Что такое шарико-винтовая передача? Принцип работы и типы ШВП

Шарико-винтовая передача, как и ходовой винт, преобразует вращательное движение в поступательное. Устройство состоит из вала с резьбой и шариковой гайки. Последнее устройство движется на винте, поддерживаемом серией шарикоподшипников, которые обеспечивают поверхность качения, а не поверхность скольжения ходового винта. Шарики катятся между гайкой и валом. Поскольку скольжение отсутствует, ШВП работают более эффективно, чем ходовые винты. Это их большое преимущество. КПД ШВП относительно постоянен и обычно лучше 90%.

Шарико-винтовые передачи часто являются первым выбором для решений с линейным перемещением, в частности на станках с ЧПУ, поскольку использование шарикоподшипников с рециркуляцией обеспечивает высокую эффективность, грузоподъемность и точность позиционирования. Кроме того, ШВП обычно обеспечивают равную или лучшую грузоподъемность, чем ходовые винты, и поэтому являются лучшим выбором, когда требования к нагрузке превышают возможности ходового винта.

Одним из недостатков ШВП является то, что они требуют высокого уровня смазки. ШВП всегда следует смазывать надлежащим образом с правильным составом, чтобы предотвратить коррозию, уменьшить трение, обеспечить эффективную работу и продлить срок службы. Люфт, небольшой люфт между несколькими механическими компонентами, можно устранить с помощью предварительной нагрузки.

Характеристики ШВП

Некоторые термины для шарико-винтовой передачи, такие как цепи, повороты, шаг, шаг и начало, широко используются — и используются неправильно — для количественной оценки различных аспектов узлов шарико-винтовой передачи. Хотя эти термины связаны между собой, каждый из них имеет уникальное значение и значение для конструкции и характеристик.

Шаг оборота и шаг резьбы связаны, но имеют разные характеристики.  Шаг оборота — это линейное расстояние, пройденное за каждый полный оборот винта, а шаг — это расстояние между резьбой винта. Эти термины часто используются как взаимозаменяемые, и для однозаходных винтов они эквивалентны. Однако для винтов с несколькими заходами не равны. ШВП обычно доступны со средними шагами от 0,200 до 0,500 дюйма / об, хотя существуют изделия с частой спиралью.

Принимая во внимание геометрию винтового узла, имеет смысл, что по мере увеличения шага винта количество дорожек внутри шариковой гайки становится меньше, поэтому меньшее количество шариков несет нагрузку. Хотя более крупные ходовые винты обеспечивают больший ход на оборот и более высокие скорости, их способность обеспечивать высокую грузоподъемность находится под угрозой. Теоретически количество шариковых дорожек может быть увеличено за счет удлинения шариковой гайки, но производственные ограничения и ограничения на длину шариковой гайки делают это решение непрактичным.

Цепи и повороты — тоже связанные понятия. Шаровая цепь — это замкнутая цепь рециркулирующих шаров. «Обороты» относятся к количеству ходов, которые шарики совершают вокруг вала шнека перед рециркуляцией. На соотношение цепей и витков влияет метод рециркуляции. Возврат шарика, использующий дефлектор или метод перехода от резьбы к резьбе, рециркулирует каждый виток шариков индивидуально. Следовательно, количество витков равно количеству цепей.

Когда шарики возвращаются по внутреннему каналу или внешней трубе, рециркулирующие шарики могут пересекать несколько ниток, поэтому одна цепь может иметь несколько витков шарика. То есть шарики совершают несколько обходов вокруг вала шнека перед тем, как рециркулировать. В сборках многозаходной шарико-винтовой передачи обычно используется метод рециркуляции с внутренним каналом (на фото). Они могут быть разработаны для нескольких контуров за счет включения более одного внутреннего рециркуляционного канала в корпусе гайки.

КАК РАБОТАЕТ ШВП?

Шарико-винтовая передача в сборе

Узел шарико-винтовой передачи состоит из винта и гайки, каждая из которых имеет соответствующие винтовые канавки, и шариков, которые катятся между этими канавками, обеспечивая единственный контакт между гайкой и винтом. При вращении винта или гайки шарики отклоняются дефлектором в систему возврата шариков гайки, и они проходят через систему возврата к противоположному концу шариковой гайки по непрерывному пути. Затем шарики выходят из системы возврата шариков в дорожки качения ШВП и гайки, чтобы рециркулировать в замкнутом контуре.

Узел шариковой гайки

Шариковая гайка определяет нагрузку и срок службы шарико-винтовой передачи. Отношение количества резьбы в контуре шариковой гайки к количеству резьбы шарико-винтовой передачи определяет, насколько раньше шариковая гайка достигнет усталостного разрушения (износа), чем шарико-винтовая передача.

Шариковые гайки изготавливаются с двумя типами систем возврата шара.

(а) Внешняя система возврата шарика. В системе возврата этого типа шар возвращается к противоположному концу контура через трубку возврата шара, которая выступает над внешним диаметром шариковой гайки.

(b) Внутренняя система возврата шара (существует несколько вариантов системы возврата этого типа) Шарик возвращается через стенку гайки или вдоль нее, но ниже внешнего диаметра.

Пример (1): У некоторых производителей есть схемы с одним оборотом, в которых шарики вынуждены перевыливаться через гребень резьбы на винте системой возврата. Это известно как система внутреннего возврата с перекрестным дефлектором. В шаровых гайках с перекрестным дефлектором шарики совершают только один оборот вала, и цепь замыкается шаровым дефлектором (B) в гайке (C), позволяя шарику проходить между соседними канавками в точках ( А) и (D).

Пример (2): Внутренняя система возврата шара.

В системе возврата этого типа шар возвращается к противоположному концу контура через стенку гайки или вдоль нее, но ниже внешнего диаметра через V-образный колпачок.

Пример (3): тангенциальная система внутреннего возврата шара.

Для работы на высоких скоростях или высоких нагрузках используется система тангенциального шарикового возврата. Это обеспечивает очень плавный поток шариков на любой скорости в ограниченном пространстве. Это очень прочная система возврата шара, которая также используется в решениях с высокими нагрузками. 

D. Узел вращающейся шариковой гайки

Когда длинная шарико-винтовая передача вращается с высокой скоростью, она может начать вибрировать, как только коэффициент гибкости достигнет естественной гармоники для этого размера вала. Это называется критической скоростью и может сильно сказаться на сроке службы ШВП. Безопасная рабочая скорость не должна превышать 80% критической скорости винта. 

Тем не менее, для некоторых задач требуются валы большей длины и высокие скорости. Вот где нужна вращающаяся шариковая гайка. Как правило для этого изготавливаются специальные системы ШВП.

Специальные ШВП

Характеристики шарико-винтовой передачи продолжают улучшаться благодаря усовершенствованию методов производства и материалов. ШВП нового поколения имеют более высокую грузоподъемность, а это означает, что они все чаще используются для приложений с более высокими нагрузками, а также в более сложных условиях окружающей среды. Следовательно, рост числа приводов с шариковинтовой передачей, заменяющих традиционные методы гидравлического привода в некоторых приложениях с большим усилием.

Новые конструкции шарико-винтовой передачи также могут лучше противостоять суровым условиям, таким как экстремальные температуры, высокий уровень твердых частиц, воздействие химикатов и промывки под высоким давлением, а также удары и вибрация.

С ростом количества вариантов продукции инженеры ищут новые инструменты и услуги, которые помогут упростить процесс выбора шарико-винтовой передачи. Производители предлагают инструменты для определения размеров и выбора продукта, а также услуги по индивидуальному дизайну.

Условия работы ШВП

Ходовой винт с шарикоподшипником работает практически без трения. Нагрузка между винтом и гайкой осуществляется шарикоподшипниками, которые обеспечивают единственный контакт между гайкой и винтом. Узел шарико-винтовой передачи будет работать либо с гайкой, вращающейся вокруг винта, либо с винтом, вращающимся через гайку. На вашем предприятии можно выполнить простую проверку работоспособности:

1. Убедитесь, что винт чистый и слегка смазан маслом.
2. Вручную поверните гайку вокруг фиксированного винта. Гайка должна вращаться плавно, без заедания и зависания. Не следует путать заедание с шариками, которые сжимаются, когда они входят в дорожку качения, проходя под нагрузкой между гайкой и винтом из возвратной системы. Заедание или зависание (трапеция) приводит к скольжению мячей, образованию плоских пятен на шарах, и гайка в конечном итоге блокируется. В тяжелых случаях шарики скольжения могут повредить дорожки качения винта и не подлежат ремонту.

Крутящий момент и предварительная нагрузка

Крутящий момент для привода нагрузки так же важен, как и все другие факторы, связанные с конструкцией шарико-винтовой передачи. Эти факторы взаимосвязаны в исходном макете дизайна.

Высокая предварительная нагрузка обеспечивает более высокую точность позиционирования и высокую жесткость системы, но увеличивает момент сопротивления. Превышение предварительного натяга увеличивает момент сопротивления быстрее, чем жесткость, и приводит к снижению срока службы винта. Высокий предварительный натяг может привести к неточному позиционированию. Высокая предварительная нагрузка также будет способствовать сбоям в электросети. Низкий предварительный натяг обеспечивает низкую жесткость системы и низкий крутящий момент сопротивления, что приводит к низкой точности системы.

Центровка ШВП, несоосность и приложение нагрузки

Точное совмещение крепления шейки шарико-винтовой передачи с шариковой гайкой необходимо для длительного срока службы и точности позиционирования. Радиальные, изгибающие или опрокидывающие нагрузки, прикладываемые к ШВП, сокращают срок службы узла и его упорных подшипников. Радиальное смещение шарико-винтовой передачи приводит к увеличению крутящего момента по мере приближения шариковой гайки к опорам подшипника. Изгибающие или опрокидывающие нагрузки вызывают грубую работу и шум. Радиальные, изгибающие или переворачивающие нагрузки отрицательно влияют на точность позиционирования.

Неправильная регулировка следующего приведет к перегрузке шарико-винтовой передачи и гайки в сборе и будет способствовать отказу шарико-винтовой передачи и низкой точности позиционирования.

Техническое обслуживание ШВП (смазка и чистота)

ШВП должен быть должным образом смазана и всегда содержаться в чистоте. В противном случае его жизнь сократится. Когда шарико-винтовые пары не смазываются, срок службы уменьшается на 85 процентов. Смазка снижает трение, предотвращает коррозию и позволяет ШВП работать более эффективно. И масло, и консистентная смазка используются для смазки. Смазка обычно не используется при низких температурах или высоких скоростях. Графитовая смазка или консистентная смазка со взвешенными твердыми частицами никогда не используются, потому что они имеют тенденцию засорять систему возврата шара.

Подача масла должна всегда обеспечивать легкую пленку чистого масла с уровнем фильтрации три микрона или меньше. Смазка, загрязненная грязью и стружкой, увеличивает трение. Шарики, перемещающиеся по металлической стружке в дорожке качения резьбы шара, вызывают «растрескивание» и выход из строя шарико-винтовой передачи.

Используйте смазочные материалы, рекомендованные производителем станка. Как и в случае любой высокоточной сборки, загрязнение стружкой, грязью или другими посторонними предметами вызовет и, в конечном итоге, вызовет выход из строя шарико-винтовой передачи. Ограниченную защиту обеспечивают уплотнения или сальники. Если в окружающей среде высока концентрация загрязняющих веществ, рекомендуется использовать сильфоны или телескопические крышки. Периодическая проверка чистоты и смазки продлит срок службы ШВП.