ролико-винтовые передачи используются в качестве исполнительного механизма во многих электромеханических линейных приводах . Ролико-винтовая передача из-за своей сложности является относительно дорогим приводом (на порядок дороже ШВП ) , но может подойти для высокоточных, высокоскоростных, тяжелонагруженных, долговечных и приложения с интенсивным использованием.

Ролико-винтовые механизмы обычно включаются в системы перемещения/позиционирования в различных отраслях промышленности, таких как производство и аэрокосмическая промышленность.

Принцип работы

Ролико-винтовая передача представляет собой механический привод, аналогичный шарико-винтовой передаче , но в котором в качестве элементов передачи нагрузки между гайкой и винтом используются ролики, а не шарики. Ролики обычно имеют резьбу, но могут также иметь канавки в зависимости от типа ролико-винтовой передачи. Имея больше опорных точек, чем ШВП, в пределах заданного объема, ролико-винтовые пары могут быть более компактными при заданной грузоподъемности, обеспечивая при этом аналогичный КПД (75–90 %) на низких и средних скоростях, и сохраняя относительно высокий КПД на высоких скоростях. . Ролико-винтовые пары превосходят шариковые винты по точности позиционирования, грузоподъемности, жесткости, скорости, ускорению и сроку службы. Стандартные ролико-винтовые приводы могут достигать номинальной динамической нагрузки более 130 тонн силы (мощность одиночного привода превышает только гидравлические цилиндры ).

Тремя основными элементами типичной планетарной ролико-винтовой передачи являются вал винта, гайка и планетарный ролик. Винт представляет собой вал с многозаходной V-образной резьбой , обеспечивающий винтовую дорожку качения для нескольких роликов, радиально расположенных вокруг винта и заключенных в нарезную гайку. Резьба винта обычно идентична внутренней резьбе гайки. Ролики вращаются в контакте с винтом и гайкой и служат элементами передачи с низким коэффициентом трения. Ролики обычно имеют однозаходную резьбу с выпуклыми боковыми сторонами, которые ограничивают трение при контакте роликов с винтом и гайкой. Ролики обычно вращаются вокруг винта во время вращения (как сателлиты относительно солнечной шестерни ) и поэтому известны как планетарные или сателлитные ролики. Как и в случае с ходовым или шариковым винтом, вращение гайки приводит к перемещению винта, а вращение винта приводит к перемещению гайки.

Для данного диаметра винта и количества заходов резьбы большее количество роликов соответствует более высокой статической нагрузке, но не обязательно более высокой динамической нагрузке. доступны разрезные гайки и двойные гайки с предварительным натягом Для устранения люфта .

Типы планетарных ролико-винтовых передач

Карл Бруно Страндгрен разработал некоторые из самых ранних эффективных форм роликовых винтов и подал заявку на патент в Ницце, Франция, в феврале 1942 года. Французский патент № 888.281 был выдан в августе 1943 года и опубликован в декабре того же года. Первый коммерческий ролико-винтовой винт был спроектирован и изготовлен под его руководством в 1949 году и установлен на узкоколейном локомотиве, работавшем на угольной шахте на севере Франции. Последующие агрегаты производились и монтировались на станки и (начиная с 1955 года) на самолеты. В то время Страндгрен подал заявку на новый патент, включающий подробные расчеты и подробные производственные соображения, за что в 1954 году он получил патенты США на такой «механизм с винтовой резьбой». ^[1] и «Устройства для гаек и винтов». ^[2] и «Ролик-винт» в 1965 году. ^[3]

Типы роликовых винтов определяются движением роликов относительно гайки и винта. Четыре коммерчески доступных типа ролико-винтовой передачи: стандартная , перевернутая , рециркуляционная и с кольцевым подшипником .

Дифференциальные ролико-винтовые передачи , обычно варианты стандартного и рециркуляционного типа, также имеются в продаже. Дифференциальные ролико-винтовые передачи изменяют соотношение скоростей вращения между роликами и винтом, изменяя боковые углы и точки контакта резьбы или канавок. Таким образом, дифференциальные ролико-винтовые передачи изменяют эффективный ход винта. Уильям Дж. Роантри получил патент США на «Дифференциальную роликовую гайку» в 1968 году. ^[4]

Теперь, когда срок действия основных патентов истек, был разработан роликовый винт с открытым исходным кодом в OpenSCAD , который можно напечатать на 3D-принтере для приложений пищевой промышленности. ^[5] Планетарный роликовый винт можно изготовить из полиэтилентерефталатгликоля ( PETG ), который можно мыть в посудомоечной машине, на любом настольном 3D-принтере. Максимальная сила более чем вдвое увеличена для привода с роликовым винтом, в котором используются те же материалы, по сравнению с прямым винтовым прессом , что делает их подходящими для некоторых методов обработки пищевых продуктов.

Стандартный планетарный роликовый винт

Стандартный планетарный роликовый винт также известен как роликовый винт без рециркуляции. Отсутствие осевого перемещения ролика относительно гайки и зацепление роликов с гайкой являются отличительными чертами стандартного типа ролико-винтовой передачи.

Гайка и винт имеют одинаковую многозаходную резьбу. Ролики имеют однозаходную резьбу с углом, соответствующим резьбе гайки. Соответствующий угол резьбы предотвращает осевое перемещение между гайкой и роликом при вращении роликов. Гайка в сборе включает в себя распорные кольца и зубчатые венцы, которые позиционируют и направляют ролики. Распорные кольца, которые вращаются внутри зубчатого венца, имеют равноудаленные отверстия, которые действуют как подшипники вращения для гладких шарнирных концов (шпильки) роликов. Кольцевые шестерни синхронизируют вращение и вращение роликов вокруг оси винта, зацепляя зубья шестерни возле концов роликов. Распорные кольца вращаются вокруг оси винта, синхронно с орбитой роликов. Распорные кольца плавают относительно гайки и закрепляются в осевом направлении стопорными кольцами , поскольку они вращаются вокруг винта с более низкой частотой ( угловой скоростью ), чем гайка.

Конфигурация

Стандартные ролико-винтовые пары обычно идентифицируются по диаметру винта (обычно от 3,5 до 200 мм) и шагу винта (1–62 мм). Резьба винта (3 – 6 заходов) либо накатана (меньшая мощность), либо шлифована (большая мощность). Диаметры гайки и роликов (7–14 штук) являются простой функцией диаметра и шага винта.

Где:

s_{d}

эффективный диаметр винта или шаговый диаметр

r_{d}

эффективный диаметр ролика

n_{d}

эффективный внутренний диаметр гайки

t

резьба начинается на гайке и винте

l

это ход винта

p

резьбы ролика шаг

Следующие соотношения применимы к стандартным и инвертированным ролико-винтовым передачам: ^[1]

$n_{d}={\frac {s_{d}t}{t-2}}$	$\therefore$	передаточное отношение гайки к винту
		$(n_{d}:s_{d})=1:{\frac {t}{t-2}}$
$r_{d}={\frac {s_{d}}{t-2}}$	$\therefore$	передаточное отношение ролика к винту
		$(r_{d}:s_{d})=1:t-2$
$r_{d}={\frac {n_{d}}{t}}$	$\therefore$	передаточное число ролика и гайки
		$(r_{d}:n_{d})=1:t$
$r_{d}={\frac {n_{d}-s_{d}}{2}}$

$p={\frac {l}{t}}$	$\therefore$	отношение шага резьбы ролика к
		винтовой провод $(p:l)=1:t$

Например, если диаметр винта 30 мм, ход резьбы 20 мм и заходов резьбы 5, то ролики имеют диаметр 10 мм, шаг резьбы 4 мм, а эффективный диаметр гайки 50 мм. .

Перевернутый роликовый винт

Инвертированный планетарный роликовый винт также известен как обратный роликовый винт. Отсутствие осевого перемещения ролика относительно винта и зацепление роликов с винтом являются отличительными чертами планетарной ролико-винтовой передачи перевернутого типа. Этот тип роликовинтовой пары был разработан одновременно со стандартной роликовой винтовой парой.

Инвертированные ролико-винтовые передачи работают по тем же принципам, что и стандартные ролико-винтовые передачи, за исключением того, что функции гайки и винта по отношению к роликам обратные. Ролики перемещаются в осевом направлении внутри гайки, которая удлинена для обеспечения полного хода вала винта. Резьбовая часть винтового вала ограничена длиной резьбы роликов. Нерезьбовая часть вала винта может иметь гладкую или нецилиндрическую форму. Кольцевая шестерня заменена зубьями шестерни выше и ниже резьбовой части вала винта.

За исключением инверсии соотношения роликов, гайки и винта, конфигурация и расположение перевернутых ролико-винтовых пар соответствуют стандартным ролико-винтовым передачам.

Рециркуляционный роликовый винт

Планетарный роликовый винт с рециркуляцией также известен как роликовый винт с рециркуляцией. Ролико-винтовая передача с рециркуляцией может обеспечить очень высокую степень точности позиционирования за счет минимального шага резьбы. Ролики ролико-винтовой передачи с рециркуляцией перемещаются в осевом направлении внутри гайки до тех пор, пока не вернутся в исходное положение после одного оборота вокруг винта. В ролико-винтовых передачах с рециркуляцией не используются зубчатые венцы. Карл Бруно Страндгрен получил патент США на роликовый винт с рециркуляцией воздуха в 1965 году. ^[3]

Винт и гайка могут иметь очень мелкую одинаковую однозаходную или двухзаходную резьбу. Рециркуляционные ролики имеют канавки (а не резьбу) так, что они перемещаются в осевом направлении во время зацепления при вращении с резьбой гайки и винта, смещаясь вверх или вниз на один шаг резьбы после совершения оборота вокруг винта. Гайка в сборе обычно включает в себя клетку с прорезями и кулачковые кольца. Сепаратор удерживает ролики в удлиненных пазах, обеспечивая одинаковое расстояние между роликами, обеспечивая при этом вращение и осевое движение роликов. Кулачковые кольца имеют противоположные кулачки, совмещенные с осевой канавкой в стенке гайки. После того как ролик совершит оборот вокруг гайки, он попадает в канавку, выходит из зацепления с гайкой и винтом и проталкивается между кулачками к осевой средней точке гайки в сборе (смещаясь на расстояние, равное шагу винта). Вернувшись в исходное положение и повторно зацепившись с гайкой и винтом, ролик может снова вращаться вокруг винта.

В 2006 году Чарльз К. Корнелиус и Шон П. Лоулор получили патент на бессепараторную ролико-винтовую систему с рециркуляцией. ^[6] Как и в традиционной системе ролико-винтовой передачи с рециркуляцией, ролики отрываются от винта, когда они попадают в осевую канавку в стенке гайки. Система отличается тем, что ролики постоянно зацепляются гайкой, а осевая канавка гайки имеет резьбу. Невинтовая резьба в осевой канавке гайки возвращает ролик в исходное осевое положение (после совершения витка). Некруглые компрессионные кольца или кулачковые кольца на противоположных концах роликов (осей роликов) создают постоянное давление между роликами и гайкой, синхронизируя вращение роликов и толкая ролики в осевую канавку гайки. Не имея зубчатого венца и роликового сепаратора, ролико-винтовые пары с рециркуляцией без клеток могут быть относительно эффективными и, как следствие, обеспечивать более высокие динамические характеристики для некоторых диаметров вала винта. ^[7]

Ролико-винтовое кольцо подшипника

В 1986 году Оливер Саари получил патент на ролико-винтовую передачу с кольцом подшипника, обычно называемую торговой маркой Spiracon. ^[8] Орбита роликов этого типа соответствует вращению узла гайки. Привод содержит больше элементов передачи нагрузки, чем другие типы, кольцо подшипника и упорные подшипники , но изготовление составных частей относительно просто (например, можно исключить зубья шестерни).

В других описанных выше типах роликовых винтов нагрузки передаются от гайки через ролики к винту (или в обратном порядке). В этом типе привода упорные подшипники и свободно вращающееся кольцо подшипника с внутренней канавкой передают нагрузку между роликами и гайкой.

Винт имеет многозаходную резьбу. Ролики и герметизирующее вращающееся кольцо имеют одинаковые канавки, а не резьбу, поэтому между ними нет осевого перемещения. Гайка в сборе включает цилиндрический корпус, увенчанный невращающимися распорными кольцами. Распорные кольца имеют равноудаленные отверстия, которые действуют как подшипники вращения для гладких шарнирных концов (шпильок) роликов. Упорные подшипники роликового типа между проставочными кольцами и кольцом подшипника обеспечивают свободное вращение кольца подшипника, одновременно передавая осевую нагрузку между ними.

Ролики действуют как «резьба» гайки, вызывая осевое перемещение вращающегося винта за счет их орбитального ограничения. Вращение винта приводит во вращение ролики, которые вращают кольцо подшипника, рассеивая по пути трение, вызванное нагрузкой.

В 1996 году Тимоти А. Эрхарт получил патент США на линейный привод, эффективно включающий ролико-винтовую передачу с перевернутым кольцом подшипника. ^[9] Вал винта имеет канавки по длине и соответствуют роликам с канавками, которые перемещаются вместе с валом. Кольцо подшипника удлинено и имеет внутреннюю резьбу, соответствующую длине хода вала винта. Корпус узла гайки и уплотненное концевое кольцо образуют внешнюю часть узла привода.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б США 2683379 , Страндгрен, Карл Бруно, «Механизм с винтовой резьбой», опубликовано 13 июля 1954 г.
^ США 3173304 , Страндгрен, Карл Бруно, «Устройства для гаек и винтов», опубликовано 16 марта 1965 г.
^ Jump up to: ^а ^б США 3182522 , Страндгрен, Карл Бруно, «Ролик-винт», опубликовано 11 мая 1965 г.
^ США 3406584 , Роантри, Уильям Дж., «Дифференциальная роликовая гайка», опубликован 22 октября 1968 г., передан Roantree Electro-Mech Corp.
^ Гуаданьо, Марчелло К.; Потеря, Джейкоб М.; Пирс, Джошуа М. (2021). «Планетарный ролико-винтовой винт с открытым исходным кодом для 3D-печати для пищевой промышленности» . Технологии . 9 (2): 24. doi : 10.3390/technologies9020024 . ISSN 2227-7080 .
^ US 7044017 , Корнелиус, Чарльз К. и Лоулор, Шон П., «Роликовинтовая система», опубликовано 16 мая 2006 г.
^ Сравнительная таблица грузоподъемности роликовых винтов: CMC против Rollvis против SKF [1]. Архивировано 8 июля 2011 г. на Wayback Machine.
^ США 4576057 , Саари, Оливер, «Антифрикционная гайка/винтовая передача», опубликован 18 марта 1986 г., передан Illinois Tool Works Inc.
^ US 5557154 , Эрхарт, Тимоти А., «Линейный привод с датчиком положения с обратной связью», опубликован 17 сентября 1996 г., передан Exlar Corp.

[US2683379-1] Jump up to: ^а ^б США 2683379 , Страндгрен, Карл Бруно, «Механизм с винтовой резьбой», опубликовано 13 июля 1954 г.

[2] США 3173304 , Страндгрен, Карл Бруно, «Устройства для гаек и винтов», опубликовано 16 марта 1965 г.

[US3182522-3] Jump up to: ^а ^б США 3182522 , Страндгрен, Карл Бруно, «Ролик-винт», опубликовано 11 мая 1965 г.

[4] США 3406584 , Роантри, Уильям Дж., «Дифференциальная роликовая гайка», опубликован 22 октября 1968 г., передан Roantree Electro-Mech Corp.

[5] Гуаданьо, Марчелло К.; Потеря, Джейкоб М.; Пирс, Джошуа М. (2021). «Планетарный ролико-винтовой винт с открытым исходным кодом для 3D-печати для пищевой промышленности» . Технологии . 9 (2): 24. doi : 10.3390/technologies9020024 . ISSN 2227-7080 .

[6] US 7044017 , Корнелиус, Чарльз К. и Лоулор, Шон П., «Роликовинтовая система», опубликовано 16 мая 2006 г.

[7] Сравнительная таблица грузоподъемности роликовых винтов: CMC против Rollvis против SKF [1]. Архивировано 8 июля 2011 г. на Wayback Machine.

[8] США 4576057 , Саари, Оливер, «Антифрикционная гайка/винтовая передача», опубликован 18 марта 1986 г., передан Illinois Tool Works Inc.

[9] US 5557154 , Эрхарт, Тимоти А., «Линейный привод с датчиком положения с обратной связью», опубликован 17 сентября 1996 г., передан Exlar Corp.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]