ПЛАНЕТАРНАЯ РОЛИКОВИНТОВАЯ ПЕРЕДАЧА
ORBITAL ROLLER DRIVE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве передачи для преобразования вращательного движения в поступательное.
Известна планетарная роликовинтовая передача, которая состоит из винта, цельной гайки и установленных между ними роликов, которые своими торцевыми шейками установлены в сепараторах. Чтобы исключить самопроизвольное вывинчивание роликов, они дополнительно связаны по торцам с гайкой зубчатыми зацеплениями. Витки роликов находятся в резьбовых зацеплениях с витками винта и гайки. При этом на винте выполнена наружная многозаходная резьба, на гайке - внутренняя многозаходная резьба, а на роликах - наружная резьба, как правило, с одним заходом (см. Решетов Д.Н. «Детали машин». Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов, 4-е издание. - М.: Машиностроение, 1989 год, стр. 314).
Основными недостатками данной планетарной роликовинтовой передачи являются низкая осевая жесткость и низкая кинематическая точность из-за боковых зазоров между сопрягаемыми витками резьбы винта и роликов, роликов и гайки. Собрать данную передачу без указанных зазоров невозможно.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемой передаче является принятая в качестве прототипа планетарная роликовинтовая передача, которая состоит из винта, винтовых роликов, гайки, состоящей из двух полугаек, между которыми установлен компенсатор. Ролики разделяются сепараторами, расположенными по торцам гайки, а между гайкой и роликами имеется дополнительная связь, предотвращающая ролики от вывинчивания. При этом совместная длина двух полугаек и компенсатора меньше, чем если бы гайка была целой, что значительно снижает нагрузочную способность передачи. Также при приложении усилия преднатяга, стягивающего две полугайки, винтовые ролики перемещаются к винту. Толщина компенсатора точно регулируется за счет последовательных сборок-разборок и подшлифовки компенсатора, в результате чего зазоры между основными деталями передачи выбираются (см. патент РФ №2204069, МПК F16H 25/20, опубл. 2003 г.).
Известное устройство позволяет преобразовывать вращательное движение в поступательное с определенной точностью. Однако данное устройство обладает целым рядом недостатков. Низкий коэффициент полезного действия (КПД), так как предварительное усилие на рабочем и холостом ходу гайки создает существенные механические потери на трение. Кроме этого, действие предварительного усилия приводит на рабочем и холостом ходу гайки к износу сопрягаемых витков резьбовых деталей планетарной роликовинтовой передачи и, как следствие, к снижению жесткости и точности, а также к снижению долговечности передачи. Предварительное усилие играет положительную роль на рабочем ходу гайки и отрицательную роль на ее холостом ходу. При изменении направления движения происходит кромочный износ поверхности резьбы ролика. В результате предотвращения роликов от выкручивания происходит износ зубчатого зацепления между роликом и зубчатым венцом, повышение температуры зацепления, что негативно сказывается на долговечности передачи. Одновременно работа устройства сопровождается значительным уровнем шума.
Технической задачей изобретения является уменьшение зазоров в зацеплении полугаек и роликов за счет дополнительной возможности их регулировки, снижение механических потерь, износа и нагрева контактирующих поверхностей резьбового и зубчатого соединения при условии более равномерного распределения нагрузки в момент изменения ее направления по всем точкам контакта при одновременном снижении уровня шума при работе.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что предлагается планетарная роликовинтовая передача, содержащая винт, взаимодействующий с разрезной гайкой, выполненной в виде двух полугаек с регулирующей шайбой между ними с возможностью их возвратно-поступательного движения направления по всем точкам контакта при одновременном снижении уровня шума при работе.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в планетарной роликовинтовой передаче, содержащей винт, взаимодействующий с разрезной гайкой, выполненной в виде двух полугаек с регулирующей шайбой между ними с возможностью их возвратно-поступательного движения вдоль оси винта посредством ряда промежуточных резьбовых роликов, имеющих наружные зубчатые венцы и установленных своими концами в сепараторах, каждый из которых находится в резьбовом зацеплении с винтом и резьбовыми полугайками и, одновременно, в зубчатом зацеплении с зубчатыми венцами, зафиксированными с двух сторон относительно каждой из полугаек стопорными кольцами, согласно изобретению резьбовые ролики выполнены с меньшим по длине участком зубчатого зацепления при сохранении длины участка под резьбовое соединение, при этом участок зубчатого зацепления выполнен на гладкой цилиндрической поверхности со стороны каждого из их торцов, диаметр которой меньше внутреннего диаметра резьбы ролика, зубья наружних зубчатых венцов подрезаны в зоне головки с уменьшением их по высоте, при этом в средней части резьбового ролика выполнена цилиндрическая проточка, а полугайки в средней части снабжены регулирующим механизмом в виде болтового фланцевого соединения торцов полугаек, причем отверстия под болты в одной из полугаек выполнены в виде продольного радиально ориентированного кармана с возможностью углового смещения полугаек относительно друг друга.
Решение поставленной технической задачи достигается как при предварительной настройке передачи, так и при ее эксплуатации благодаря предусмотренному дополнительно к имеющемуся средству - регулировочной шайбе, механизму регулировки в виде болтового соединения полугаек со стороны их смежных торцов и резьбовой поверхности ролика и гайки, а также благодаря выполнению радиальных карманов в одной из полугаек под болты, позволяющих регулировать угловое смещение полугаек. При этом благодаря выполнению в средней части роликов цилиндрической проточки происходит более равномерное распределение действующей нагрузки при изменении ее направления по всем точкам контакта резьбового соединения роликов и полугаек, что позволяет увеличить нагрузочную способность передачи. Благодаря тому, что зубья зубчатых венцев роликов подрезаны в зоне головки с уменьшением их по высоте, появляется больший зазор, заполняемый присутствующим в соединении маслом. Это позволяет избежать контакта трущихся поверхностей, а следовательно, механических потерь на трение, их износа, а также дает возможность понизить температуру нагрева и одновременно снизить уровень шума при работе.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 в общем виде представлена схема устройства; на фиг. 2 показан вид А на фиг. 1; на фиг. 3 показан вид Б на фиг. 2; на фиг 4 приведено зубчатое зацепление между венцом ролика и зубчатым венцом, где Δ - зазор между сопрягаемыми поверхностями зубчатого соединения, пунктирной линией на чертеже показана линия подреза зубьев ролика; на фиг. 5 представлен модифицированный зубчатый ролик, где использованы следующие обозначения:
a
- длина зуба зубчатого зацепления ролика;
b - длина выполненного подреза;
l/2 - длина резьбовой поверхности;
p
d - внутренний диаметр резьбы ролика;
зв
d - наружный диаметр зубчатого венца.
a
a
зв
p
Планетарная роликовинтовая передача содержит винт 1, взаимодействующий с разрезной гайкой (см. фиг. 1, 2), которая выполнена в виде двух полугаек 2 и 3 с регулирующей шайбой 4 между ними с возможностью их возвратно-поступательного движения вдоль оси винта 1 посредством ряда промежуточных резьбовых роликов 5, имеющих наружные зубчатые венцы 6 и установленных своими цапфами 7 в сепараторах 8. Резьбовые ролики 5 находятся в резьбовом зацеплении с винтом 1 и резьбовыми полугайками 2 и 3, а также одновременно в зубчатом зацеплении с зубчатыми венцами 9, зафиксированными с двух сторон относительно каждой из полугаек 2 и 3 стопорными кольцами 10. Резьбовые ролики 5 выполнены с меньшим по длине участком  зубчатого зацепления 6 при сохранении длины участка резьбового соединения l=l/2+l/2. Участок  зубчатого зацепления венцов 6 резьбовых роликов 5 выполнен на гладкой цилиндрической поверхности со стороны каждого из их торцов, диаметр которой меньше внутреннего диаметра резьбы ролика, т.е. диаметр d<d (см. фиг. 5). Зубья наружных венцов 6 зубчатого ролика 5 подрезаны в зоне головки с уменьшением их по высоте (см. фиг. 3 и 4), не изменяя (не уменьшая) площадь контакта зацепления с зубчатым венцом 9, и закреплены в полугайках 2 и 3 с помощью винтов 11. Головка зуба изменена таким образом (сточена), чтобы кромка зуба под нагрузкой не касалась активного участка сопряженного профиля зуба, сохраняя минимальный зазор Δ между сопрягаемыми поверхностями зубчатого соединения. Это увеличивает толщину масляного слоя в соединениях. В средней части резьбового ролика выполнена цилиндрическая проточка 12 размером b для распределения усилий при изменении направления приложения нагрузки. Полугайки 2 и 3 в средней части снабжены регулирующим механизмом в виде болтового фланцевого соединения 13 торцов полугаек 2 и 3. Причем отверстия (не обозначены) под болты 14 в одной из полугаек, а именно в полугайке 2, выполнены в виде продольного радиально ориентированного кармана 15, т.е. выполнены по радиусу относительно общей осевой линии с возможностью углового смещения полугаек 2 и 3 относительно друг друга.
Работа планетарной роликовинтовой передачи осуществляется следующим образом.
зв
p
Перед вводом в эксплуатацию происходит приработка и смазка передачи. Затем она регулируется с использованием регулировочной шайбы 4 и дополнительно с помощью регулировочного механизма в виде болтового фланцевого соединения 13 для первичного уменьшения зазоров и распределения нагрузки по всем точкам контакта резьбовых соединений винта 1, роликов 5 и полугаек 2 и 3. Дополнительная регулировка с помощью болтового фланцевого соединения 13 происходит путем углового смещения полугаек 2 и 3 относительно продольного радиально ориентированного кармана 15, выполненного в полугайке 2 под болты 14. Поскольку участок а зубчатого зацепления выполнен на цилиндрической поверхности диаметром d<d, то это позволяет полугайкам 2 и 3 осуществлять движение без помех с максимальным расчетным ходом в прямом и обратном направлениях.
При вращении винта 1 от привода (не показан) резьбовые ролики 5 благодаря резьбовому зацеплению с винтом 1 совершают сложное планетарное движение, а именно вращаются вокруг своей оси в отверстиях сепараторов 8 и все резьбовые ролики 5 вместе с сепараторами 8 вращаются вокруг общей оси - оси винта 1, и при этом одновременно резьбовые ролики 5 перемещаются по резьбе винта 1 вдоль его оси в горизонтальном направлении. Одновременно с этим полугайки 2 и 3 за счет резьбового зацепления с резьбовыми роликами 5 вращаются относительно оси винта 1 и перемещаются параллельно этой оси, т.е. осуществляют поступательное движение в горизонтальном направлении, воздействуя на рабочий орган (не показан). Во время работы планетарной передачи подведенный к винту 1 вращательный момент преобразуется в осевую силу на полугайках 2 и 3, т.е. происходит преобразование вращательного движения винта 1 в поступательное движение полугаек 2 и 3. Зубчатые венцы 9 полугаек 2 и 3, фиксируемые с помощью стопорных винтов 11, не позволяют резьбовым роликам 5, установленным в отверстиях сепаратора 8 с фиксацией стопорными кольцами 10, выкручиваться. При этом резьбовые ролики 5 осуществляют свое перемещение без заклинивания передачи с полным использованием своего расчетного хода.
Проточка 12 ролика 5 воспринимает максимальные моменты, прогибы, образующиеся при изменении направления нагрузки. Выполненный подрез в зоне головки зубьев зубчатого зацепления венцов 6 на гладкой цилиндрической поверхности резьбовых роликов 5 позволяет обеспечить такое условие, чтобы кромка зуба под нагрузкой не касалась активного участка сопряженного профиля зуба (см. фиг. 3). Это увеличивает зазор Δ между профилями зубьев, а следовательно, толщину масляного слоя, присутствующего в соединении, что практически исключает износ зубчатого соединения и уменьшает температуру нагрева рабочего режима, а также одновременно уменьшает уровень шума при работе.
a
a
Данная планетарная роликовинтовая передача обладает более эффективной регулировкой, уменьшением и устранением первоначальных и возникающих при эксплуатации зазоров в зацеплении полугаек 2 и 3 и резьбовых роликов 5 благодаря как регулирующей шайбе 4, которая уменьшает зазоры в осевом направлении, так и регулирующему механизму в виде болтового фланцевого соединения 13 смежных торцов полугаек 2 и 3, которое осуществляет угловую коррекцию положения полугаек 2 и 3 относительно друг друга с возможностью перемещения болтов 14 в продольных радиально ориентированных карманах 15. Вследствие этого повышается жесткость конструкции и точность при работе передачи, что позволяет в итоге увеличить ее надежность. Кроме этого, поскольку на участке  в зубчатом зацеплении резьбовых роликов 5 зубья их наружных зубчатых венцов 6 выполнены подрезанными в зоне головки с уменьшением их по высоте, то между контактирующими поверхностями появляется больший зазор Δ, который позволяет уйти сопряженным между собой поверхностям зубчатого соединения от контакта на активном участке. Это дает возможность снизить механические потери в зубчатых соединениях резьбовых роликов 5, а следовательно, снизить их износ. При этом больший по толщине масляный слой позволит также одновременно снизить и температуру нагрева зубчатого соединения. Поскольку зубчатый участок каждого резьбового ролика 5 выполнен без наложения на него резьбы, т.е. резьбовой и зубчатый участки отделены друг от друга, в отличие от прототипа, в котором зубчатый участок выполнен с наложением на него резьбы, ослабляя его при этом, появляется возможность уменьшить длину участка а зубчатого зацепления. При этом сохраняется общая длина l=l/2+l/2 участка, необходимого под резьбовое соединение, состоящего из двух равных по длине частей в виду наличия цилиндрической проточки 12. В результате сохраняется работоспособность передачи, рассчитанная под максимальную заданную нагрузку. При этом наличие в средней части резьбового ролика 5 цилиндрической проточки 12, которая воспринимает максимальные моменты и одновременно компенсирует прогибы, образующиеся при изменении направления нагрузки, позволяет избежать кромочного износа на участке  зубчатого зацепления резьбовых роликов 5 с зубчатыми венцами 6 в связи с более равномерным распределением воспринимаемой нагрузки по всем точкам контакта. При этом одновременно снижается уровень шума работающей передачи. В результате планетарная роликовинтовая передача при высокой точности работы обеспечивает повышение КПД за счет снижения механических потерь на трение в контактирующих между собой элементах конструкции и их износ, следовательно, обеспечивает повышение долговечности передачи.
Таким образом, изобретение позволяет уменьшить зазоры в зацеплении полугаек и резьбовых роликов за счет дополнительной возможности их регулировки, снизить механические потери, износ и нагрев контактирующих поверхностей резьбового и зубчатого соединений при условии более равномерного распределения нагрузки в момент изменения ее направления по всем точкам контакта при одновременном снижении уровня шума при работе.