ШВП

Две шарико-винтовые передачи, включая крупный план шарикового узла верхнего винта. Врезка слева: снятая трубка рециркуляции, показывающий крепежный кронштейн, незакрепленные шарики и трубку. Правая вставка: более детальный вид полости гайки.

Шариковый винт (или шариковый винт ) — это механический линейный привод , который преобразует вращательное движение в линейное движение с небольшим трением . Резьбовой вал обеспечивает спиральную дорожку качения для шарикоподшипников , которые действуют как прецизионный винт. Они не только способны применять или выдерживать высокие осевые нагрузки, но и делать это с минимальным внутренним трением. Они изготавливаются с жесткими допусками и поэтому подходят для высокоточного применения. Шаровой узел действует как гайка, а резьбовой вал — как винт.

В отличие от обычных ходовых винтов , шариковые винты имеют тенденцию быть довольно громоздкими из-за необходимости иметь механизм рециркуляции шариков.

История

Шарико-винтовая передача была изобретена независимо Х. М. Стивенсоном и Д. Гленном, которым в 1898 году были выданы патенты № 601 451 и 610 044 соответственно.

Ранние точные винтовые валы производились, начиная с винтового вала низкой точности, а затем притирая вал несколькими притирами подпружиненных гаек. ^{[ нужна ссылка ]}. Путем перестановки и переворачивания нахлестов гаек были усреднены продольные ошибки гаек и вала. Затем очень повторяемый шаг вала измеряется по эталону расстояния. Подобный процесс иногда используется сегодня для производства винтовых валов эталонных стандартов и для освоения производства винтовых валов. ^{[ нужна ссылка ]}

Дизайн

Низкое трение в ШВП обеспечивает высокий механический КПД по сравнению с альтернативами. Типичный ШВП может иметь КПД 90 процентов по сравнению с КПД ходового винта Acme такого же размера от 20 до 25 процентов. Отсутствие трения скольжения между гайкой и винтом продлевает срок службы винтового узла (особенно в безлюфтовых системах), сокращает время простоя для технического обслуживания и замены деталей, а также снижает потребность в смазке. Это, в сочетании с их общими преимуществами в производительности и сниженными требованиями к мощности, может компенсировать первоначальные затраты на использование ШВП.

Шариковые винты также могут уменьшить или устранить люфт, характерный для комбинаций ходового винта и гайки. Шарики могут быть предварительно нагружены, чтобы между шариковым винтом и шариковой гайкой не было «качивания». Это особенно желательно в тех случаях, когда нагрузка на винт быстро меняется, например, в станках.

Из-за их очень высокого механического КПД, особенно по сравнению с традиционными ходовыми винтами, ШВП потенциально могут иметь обратный привод (то есть линейная сила, приложенная непосредственно к гайке, может вызвать вращение вала, что является контрпродуктивным для большинства применений). . Хотя это обычно имеет ограниченные последствия для моторизованных применений и в некоторых случаях потенциально даже обеспечивает легкий защитный эффект, это делает их в целом непригодными для применения в системах с ручным приводом, таких как станки с ручной подачей . Статический крутящий момент и цифровое управление соответствующего серводвигателя можно настроить для сопротивления и компенсации, но механизмы с ручным запуском потребуют дополнительных механизмов для предотвращения нежелательного поведения. Такое нежелательное поведение может варьироваться от простой потери управления станком, например, самоподачи (инструмент станка вызывает движение осей без управляющего воздействия оператора), до потенциально опасных случаев, когда неожиданная сила может быть передана всем путь к конечностям оператора и создают опасность получения травмы. Поскольку обычный ходовой винт сопротивляется или даже запрещает такую обратную операцию, они по своей сути безопаснее и надежнее для ручного использования. Величина силы, необходимой для последующего обратного хода ходового винта Acme, обычно достаточна, чтобы разрушить механизм, обездвижить машину и поглотить любую опасную силу, прежде чем она сможет представлять опасность для оператора.

Циркулирующие шарики перемещаются внутри резьбы винта и гайки, и шарики рециркулируют через различные типы возвратных механизмов. Если бы шариковая гайка не имела возвратного механизма, то шарики выпадали бы из конца шариковой гайки, когда они достигли конца гайки. По этой причине было разработано несколько различных методов рециркуляции. представляет Внешняя шариковая гайка собой штампованную трубку, которая захватывает шарики с дорожки качения с помощью небольшого приемного пальца. Шарики перемещаются внутри трубки, а затем возвращаются обратно в канавку резьбы. В шариковой гайке с внутренней кнопкой используется механический или литой возврат в виде кнопки, который позволяет шарикам покидать дорожку качения и перемещаться на одну резьбу, а затем снова входить в дорожку качения. В возвратной шариковой гайке торцевой крышки на конце шариковой гайки имеется колпачок. Колпачок предназначен для захвата шариков, выходящих из конца гайки, и направления их в отверстия, просверленные поперечно шариковой гайке. Дополнительный колпачок на другой стороне гайки направляет шарики обратно в дорожку качения. Возвратные шарики не испытывают значительной механической нагрузки, а путь возврата может быть выполнен методом литья под давлением с низким коэффициентом трения. пластиковые детали.

ШВП включает в себя значительно больше деталей и поверхностных взаимодействий, чем многие аналогичные системы. В то время как базовый ходовой винт состоит только из сплошного вала и прочной гайки с простой геометрией сопряжения, для шарико-винтовой передачи необходимы изогнутые контуры точной формы и многокомпонентные сборки для облегчения работы шариков подшипников. Это делает их более дорогими в производстве, а иногда и в обслуживании, а также открывает больше потенциальных возможностей выхода из строя, если за устройством не ухаживают должным образом.

Уравнения

T={\frac {Fl}{2\pi \nu }}

с поворотным входом, приводящим в движение обычным способом, или

F={\frac {2\pi \nu T}{l}}

если линейная сила тормозит систему.

В этих уравнениях ${\mathit {T}}$ крутящий момент, приложенный к винту или гайке, ${\mathit {F}}$ приложенная линейная сила, ${\mathit {l}}$ - ход шарико-винтовой передачи, и $\nu$ - это эффективность ШВП. Выбор используемого стандарта является соглашением между поставщиком и пользователем и имеет определенное значение при проектировании винта. В США ASME разработал стандарт B5.48-1977, озаглавленный «Шариковые винты».

Правильная оценка кривизны канавок ШВП позволяет точно спроектировать конструктивные параметры этого механизма и повысить его работоспособность. Формулировка, обычно используемая в литературе, относится к геометрии шарикоподшипника без учета формы профиля сечения и угла винтовой линии. В частности, первая главная кривизна рассчитывается как $\kappa _{1s}={\frac {\cos(\varphi )}{r_{m}-r_{b}\cos(\varphi )}}$ для канавки вала винта, и как $\kappa _{1n}=-{\frac {\cos(\varphi )}{r_{m}+r_{b}\cos(\varphi )}}$ для гаечной канавки, где φ — угол контакта, $r_{m}$ радиус делительной окружности, а $r_{b}$ это радиус шара. Вторая главная кривизна просто $\kappa _{2s}=-{\frac {1}{2f_{s}r_{b}}}$ для канавки вала винта и $\kappa _{2n}=-{\frac {1}{2f_{n}r_{b}}}$ для гаечной канавки, где $f_{s}$ и $f_{n}$ – соответственно коэффициенты соответствия профилей канавок вала винта и гайки. Эти формулировки не учитывают форму профилей канавок и наличие угла винтовой линии: в более поздних публикациях найдено точное решение кривизны канавок вала винта и гайки. Новое исследование предлагает новую формулировку, которая аппроксимирует реальные значения кривизны с максимальной относительной погрешностью примерно 0,5%. ^[1] Следовательно, гораздо более точная формула для первой главной кривизны канавки вала винта: $\kappa _{1s}={\frac {\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}{r_{m}-r_{b}\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}}$ и $\kappa _{1n}=-{\frac {\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}{r_{m}+r_{b}\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}}$ для гаечной канавки, где $\alpha _{e}=\arctan \left({\frac {l}{2\pi r_{m}}}\right)$ - угол спирали.

Операция

Чтобы сохранить присущую им точность и обеспечить длительный срок службы, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы избежать загрязнения грязью и абразивными частицами. Этого можно добиться, используя резиновые или кожаные сильфоны для полного или частичного закрытия рабочих поверхностей. Другое решение — использовать положительное давление фильтрованного воздуха, когда они используются в полугерметичном или открытом корпусе.

Уменьшая трение, ШВП могут работать с некоторой предварительной нагрузкой, эффективно устраняя люфт (наклон) между входом (вращением) и выходом ( линейным движением ). Эта функция важна, когда они используются в системах управления движением с компьютерным управлением, таких как с ЧПУ станки и приложениях с высокоточным перемещением (например, при сварке проводов ).

Для получения правильного качения шариков, как и в стандартном шарикоподшипнике, необходимо, чтобы при нагрузке в одном направлении шарик в одной точке соприкасался с гайкой, а в другой - с винтом. На практике большинство шарико-винтовых пар рассчитаны на легкий предварительный натяг, так что шарик испытывает хотя бы небольшую нагрузку в четырех точках: две соприкасаются с гайкой и две соприкасаются с винтом. Это достигается за счет использования профиля резьбы, радиус которого немного больше, чем у шарика, причем разница в радиусах остается небольшой (например, простая V-образная резьба с плоскими поверхностями непригодна), так что упругая деформация вокруг точки контакта позволяет должна быть получена небольшая, но ненулевая площадь контакта, как и у любого другого подшипника качения. Для этого резьбу обычно обрабатывают в виде профиля «готическая арка». Если бы использовался простой полукруглый профиль резьбы, контакт был бы только в двух точках: на внешней и внутренней кромках, которые не выдерживали бы осевой нагрузки.

Чтобы устранить люфт и получить оптимальные характеристики жесткости и износа для данного применения, обычно применяется контролируемая величина предварительной нагрузки. В некоторых случаях это достигается путем механической обработки компонентов таким образом, чтобы шарики плотно прилегали при сборке; однако это дает плохой контроль предварительной нагрузки и не может быть отрегулировано с учетом износа. Чаще всего шариковую гайку проектируют как две отдельные гайки, плотно соединенные механически, с регулировкой либо путем вращения одной гайки относительно другой, создавая таким образом относительное осевое смещение, либо путем удержания обеих гаек плотно вместе в осевом направлении и вращения. один относительно другого, так что его набор шариков смещается в осевом направлении для создания предварительного натяга.

Производство

Валы шарико-винтовой передачи могут быть изготовлены прокаткой, что дает менее точный, но недорогой и механически эффективный продукт. Катаные ШВП имеют точность позиционирования в несколько тысячных долей дюйма на фут.

ШВП классифицируются по «классам точности» от C0 (наиболее точный) до C10. ^[2] Высокоточные винтовые валы обычно имеют точность до одной тысячной дюйма на фут (830 нанометров на сантиметр) или выше. Исторически им придавали грубую форму, закаляли , а затем шлифовали. Трехэтапный процесс необходим, поскольку высокотемпературная обработка деформирует заготовку. ^[3] Жесткое вихревое вращение — это недавний (2008 г.) метод прецизионной обработки, который сводит к минимуму нагрев заготовки и позволяет изготавливать прецизионные винты из закаленных стержней. ^[4] Винтовые валы инструментального качества обычно имеют точность до 250 нанометров на сантиметр. Они производятся на прецизионных фрезерных станках с оптическим дальномером и специальной оснасткой. Подобные машины используются для производства оптических линз и зеркал. Валы винтов инструментов обычно изготавливаются из инвара , чтобы предотвратить слишком сильное изменение допусков при температуре.

Приложения

Шарико-винтовые пары используются в самолетах и ракетах для перемещения поверхностей управления, особенно для электрического управления по проводам , а также в автомобильном рулевом управлении с усилителем для преобразования вращательного движения от электродвигателя в осевое движение рулевой рейки. Они также используются в станках , роботах и прецизионном сборочном оборудовании. Высокоточные ШВП используются в шаговых двигателях при производстве полупроводников .

Шариковый винт используется для расширения конструкции развертываемой башни (DTA) космического телескопа Джеймса Уэбба . ^{[ нужна ссылка ]}

Шарико-винтовую передачу также планируется использовать в как TerraPower натриевом реакторе часть механизма привода стержня управления . ^[5]

Подобные системы

Другой формой линейного привода на основе вращающегося стержня является безрезьбовая шарико-винтовая передача или «привод с вращающимся кольцом». В этой конструкции три или более подшипников качения расположены симметрично в корпусе, окружающем гладкий (безрезьбовой) шток или вал привода. Подшипники установлены под углом к стержню, и этот угол определяет направление и скорость линейного движения за один оборот стержня. Преимущество этой конструкции перед обычными шариковыми или ходовыми винтами заключается в практическом устранении люфта и нагрузки, вызываемых гайками предварительного натяга.

См. также

Шаровая шлица — механический подшипник, предназначенный для обеспечения свободного движения в одном направлении.
Домкрат - механическое подъемное устройство, приводимое в действие поворотом ходового винта.
Ходовой винт - винт, используемый в качестве звена в механизме.
Линейный привод – привод, создающий движение по прямой.
Подшипник линейного перемещения – механический подшипник, предназначенный для обеспечения свободного движения в одном направлении.
Рециркуляционный шарик – Рулевой механизм автомобиля
Роликовый винт – прецизионный винтовой привод с низким коэффициентом трения

Ссылки

^ А.С. Бертолино, А. Де Мартин, С. Мауро, М. Сорли (2023). «Точная формулировка кривизны профилей ШВП в стиле готической арки и новое приближенное решение, основанное на упрощенной геометрии канавок» . Машины . 11 (2): 261. doi : 10.3390/machines11020261 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ «Точность шарико-винтовой передачи» (PDF) . Спасибо.
^ Веб-сайт компании Schrillo.
^ Торговая литература компании Leistritz.
^ «TerraPower, LLC, Предварительный отчет по анализу безопасности» (PDF) . 2024.

[1] А.С. Бертолино, А. Де Мартин, С. Мауро, М. Сорли (2023). «Точная формулировка кривизны профилей ШВП в стиле готической арки и новое приближенное решение, основанное на упрощенной геометрии канавок» . Машины . 11 (2): 261. doi : 10.3390/machines11020261 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[2] «Точность шарико-винтовой передачи» (PDF) . Спасибо.

[3] Веб-сайт компании Schrillo.

[4] Торговая литература компании Leistritz.

[5] «TerraPower, LLC, Предварительный отчет по анализу безопасности» (PDF) . 2024.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]