Беззазорный планетарный роликовинтовой механизм

Предлагаемая к защите полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в качестве высокоточной механической передачи для преобразования вращательного движения в поступательное при односторонне действующей нагрузке, например, в прессах, домкратах, грузоподъемных устройствах.
Из научно-технической литературы известен планетарный роликовинтовой механизм, состоящий из винта, гайки и, установленных между ними, резьбовых роликов. Ролики, имеющие, как правило, однозаходную резьбу, своими торцовыми шейками установлены с зазором 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 выполняют наружную многозаходную резьбу, а на гайке - внутреннюю многозаходную резьбу (Решетов Д.Н. «Детали машин», учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов, 4-е издание, Москва, Машиностроение, 1989 год, стр. 314).
Основным недостатком данного планетарного роликовинтового механизма является его низкая точность и жесткость из-за осевых зазоров между сопрягаемыми витками винта и роликов и между сопрягаемыми витками роликов и гайки. Поэтому в ряде изделий использовать данный планетарный роликовинтовой механизм нельзя.
Указанный недостаток частично устраняет выбранный в качестве наиболее близкого к предлагаемому техническому решению беззазорный планетарный роликовинтовой механизм, состоящий из винта, установленных в двух сепараторах, резьбовых роликов, сборной гайки, двух корпусных деталей, которые сжимают гайку с помощью болтов и гаек. Сборная гайка содержит две полугайки и установленный между ними компенсатор, выполненный для удобства регулировки, в виде двух полуколец. Ролики дополнительно связаны по своим торцам с полугайкой зубчатыми зацеплениями. При этом витки каждого ролика по одной образующей зацепляются за витки винта, а по противоположной образующей - за витки полугаек. Резьба винта и полугаек многозаходная с равным числом заходов (Блинов Д.С.Планетарные роликовинтовые механизмы. Конструкции, методы расчетов. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 год, стр. 33-34, рис. 1.14 и стр. 41-43, рис. 2.1).
Недостаток наиболее близкого аналога заключается в том, что осевую силу одного направления воспринимает только одна полугайка, а это значит, что количество работающих витков резьбы полугаек по сравнению с первым аналогом уменьшается в два раза. Во столько же раз уменьшается и нагрузочная способность (статическая и динамическая грузоподъемность) беззазорного планетарного роликовинтового механизма.
Кроме того, указанный механизм - реверсивный, имеющий полугайки одинаковой длины, что определяет нагрузочную способность в обе стороны. Однако имеется много устройств, для работы которых нужна осевая сила, направленная только в одну сторону. Для них роликовинтовой механизм, преобразующий вращательное движение в поступательное, может быть нереверсивным. Из-за того, что таких механизмов нет, приходится использовать известные беззазорные механизмы с невысокой нагрузочной способностью, проигрывая в габаритах, массе, ресурсе и т.д.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая к защите полезная модель, заключается в повышении нагрузочной способности и осевой жесткости беззазорного планетарного роликовинтового механизма при наличии рабочей нагрузки, действующей в одну сторону.
Техническим результатом является реализация применения беззазорного планетарного роликовинтового механизма для работы устройств, осевая сила которых имеет однонаправленный характер действия, при повышении при этом его нагрузочной способности и осевой жесткости.
Технический результат достигается тем, что в беззазорном планетарном роликовинтовом механизме, содержащем винт, соединенные между собой две корпусные детали с установленными в них двумя гайками, между которыми размещен компенсатор, закрепленные с зазором в отверстиях сепараторов резьбовые ролики, резьбовая поверхность которых ответна резьбовой поверхности винта и двух гаек, разрезные кольца, размещенные между сепараторами, два уплотнения и шпонку, соединяющую корпусные детали и гайки, при этом одна корпусная деталь имеет базовые элементы для связи с исполнительным механизмом, а винт и две гайки имеют многозаходную резьбу с равным числом заходов, длина резьбовой части гайки, расположенной в корпусной детали с базовыми элементами, больше длины резьбовой части другой гайки в 3,5…4 раза.
Указанное соотношение длин гаек, а именно длина резьбовой части гайки, расположенной в корпусной детали с базовыми элементами, больше длины резьбовой части другой гайки в 3,5... 4 раза, получено в процессе экспериментальной отработки получения усилия, достаточного для выборки зазора в планетарном роликовинтовом механизме, получения его максимальной осевой жесткости и нагрузочной способности.
На фиг.1 представлен вид сбоку беззазорного планетарного роликовинтового механизма, фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1, фиг. 3 - разрез Б-Б фиг. 1, фиг. 4 - разрез В-В фиг. 1, фиг. 5 - вид Г фиг. 1, фиг. 6 - разрез Д-Д фиг. 3, фиг. 7 - разрез Е-Е фиг. 3, фиг. 8 - вид Ж фиг. 3.
Беззазорный планетарный роликовинтовой механизм состоит из винта 1 и узла, совершающего поступательное перемещение. Узел, совершающий поступательное перемещение, состоит из корпусных деталей 2 и 3, соединенных болтами 4 и крепежными гайками 5 со стопорными шайбами 6, при этом корпусная деталь 2 имеет базовые элементы (шейки) 7, предназначенные для соединения с исполнительным механизмом (на рисунках не показан).
В корпусных деталях 2 и 3 закреплены длинная гайка 8, короткая гайка 9 и компенсатор, установленный между гайками и состоящий из двух полуколец 10. В каждой гайке закреплена втулка 11 с внутренним зубчатым венцом, пружинное разрезное кольцо 12 и уплотнение 13. Между винтом 1 и гайками 8 и 9 установлено не менее трех резьбовых роликов 14, торцовые шейки которых установлены с зазором в отверстиях сепараторов 15. На концах всех роликов прямо по резьбе нарезаны наружные зубчатые венцы, которые находятся в зацеплении с внутренними зубчатыми венцами втулок 11. Для ограничения осевого перемещения сепараторов 15 используются пружинные разрезные кольца 12.
Для угловой ориентации корпусных деталей 2 и 3, длинной гайки 8 и короткой гайки 9 используется шпонка 16. Для удобства регулировки компенсатор выполнен в виде двух полуколец 10. Это позволяет извлекать кольца 10 и снова их устанавливать после подшлифовки без разборки узла, совершающего поступательное перемещение.
Сборка и регулировка беззазорного планетарного роликовинтового механизма происходит следующим образом:
Длинную 8 и короткую 9 гайки, между которыми устанавливают компенсатор, ориентируют так, чтобы пазы под шпонку в гайках совпадали.
В эти пазы устанавливают шпонку 16. Затем в отверстиях гаек крепят зубчатые втулки 11, чаще всего с помощью радиальных штифтов, которые позволяют ориентировать по угловой координате зубчатые венцы втулок.
Полученный при сборке узел вводят в отверстие корпусной детали 2 так, чтобы шпонка вошла в паз корпусной детали 2. Другим торцом этот узел вводят в отверстие корпусной детали 3 так, чтобы шпонка вошла в паз корпусной детали 3. Корпусные детали 2 и 3 соединяют болтами 4 с крепежными гайками 5 и стопорными шайбами 6, при этом болты не затягивают.
В соосное отверстие гаек вводят упругий центр, например, цилиндр из поролона, при этом зазор между отверстием гаек и наружной поверхностью этого цилиндра составляет примерно 50…70% от диаметра ролика. Деформируя поролон, вставляют первый ролик 14 так, чтобы зубья его наружных венцов вошли во впадины внутренних венцов втулок 11. С противоположной стороны гаек вставляют второй ролик, а затем и остальные. Все ролики выравнивают в осевом направлении. На шейки роликов с одной их стороны устанавливают сепаратор 15 и фиксируют его пружинным разрезным кольцом 12. Затем собирают сепаратор 15 и пружинное разрезное кольцо 12 с другой стороны роликов. Узел, совершающий поступательное перемещение без уплотнений 13 собран.
На винт 1 с его свободного конца навинчивают уплотнение 13, далее узел, совершающий поступательное перемещение и второе уплотнение. Уплотнения с двух сторон ввинчивают до упора в пружинные разрезные кольца 12 узла, совершающего поступательное перемещение, и закрепляют с помощью радиальных или осевых штифтов.
Далее производят регулировку механизма - выборку осевых зазоров между сопрягаемыми витками резьбы гаек, роликов и винта. С помощью динамометрического ключа, чтобы не сорвать резьбу, болтовые соединения деталей 4-6 последовательно затягивают и контролируют крутящий момент холостого хода, указанного выше узла относительно винта или наоборот. Возможны два варианта. Первый вариант - сила затяжки болтов меньше допускаемой, а значение контролируемого крутящего момента меньше рекомендуемого. Значит надо продолжить затяжку болтовых соединений. Второй вариант - сила затяжки болтов меньше допускаемой, а значение контролируемого крутящего момента находится в рекомендуемом диапазоне - регулировка выполнена. Собран и отрегулирован беззазорный роликовинтовой механизм, между его сопрягаемыми витками резьбы гаек, роликов и винта нет зазоров (фиг. 4), и сопрягаемые витки нагружены малой осевой предварительной силой для повышения осевой жесткости механизма.
Высокоточный беззазорный планетарный роликовинтовой механизм готов к работе при рабочей нагрузке, действующей в одну сторону (механизм нереверсивный).
Работа беззазорного планетарного роликовинтового механизма: С помощью муфты винт 1 соединяется с электродвигателем, а с помощью базовых элементов 7 узел, совершающий поступательное перемещение, соединяется с исполнительным механизмом (на фигурах не показано).
Это соединение уравновешивает небольшой крутящий момент от сил трения между сопрягаемыми витками деталей механизма. При включении электродвигателя винт 1 начинает вращаться и приводит во вращение ролики 14. Каждый ролик 14 вращается за счет сил трения и совершает планетарное движение, он вращается вокруг собственной оси, все ролики вместе с сепараторами 15 вращаются относительно оси винта 1. Поэтому данный механизм называется планетарным. В механизме реализуется трение качения. В итоге происходит преобразование вращательного движения винта - входного звена механизма в поступательное перемещение его выходного звена.
1
1
2
В связи с тем, что осевая жесткость роликовинтового механизма зависит от количества рабочих витков гайки, воспринимающей осевую силу: чем больше рабочая длина L гайки 8, тем больше воспринимаемая ею максимальная нагрузка, то для увеличения максимальной нагрузки (на 25-30%) значение длины L полу гайки 8 выбирается больше значения величины L полугайки 9, минимальная (базовая) длина резьбовой части которой, должна позволить компенсировать осевой зазор.
1
2
После проведения экспериментальных отработок было выбрано оптимальное соотношение длин резьбовых частей гаек, а именно L=(3,5…4)⋅L
В результате получен беззазорный нереверсивный механизм высокой точности и надежности функционирования с нагрузочной способностью на 25-30% выше, чем у имеющихся беззазорных планетарных роликовинтовых механизмов.