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

Шарико-винтовая передача, как и ходовой винт, преобразует вращательное движение в поступательное. Она состоит из резьбового вала и шариковой гайки. Гайка движется по винту с поддержкой серии шариковых подшипников, которые создают поверхность качения вместо поверхности скольжения ходового винта. Шарики перекатываются между гайкой и валом. Благодаря отсутствию скольжения, ШВП работают эффективнее по сравнению с ходовыми винтами. Их КПД стабильно высок и обычно превышает 90%.

Шарико-винтовые передачи часто являются предпочтительным выбором для линейных перемещений, особенно в станках с ЧПУ, так как шарикоподшипники с рециркуляцией обеспечивают высокую эффективность, грузоподъемность и точность позиционирования. ШВП также превосходят ходовые винты по грузоподъемности, что делает их оптимальным вариантом при повышенных нагрузках.

Недостатком ШВП является необходимость в постоянной смазке. ШВП всегда должны быть правильно смазаны подходящим составом для предотвращения коррозии, снижения трения, поддержания эффективности работы и увеличения срока службы. Небольшой люфт между компонентами можно устранить с помощью предварительной нагрузки.

Характеристики ШВП

Существует несколько терминов, связанных с шарико-винтовыми передачами, таких как шаг, витки, и начало, которые часто неправильно используются для описания различных аспектов узлов ШВП. Хотя эти термины связаны, каждый из них имеет свое уникальное значение и значение для конструкции и характеристик.

Шаг оборота и шаг резьбы имеют различия, хотя часто используются как синонимы. Шаг оборота — это линейное расстояние, пройденное за один полный оборот винта, а шаг — расстояние между резьбами. Для однозаходных винтов эти термины совпадают, но для многозаходных винтов они различны. ШВП обычно доступны с шагом от 0,200 до 0,500 дюйма на оборот, хотя существуют модели с более частой резьбой.

С учетом геометрии винтового узла, увеличение шага винта уменьшает количество дорожек внутри шариковой гайки, что снижает количество шариков, несущих нагрузку. Более крупные ходовые винты обеспечивают больший ход на оборот и более высокие скорости, но их грузоподъемность может снижаться. В теории можно увеличить количество дорожек за счет удлинения гайки, но это ограничено производственными и конструкционными требованиями.

Цепи и витки также взаимосвязаны. Шариковая цепь представляет собой замкнутую цепь рециркулирующих шариков. Витки означают количество оборотов, которые совершают шарики вокруг вала перед рециркуляцией. Соотношение цепей и витков зависит от метода рециркуляции. В системах, использующих дефлекторы или переходы от резьбы к резьбе, каждый виток шариков рециркулирует индивидуально, поэтому количество витков равно количеству цепей.

При использовании внутреннего канала или внешней трубки рециркуляции, шарики могут пересекать несколько ниток, что позволяет одной цепи иметь несколько витков. В многозаходных ШВП обычно применяется метод внутренней рециркуляции, где более одного канала рециркуляции может быть встроено в корпус гайки.

Как работает ШВП?

Шарико-винтовая передача в сборе

Узел шарико-винтовой передачи состоит из винта и гайки с соответствующими винтовыми канавками, по которым катятся шарики, обеспечивая единственный контакт между гайкой и винтом. При вращении винта или гайки шарики отклоняются дефлектором в систему возврата шариков и возвращаются к противоположному концу шариковой гайки, создавая замкнутый контур.

Узел шариковой гайки

Шариковая гайка определяет нагрузку и срок службы шарико-винтовой передачи. Отношение количества резьб в контуре шариковой гайки к количеству резьб шарико-винтовой передачи определяет, насколько раньше наступит усталостное разрушение гайки по сравнению с ШВП.

Типы систем возврата шариков в шариковых гайках

Шариковые гайки могут быть оснащены двумя типами систем возврата шариков:

(а) Внешняя система возврата шариков. В этой системе шарики возвращаются через трубку возврата, которая выходит за пределы внешнего диаметра гайки.

(b) Внутренняя система возврата шариков. В этой системе шарики возвращаются через стенку или вдоль гайки, но ниже внешнего диаметра.

Пример 1: В некоторых системах шарики проходят только один оборот вокруг вала перед возвратом, это называется системой с перекрестным дефлектором. Здесь шарики совершают один оборот, затем через дефлектор перескакивают через гребень резьбы на винте, замыкая цепь.

Пример 2: Внутренняя система возврата шаров

Здесь шарики проходят более одного оборота вокруг вала, затем через внешний канал возвращаются в другой конец гайки. У таких систем, как правило, один непрерывный канал возврата шариков с двумя резьбами. Обычно в таких системах используется от двух до четырех каналов возврата шариков на одну гайку.

Пример 3: тангенциальная система внутреннего возврата шариков

Для обеспечения работы при высоких скоростях и нагрузках применяют тангенциальную систему возврата шариков. Эта система обеспечивает плавное движение шариков в замкнутом пространстве на любых скоростях. Система возврата шариков обладает высокой надежностью и часто используется для приложений с большими нагрузками.

D. Узел вращающейся шариковой гайки

При вращении длинных шарико-винтовых передач на высокой скорости возможно появление вибраций, когда коэффициент гибкости достигает резонансного значения для данного вала. Это явление называется критической скоростью и может существенно сократить срок службы ШВП. Для безопасной эксплуатации скорость вращения не должна превышать 80% от критической скорости винта.

Однако, в ряде случаев требуется использовать длинные валы при высоких скоростях. В таких ситуациях применяется вращающаяся шариковая гайка. Для этого разрабатываются специальные системы ШВП.

Специальные ШВП

Современные шарико-винтовые передачи постоянно совершенствуются благодаря новым методам производства и улучшению материалов. ШВП последнего поколения обладают увеличенной грузоподъемностью, что позволяет применять их в более сложных условиях и с большими нагрузками. Это способствует их широкому использованию в областях, где раньше преобладали гидравлические приводы.

Новые конструкции ШВП способны лучше выдерживать экстремальные условия, такие как высокие и низкие температуры, загрязнения, воздействие химических веществ, а также удары и вибрации.

С увеличением разнообразия продукции инженеры разрабатывают новые инструменты и сервисы, облегчающие выбор шарико-винтовой передачи. Производители предлагают сервисы по подбору размеров, а также услуги по разработке индивидуальных решений.

Условия эксплуатации ШВП

Шарико-винтовые пары практически не испытывают трения. Шарикоподшипники выполняют функцию разделителя между винтом и гайкой, обеспечивая контакт между этими элементами. Шарико-винтовая передача может работать с вращающейся гайкой или винтом, вращающимся вокруг гайки. Для проверки работоспособности ШВП на вашем предприятии можно выполнить следующие действия:

1. Убедитесь, что винт чистый и смазан маслом.
2. Ручным вращением гайки вокруг фиксированного винта проверьте плавность хода. Гайка должна двигаться без заеданий. Не путайте заедание с эффектом сжатия шариков, которые проходят под нагрузкой через дорожку качения. Заедание может привести к деформации шариков и повреждению гайки.

Крутящий момент и предварительная нагрузка

Крутящий момент, необходимый для приведения в движение нагрузки, играет важную роль в конструкции шарико-винтовой передачи. Эти параметры тесно связаны между собой в процессе разработки.

Высокая предварительная нагрузка обеспечивает точное позиционирование и жесткость системы, но увеличивает момент сопротивления. Избыточная предварительная нагрузка может привести к быстрому износу винта и снижению его срока службы. Кроме того, высокая нагрузка может способствовать сбоям в системе. Напротив, низкая предварительная нагрузка снижает жесткость и крутящий момент сопротивления, что отрицательно сказывается на точности системы.

Центровка ШВП, несоосность и приложение нагрузки

Для долговечности и точности работы ШВП необходимо правильное выравнивание шарико-винтовой передачи с шариковой гайкой. Радиальные, изгибающие или опрокидывающие нагрузки могут сократить срок службы узла и его упорных подшипников. Радиальное смещение вызывает увеличение крутящего момента по мере приближения гайки к опорам подшипника. Изгибающие и опрокидывающие нагрузки приводят к ухудшению работы системы и повышению уровня шума, негативно влияя на точность позиционирования.

Неправильная настройка приводит к перегрузке узла и снижению точности позиционирования, а также может вызвать отказ шарико-винтовой передачи.

Обслуживание ШВП (смазка и чистота)

Шарико-винтовая передача должна быть правильно смазана и содержаться в чистоте. Несоблюдение этих условий сокращает срок службы на 85%. Смазка уменьшает трение, предотвращает коррозию и повышает эффективность работы системы. Для смазки применяют как масло, так и консистентные смазки, однако в условиях низких температур или высоких скоростей предпочтительнее использовать масло. Графитовые смазки или смазки с твердыми частицами не рекомендуются, так как они могут забивать систему возврата шариков.

Масляная пленка должна быть чистой, с уровнем фильтрации не более трех микрон. Загрязненная смазка увеличивает трение и приводит к повреждению дорожек качения винта.

Используйте только те смазочные материалы, которые рекомендует производитель станка. Любое загрязнение, будь то стружка, пыль или посторонние частицы, может привести к выходу из строя ШВП. Защита от загрязнений может быть обеспечена сальниками или уплотнителями, однако в условиях высокого уровня загрязнения стоит использовать сильфоны или телескопические крышки. Регулярная проверка состояния смазки и чистоты продлит срок службы системы.

Шарико-винтовые передачи применяются в разных областях, требующих точного перемещения и высокой эффективности, таких как станки с ЧПУ, робототехника и авиация. Они обеспечивают более низкий коэффициент трения по сравнению с обычными ходовыми винтами, что уменьшает износ и продлевает срок службы.

Еще одна важная особенность ШВП — их обратимость. Это означает, что при достаточном внешнем усилии на винте гайка будет перемещаться, что делает систему более гибкой в использовании.

Шарико-винтовые передачи (ШВП) используются в различных применениях, требующих точного перемещения и высокой эффективности, таких как станки с ЧПУ, робототехника и авиация. ШВП обеспечивают меньший коэффициент трения по сравнению с традиционными ходовыми винтами, что приводит к меньшему износу и более долгому сроку службы.

Рассмотрим еще одну ключевую характеристику ШВП — способность к обратимости. Это означает, что при достаточном внешнем усилии на винте гайка будет перемещаться, что позволяет системе быть более гибкой в работе.

Преимущества и недостатки ШВП

Шарико-винтовые передачи имеют ряд преимуществ, которые делают их предпочтительным выбором в машиностроении. Во-первых, высокая точность позиционирования достигается благодаря минимальному люфту, что критично для задач, требующих точного движения. Во-вторых, ШВП могут работать с высокой скоростью и при этом поддерживать высокую эффективность. И, наконец, благодаря шарикоподшипникам с рециркуляцией, ШВП обеспечивают высокую грузоподъемность.

Однако, несмотря на эти преимущества, у ШВП есть и свои недостатки. Одним из них является чувствительность к загрязнениям. Шариковые подшипники и резьбы требуют тщательной защиты от пыли и грязи, иначе производительность системы может значительно снизиться. Кроме того, ШВП требуют регулярного обслуживания, включая смазку, для поддержания их эффективности.

Еще одним недостатком является их сложность и высокая стоимость производства по сравнению с традиционными ходовыми винтами. ШВП сложны в изготовлении, что делает их более дорогими. Кроме того, установка и настройка ШВП требует большего времени и опыта.

Применение ШВП

Шарико-винтовые передачи широко используются в промышленности и инженерии. Они находят применение в станках с ЧПУ, где необходимы точные перемещения и высокая грузоподъемность. ШВП также используются в автомобильной промышленности, в системах рулевого управления и подвески, где важна высокая точность и долговечность.

Кроме того, ШВП находят применение в аэрокосмической отрасли, где они используются в системах управления полетом и посадочными механизмами. В робототехнике ШВП обеспечивают плавное и точное движение манипуляторов и других элементов.

ШВП также находят применение в медицинском оборудовании, например, в хирургических роботах, где требуется высокая точность и надежность.

Заключение

Шарико-винтовые передачи представляют собой сложную, но эффективную систему, обеспечивающую точное и надежное перемещение в различных приложениях. Хотя они требуют более тщательного обслуживания и защиты от загрязнений, их преимущества в виде высокой точности, эффективности и грузоподъемности делают их неотъемлемой частью современного машиностроения и робототехники.