РОЛИКОВИНТОВОЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ МЕХАНИЗМ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к деталям машин - механическим передачам типа винт - гайка и может быть использована для точного преобразования вращательного движения в поступательное, например для особо точных станков с ЧПУ (числовое программное управление) для токарной и шлифовальной обработки материалов, методами ультрапрецизионного микроточения и ультратонкого резания - царапанья (процесс шлифования), характеризующимися тонкими и сверх тонкими сечениями стружек (толщина порядка от сотен до десятков н.м.), асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов, в которых отражательная способность обрабатываемой поверхности существенно определяется средней квадратической величиной шероховатости (величина не более 5 н.м.), а именно обеспечивающие траекторию поступательного координатного движения в процессе формообразования с нанометровой точностью, плавностью и чувствительностью измеряемой десятками н.м.
Из уровня техники известна конструкция роликовинтовой планетарной передачи, содержащей винт, ролики - сателлиты, ходовую гайку, на которых образованы наружные и внутренние поверхности из винтовых поверхностей резьб, находящихся между собой в зацеплении резьбовых сопряжении (US 2683379 А 13.07.1954).
Локализация начального контакта в резьбовом сопряжении витков резьб реализована при помощи круговинтовой поверхности на роликах - сателлитах с выпуклым профилем, образующая которого в осевом сечении (совпадающим с диаметральной плоскостью тела вращения) имеет форму круговой линии с центром на оси роликов - сателлитов, рисунок изображения которого представлен в иллюстративном материале аналога устройства на фиг.5.
Передаточный механизм машинного агрегата, величающий в себе механическую передачу и подшипниковый узел в звеньях структурной цепи, которого происходит прямое и обратное многократное изменение силового взаимодействия реакций звеньев внешних связей с внутренними как в подшипниковом узле так и в механической передаче при преобразовании механической энергии. Такое изменение взаимодействия в структуре реакций связей определяет точность пространственного контактного соприкосновения рабочих поверхностей высших пар звеньев передаточного механизма, влекущего за собой неравномерность перераспределения силового контака между звеньями и как следствие не плавность движения, снижение коэффициента полезного действия и точность перемещения рабочего органа передаточного механизма с которым связано выходное звено механической передачи.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по назначению технической сути и достигаемому результату является планетарная винтовая передача качения содержащая винт, ролики - сателлиты, опорную и ходовую гайки на которых образованы наружные и внутренние поверхности из винтовых поверхностей витков резьб, находящихся между собой в зацеплении резьбовых сопряжении (SU 739289 А 15.06.1980, F16H 1/34, F16H 25/22).
Обоснование выбора прототипа обусловлено совокупностью конструктивно-компоновочных признаков основных частей планетарной винтовой передачи качения, оказывающих существенное влияние на основные технические характеристики устройства по назначению: точности, плавности, чувствительности, статической и динамической грузоподъемности, жесткости, коэффициенту полезного действия при высокой редукции и повышенном быстродействии.
Конструктивно-компоновочное решение внутренних связей, основанного на конструктивных элементах резьбового сопряжения - витках резьб образующих первоначальное точечное зацепление высшей пары с винтовыми контактными линиями на винтовых поверхностях витков резьб. Пересопряжение витков резьб и планетарное движение роликов - сателлитов относительно винта, ходовой и опорной гаек осуществляется по винтовым контактным линиям при их контактном взаимодействии во внутренних связях, образующих начальный точечный контант при помощи (как и в аналоге) круговинтовой выпуклой поверхности с круговым профилем, радиус которого находится на оси ролика-сателлита.
В отличие от аналога (роликовинтовой планетарной передачи с короткими роликами-сателлитами, длина которых равна высоте ходовой гайки фиг.1 аналога) в планетарной винтовой передаче качения винт имеет равную длину резьбы с роликами-сателлитами, ходовую и опорную гайки, причем ролики-сателлиты распределена равномерно в полости кольцевого кругового цилиндра образованного винтом и опорной и ходовой гайками. Ролики-сателлиты, совершая сложное движение, состоящее из относительного и переносного образуют с винтом и гайками планетарный механизм. Винт занимает плавающее положение и воспринимает в основном радиальные реакции внутренних связей, а осевые реакции в процессе преобразования движения, передаются блоком длинных роликов-сателлитов и винтом от ходовой гайки на опорную, тем самым исключая прямое и обратное многократное изменение силового взаимодействия реакции звеньев внешних и внутренних связей при преобразовании механической энергии.
Неопределенность контактного взаимодействия рабочих винтовых поверхностей высшей пары с первоначальным точением контактом по положению в пространстве зависит от процесса финишного формообразования винтовых поверхностей методом шлифования. Традиционные технологии резьбошлифования основаны на кинематике винтового относительного движения при огибающем формообразовании конический прямолинейной или фасонной круговой поверхностью дискового инструмента (абразивный или алмазный шлифовальный круг) относительно вращающейся заготовки детали. Для образования кругового профиля в осевом сечении роликов-сателлитов необходимо иметь сложный нелинейный профиль (уравнение кривой более высокого порядка, чем уравнения круга) поверхности дискового инструмента, что значительно усложняет процесс профилирования при правке шлифовального круга и снижает технологическую надежность геометрической точности параметров винтовой поверхности как по профилю витков резьбы винта, роликов-сателлитов, опорной и ходовой гаек так и величине размеров, параметрам кинематической точности внутри шаговой и накопленной погрешностей, неоднородности физико-механических свойств поверхностного слоя.
Управление технологической наследственностью параметров формообразования сопряжено со сложностью метрологического обеспечения контроля нелинейных винтовых поверхностей, геометрические и кинематические погрешности которых подчиняются законом статистики и корреляционных функций и что влечет за собой значительное увеличение трудоемкости измерений и соответствующую организационно-техническую культуру промышленного производства.
Специфика технологической сложности воспроизводства винтовых поверхностей в условиях расширенного производства роликов-сателлитов с осевым круговым профилем, размерно-метрологические требования к точности сопряжении резьбовых элементов передачи влекут за собой ограничения достижения прецизионности даже при наличии высокой производственной культуры и компетенции в знаниях при достижении прецизионности с соответствующим владением принципами Ноу-Хау. Кроме того, сложность и трудоемкость маршрутно-операционных процессов управления наследственностью физических явлений по достижению геометрической точности взаимного расположения, формы и шероховатости поверхностей винтовых элементов витков резьб на винте роликах-сателлитах, опорной и ходовой гаек, а также физико-механические свойства поверхностного слоя винтовых рабочих поверхностей витков резьб высшей пары звеньев передачи значительно усложняет производственный процесс, увеличивая трудоемкость и финансовые затраты на организационно технические мероприятия по созданию, разработке, научно-исследовательскому и опытно-конструкторскому процессу внедрения наукоемкого-инновационного продукта роликовинтового планетарного механизма в процесс инновационного технического перевооружения отраслей производственного комплекса Российской Федерации.
Несовершенство кинематических цепей точек точечного соприкосновения при контактном взаимодействии высшей пары в винтовом зацеплении рабочих поверхностей винта, ролика-сателлита, опорной и ходовой гаек из-за существенного влияния в балансе жесткости технологической точности формообразования винтовых нелинейных поверхностей оказывает существенное влияние на снижение качественных показателей по назначению роликовинтовых планетарных механизмов.
Техническим результатом заявленного технического решения является устранение несовершенства кинематических цепей точек точечного сопряжения при контактном взаимодействии внутренних связей высшей пары винтового зацепления витков резьб винтовых рабочих поверхностей звеньев роликовинтового планетарного механизма.
Обеспечение точности изготовления традиционными методами управления технологической наследственностью при формообразовании наружных и внутренних винтовых поверхностей витков резьб при контактном взаимодействии в их зацеплении в резьбовом сопряжении роликов-сателлитов с винтом, опорной и ходовой гайками на опорном и ходовом участках резьбы роликов-сателлитов, образовано высшей неконгруэнтной кинематической парой с точечным контактом внутренней неголономной связи, образованной винтовой линией являющейся линией пересечения цилиндрической и винтовой поверхностей профиля витков резьб роликов-сателлитов и винтовой поверхности профиля витков резьб винта, опорной и ходовой гаек, причем в сопряжении витков резьб винта и роликов-сателлитов реализовано дополюсное зацепление, и в сопряжении витков резьб роликов-сателлитов с опорной и ходовой гайками - заполюсное зацепление, кроме того точечные контакты высшей неконгруэнтной кинематической пары расположены независимо попарно каждые в своей диаметральной плоскости винта, опорной и ходовой гаек оппозитно.
Как известно для синтеза точечного зацепления с неконгруэнтной высшей парой необходимо и достаточно иметь заданными параметры положения общей контактной нормали к осям сопрягаемых винтовых поверхностей. При этом из теории винтовых поверхностей известно, что нормаль к винтовой поверхности является лучом данного винта и образует с его осью угол, который связан с параметрами винтовой поверхности:
- углом подъема винтовой линии на диаметре точки контакта,
- углом профиля в осевом (диаметральном) сечении в точке контакта.
Искомая винтовая поверхность как конволютный геликоид, образованный при огибании с относительным винтовом движением дискового инструмента с прямолинейной образующей конической поверхности с технологической, конструктивной и эксплуатационной точек зрения наиболее приемлемая по точности и экономической целесообразности, связанной с себестоимостью производства. Отклонения от прямолинейности образующей осевого профиля конволютной винтовой поверхности соизмерима с геометрическими погрешностями изготовления для винтов G 2 класса точности ISO3408-3 роликовинтовых передач аналогичных конструктивно-компоновочных решений с короткими роликами-сателлитами производимыми ведущими фирмами Европы и США.
Во всякой точке винтовой линии ее бинормаль и все остальные нормали являются лучами винта.
Из вышесказанного следует, что геометрический синтез точечного зацепления технически-конструктивно определен и технологически с соответствующим метрологическим обеспечением может быть воспроизведен с заданной наперед точностью и экономически целесообразен по себестоимости.
Совершенство конструктивной схемы заявленного технического решения точечного винтового резьбового зацепления звеньев роликовинтового планетарного механизма предусматривает рациональное упрощения формы соприкасающихся винтовых поверхностей в целях технологичности изготовления и контроля, а сочетание и учет взаимовлияния компараторных погрешностей, конструктивной и технологической наследственности обеспечивает резерв повышения их точности, а следовательно и всего роликовинтового планетарного механизма.
Заявленный роликовинтовой планетарный механизм поясняется графическими иллюстрациями, где
- на фиг.1 представлена общая компоновочная схема роликовинтового планетарного механизма, а также позиции звеньев кинематической цепи винта 1, роликов-сателлитов 2, опорной 3 и ходовой 4 гаек, позиции зацеплений витков резьб резьбовых сопряжении винтовых поверхностей I, II; в виде дуг окружностей на торцевых поверхностях круга винтов и роликов-сателлитов и кольца (гаек);
- на фиг.1a - сечение А-А по фиг.1;
- на фиг.2 - аксонометрия ходовой гайки 4 с изображением внутренней цилиндрической поверхности 6 на которой выполнены винтовые поверхности 8 витков резьб с их условным изображением, выраженным в виде дуги окружности на торцевой поверхности кольца;
- на фиг.3 - аксонометрия роликов-сателлитов 2 с изображением наружной цилиндрической поверхности 5, на которой выполнены винтовые поверхности 7 витков резьб с их условным изображением, выраженным в виде дуги окружности на торцевой поверхности круга;
- на фиг.4 приведен фрагмент тела стержня ролика-сателлита 2 с винтовыми 7 и цилиндрическими наружными поверхностями 14 очерчивающими профиль витков резьбы 9 (профиль витков резьбы дан в изображении местного разреза), кроме того указаны винтовые линии 13, образуемые пересечением поверхностей 7 и 14;
- на фиг.5 приведен местный разрез ходовой гайки 4 с винтовыми поверхностями 8 и профилем витков резьб 10;
- на фиг.6 приведен местный разрез зацепления витков резьб 9, 15 резьбового сопряжения I винтовых поверхностей 7, 8 и цилиндрической поверхности 14, определяющих винтовую линию пересечения 13, которые образуют точечный контакт неконгруэнтной высшей пары 12;
- на фиг.7 приведен местный разрез зацепления витков резьб 9, 10 резьбового сопряжения II винтовых поверхностей 7, 16 и цилиндрической поверхности 14 определяющих винтовую линию пересечения 13, которые образуют точечный контакт неконгруэнтной высшей пары 11;
- на фиг.8 приведен фрагмент тела стержня винта 1 с профилем витка резьбы 15, изображенном в местном разрезе и с винтовыми поверхностями 16.
Роликовинтовой планетарный механизм состоит из винта 1, роликов-сателлитов 2, опорной 3 и ходовой 4 гаек, на которых образованы наружные 5 и внутренние 6 поверхности из винтовых поверхностей 7, 8 витков резьб 9, 10, находящихся между собой в зацеплении резьбовых сопряжении I, II. Контактное взаимодействие в зацеплении винтовых поверхностей 7, 8 витков резьб 9, 10 в резьбовом сопряжении I, II роликов-сателлитов 2 с винтом 1, опорной 3 и ходовой 4 гаек, образовано неконгруэнтной кинематической парой с точечным контактом 11, 12 внутренней неголономной связи, образованной винтовой линией 13, являющейся линией пересечения цилиндрической 14 и винтовой поверхностей 7 профиля витков резьб 9 роликов-сателлитов 2 и винтовой поверхности 8 профиля, витков резьб 9, 10 винта 1, опорной 3 и ходовой 4 гаек, причем в сопряжении витков резьб 9 винта 1 и роликов-сателлитов 2 реализовано дополюсное зацепление, а в сопряжении витков резьб 10 роликов-сателлитов 2 с опорной 3 и ходовой 4 гайками - заполюсное зацепление, кроме того точечные контакты высшей некунгруэнтной кинематической пары расположены независимо попарно, каждые в своей диаметральной плоскости, винта 1, опорной 3 и ходовой гаек, оппозитно.
Работа роликовинтового планетарного механизма осуществляется следующим образом.
При вращении винта 1, ролики-сателлиты 2 совершают планетарное движение и катятся по винтовым поверхностям 7 винта 1 и неподвижным винтовым поверхностям 8 опорных гаек 3. Если ходовая 4 и опорная 3 гайки закреплены от вращения, то ходовая гайка 4 получает осевое перемещение. Так как число заходов витков резьб винтовых поверхностей винта 1 и гаек 3, неодинаковы, то ролики-сателлиты 2 занимают в кольцевом пространстве между гайками 3, 4 и винтом 1, вполне определенное положение, оппозитно напротив друг друга.
Зубчатые венца, расположенные по концам винта 1 роликов-сателлитов 2 и коронные колеса в опорных гайках (выносными элементами на иллюстрациях фигур не приведены) обеспечивают постоянство кинематической связи между винтом 1, роликами-сателлитами 2 опорными гайками 3 (обеспечивается трение качения в неголономной высшей паре с точечным зацеплением витков резьб).
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет повысить качество по параметрам точности кинематических целей точек точечного сопряжения при контактном взаимодействии внутренних связей высшей пары винтового зацепления витков резьб винтовых рабочих поверхностей звеньев роликовинтового планетарного механизма, при этом точность изготовления обеспечивается традиционными методами управления технологической наследственностью при резьбошлифовании. Кроме того, основа геометрического синтеза точечного зацепления неконгруэнтной высшей пары исключает применение кинематического метода синтеза сопряженных поверхностей, сопряженного с решением задачи на определение относительной скорости в сопрягаемых звеньях включающей в себя ряд неопределенностей как технологического свойства, связанных с процессом формообразования производящей поверхности сопряженных рабочих поверхностей зацепления как инструмента с деталью, так и звеньев кинематической высшей пары механизма, так и аналитического - при рассмотрении решения кинетостатической задачи, базируется на свойствах винтовых поверхностей связанных с лучом винта, технически-конструктивно, с соответствующими методами, принятыми в практике измерений винтовых поверхностей и их традиционном метрологическом обслуживании, может быть воспроизведена с преемлемой трудоемкостью и заданной наперед точностью и экономической целесообразностью по себестоимости, причем геометрический синтез предусматривает рациональное упрощение форм витков резьб винтового точечного зацепления винтовых поверхностей, в целях технологичности изготовления и контроля, а сочетание и учет взаимовлияния компараторных погрешностей, конструктивной и технологической наследственности, обеспечивает резерв повышения их точности, а следовательно и всего роликовинтового планетарного механизма.
Описанные выше технические результаты позволяют в своей совокупности использовать заявленное устройство - роликовинтовой планетарный механизм для точечного преобразования вращательного движения в поступательное, например для особо точных станков с ЧПУ токарной и шлифовальной обработки материалов методами ультрапрецизионного микрорезания и ультрапрецизионного резания - царапания (процесс шлифования), характеризующийся тонкими и сверхтонкими сечениями стружек (толщина порядка от сотен до десятков н.м.), асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов, в которых отражательная способность обрабатываемой поверхности существенно определяется средней квадратической величиной шероховатости (величина не более 5 н.м.), а именно обеспечивающих траекторию поступательного координатного движения в процессе формообразования с нанометровой точностью, плавностью и чувствительностью измеряемой десятками н.м.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном устройстве отдельными признаками, не описанными в материалах заявки, общеизвестны из уровня техники и не требует дополнительных пояснений.
Таким образом, выше изложенные сведения свидетельствуют, о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначено для координатного формообразующего движения суппортов подач ультрапрецизионных токарных станков в качестве преобразователя вращательного движения в поступательное обеспечивающего функционально плавность и устойчивость ультрапрецизионного процесса алмазной механической обработки (микроточения, шлифования) асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов;
- для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью выше описанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- устройство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, описанного в материалах заявки.
Исходя из изложенного, заявленный объект, по мнению заявителя, соответствует требованиям условий патентоспособности: «Новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.