РОЛИКОВИНТОВОЙ 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 лезвийной и алмазно-абразивной обработки с высокой продукционной производительностью скоростными методами обработки и ультрапрецизионной точности на финишных операциях пятисторонней и контурной обработки методами микрорезания и тонкого шлифования деталей наукоемких машин и приборов, а именно обеспечению траектории поступательного координатного движения в процессе формообразования с ультрапрецизионной точностью измеряемой сотнями нанометров.
Из уровня техники известна роликовая планетарная передача винт-гайка (Решетов Д.Н. Детали машин. Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов, 4-е изд., М.: Машиностроение, 1989 г., стр.314), содержащая винт, резьбовые ролики сателлиты, гайку, коронные зубчатые колеса, сепараторы.
Роликовая планетарная передача винт-гайка с гайкой в виде кольцевого цилиндра устанавливается в корпус (фланцевое или корпусное исполнение). Конструктивная форма кольцевого цилиндра в виде трубы, используемая в гайке, воспринимает внешние реакции связей с базовыми поверхностями корпусных деталей передаточных механизмов в основном торцевыми кольцевыми поверхностями, при этом труба работает на устойчивость при сжатии. Кроме того, кольцевая площадь поверхности торцев гайки ограничена диаметральными размерами уступов коронных колес по краям в кольцевых цилиндрических полостях. Последовательный характер силового взаимодействия внутренних связей звеньев с внешними связями гайки оказывает существенное влияние на равномерность распределения не только сил реакций между витками резьбовых сопряжении, но и по продольному и поперечному сечению геометрической формы кольцевого цилиндра гайки. Ограниченная радиальная и продольная жесткость трубчатой геометрической формы гайки вызывает защемление резьбовых роликов сателлитов в резьбовых сопряжениях гайки и винта и, как следствие, к снижению плавности, точности, чувствительности и зоны нечувствительности не только при нагружении рабочей нагрузкой, но и реверсивном режиме работы роликовой планетарной передачи винт-гайка.

Наиболее близким по заявленному техническому решению по назначению технической сути и достигаемому результату является планетарная роликовинтовая передача фирмы SKF (SKF roller screws, publication 4543 EN - 2008 - 01. Printed in France. 87p), содержащая винт, резьбовые ролики сателлиты, коронные колеса, дисковые сепараторы, стопорные кольца, кольцевую прокладку, разделяющего гайку на равные по длине полугайки имеющие ступенчатую форму поперечного сечения в продольном направлении на наружных и внутренних участках, включающих в себя конструктивные элементы кольцевого цилиндра, кольцевого цилиндрического фланца, объединенных между собой односторонней жесткой связью, причем торцы фланцев полугаек взаимодействуют с кольцевой прокладкой, образуя фланцевое соединение, с внешней стороны полугаек на торцах кольцевого цилиндра выполнены кольцевые цилиндрические полости в виде уступов.
Обоснование выбора прототипа обусловлено совокупностью конструктивно-компоновочных признаков основных частей планетарной роликовинтовой передачи, оказывающих существенное влияние на основные технические характеристики устройства по назначению: точности, плавности, чувствительности и зоны нечувствительности, жесткости.
Конструктивно-компоновочное решение, направленное на рационализацию взаимодействия в полугайках внутренних односторонних связей с внешними связями, с целью выравнивания реакций связей за счет перераспределения в продольном направлении податливости поперечного сечения ступенчатой формы образованной конструктивными элементами кольцевого цилиндра, кольцевого дискового цилиндрического фланца, объединенных между собой односторонней жесткой связью, причем торцы фланцев полугаек взаимодействуют с кольцевой прокладкой, образуя фланцевое соединение, которое в средней части гайки в радиальном направлении образует диаметральное конструктивное ребро кольцевого пояса жесткости.
В отличие от аналога указанное техническое решение прототипа позволяет конвертировать условия работы полугаек в режимах продольной устойчивости трубчатой формы с деформацией сжатия на растяжение, что благоприятно сказывается на выравнивание среднегеометрического распределения неравномерности реакций во внутренней односторонней связи витков резьбовых сопряжении резьбовых роликов сателлитов с полугайками, как в осевом, так и в радиальном направлениях. Снижение величины податливости резьбовых сопряжении вследствие снижения влияния эффекта заклинивания от опрокидывающего момента со стороны двухсторонней реакции внутренней связи в витках резьбовых роликов сателлитов с витками резьбовых сопряжении гайки и винта не только при нагружении устройства рабочей нагрузкой, но и в реверсивном режиме преобразования вращения винта в поступательное движение полугаек, что способствует обеспечению повышения плавности, чувствительности и снижению зоны не чувствительности, и как следствие увеличение точности.
Однако несущественность соотношения жесткостей геометрических тел звеньев по длине продольного направления в поперечном сечении кольцевого пояса диаметральной конструктивной жесткости фланцевого соединения в средней части полугаек в сравнении с контактной жесткостью внутренних двухсторонних связей резьбовых сопряжении накладывает ограничение по возможности эффективного выравнивания среднегеометрической неравномерности в распределение внутренних реакций связи по длине резьбовых роликов сателлитов.
Техническим результатом заявленного технического решения является создание и разработка конструкции роликовинтового механизма отвечающего техническим характеристикам устройства по назначению: точности, плавности, чувствительности, зоны нечувствительности, жесткости, с целью их повышения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является совершенствование конструктивной схемы передачи рабочей нагрузки с винта на гайку, через компаундное трансформирование силового потока при взаимодействии витков резьбовых сопряжении с геометрическими телами звеньев, как внутренних, так и внешних связей роликовинтового механизма, обеспечивающей решение поставленной технической задачи в предлагаемом устройстве. Кроме того, предлагаемое решение технической задачи способствует улучшению условий базирования коронного колеса, как детали относящейся к классу втулок, при установке ее в полости кольцевого цилиндра гайки, с развитой цилиндрической поверхностью по длине, обеспечению принципа базирования дискового сепаратора, относящегося к классу дисков, по развитой плоской торцевой поверхности полости кольцевого цилиндра коронного колеса.
Технический результат, соответствующий решаемой технической задаче, достигается за счет того, что роликовинтовой механизм, содержащий винт, резьбовые ролики сателлиты, коронные колеса, дисковые сепараторы, стопорные кольца, кольцевую прокладку, разделяющую гайку на равные по длине полугайки имеющие ступенчатую форму поперечного сечения в продольном направлении на наружных и внутренних участках, включающих в себя конструктивные элементы кольцевого цилиндра, кольцевого цилиндрического фланца, объединенных между собой односторонней жесткой связью, причем торцы фланцев полугаек находятся в взаимодействии с кольцевой прокладкой, при этом образуя фланцевое соединение, с внешней стороны полугаек на торцах кольцевого цилиндра выполнены кольцевые цилиндрические полости в виде уступов, коронное колесо наружной цилиндрической базовой поверхностью установлено в радиальном направлении по длине в кольцевой цилиндрической полости уступов, расположенной симметрично относительно его внутреннего зубчатого венца, ограниченного с каждой стороны кольцевыми цилиндрическими полостями в виде уступов, а осевое положение коронного колеса в полости уступов ограничено контактным взаимодействием их торцев, конструктивный элемент кольцевого цилиндра выполнен в виде тонкостенной трубы, размер толщины стенок которой делит размер толщины фланца кольцевого дискового цилиндра в золотом сечении, глубина кольцевых цилиндрических полостей уступов равна высоте коронного колеса, в котором торцевое положение и осевая фиксация дисков сепаратора выполнено торцевой упорной поверхностью стопорного кольца и торцевой плоской поверхностью полости кольцевого цилиндрического выступа коронного колеса.
Выбор конструктивного элемента кольцевого цилиндра в виде тонкостенной трубы в которой размер толщины стенок делит размер толщины фланца кольцевого дискового цилиндра в золотом сечении, позволяет обеспечить соотношение жесткостей геометрических тел звеньев по длине продольного направления в поперечном сечении пояса диаметральной жесткости фланцевого соединения средней части полугаек по сравнению с контактной жесткостью внутренних двухсторонних связей резьбовых сопряжении, что обуславливает возможности эффективного выравнивания среднегеометрической неравномерности в распределение внутренних реакций связи по длине резьбовых роликов сателлитов. Соотношение размеров выражается математической зависимостью принципа золотого сечения в следующем виде:  где χ - толщина стенки трубы, а - толщина фланца.
Рациональное соотношение податливости резьбовых сопряжении витков резьб двухсторонней внутренней связи гайки с резьбовыми роликами сателлитами и винтом с геометрическими формами тел звеньев при выполнении условия ограничения податливости только в поясе жесткости фланцевого соединения средней части гайки, снижает среднегеометрическую неравномерность распределения главного вектора реакций и его положение по отношению к торцевой базовой поверхности внешних связей гайки, которая совпадает с привалочной плоскостью торца фланца полугайки расположенных с внешней стороны полугек, к которой параллельны торцевые поверхности, являющиеся установочными базами дискового сепаратора и коронного колеса в кольцевых цилиндрических полостях конструктивных элементах полугайки и коронного колеса. Приведенные выше доводы позволяют снизить эффект заклинивания от защемления резьбовых роликов сателлитов между гайкой и винтом при нагружении, и в режимах реверсивной работы.
Конвертирование условий работы полугаек в режимах продольной устойчивости позволяет снять воздействие нагрузок с торцевых поверхностей трубчатых форм полугаек. Устранение силового воздействия на элементы кольцевой формы позволяет, не снижая жесткостных параметров конструкции, выполнить условия базирования коронного колеса в радиальном направлении в кольцевой цилиндрической полости уступов за счет развитой по длине цилиндрической поверхности.
Сложное движение ролика в процессе преобразования движения роликовинтового механизма генерирует прецессию относительного движения цапфы резьбового ролика сателлита в сопряжении с отверстием дискового сепаратора, которая порождает за счет реакций внутренних связей неустойчивость положении дискового сепаратора, как в радиальном, так и в осевом направлениях. Кроме того функциональное назначение дискового сепаратора определяет координацию углового положения резьбовых роликов сателлитов в резьбовых сопряжениях витков винта, роликов и гайки, что также способствует к увеличению величины реакций и, как следствие, к возникновению тормозного эффекта между подвижными дисковыми сепараторами и цапфами роликов и неподвижными базовыми и ограничивающими элементами гайки, которые существенно определяют влияние их работы на плавность движения роликовинтового механизма. Обеспечение принципа базирования дискового сепаратора, относящегося к классу дисков, по развитой плоской торцевой поверхности полости кольцевого цилиндра коронного колеса позволяет снизить величину и неравномерность тормозного момента за цикл планетарного движения ролика в относительном движении, что также способствует решению технической задачи по обеспечению плавности, чувствительности и снижению зоны нечувствительности роликовинтового механизма.
Механика работы связей силового взаимодействия в резьбовых сопряжениях звеньев, участвующих в сложном планетарном движении, требует обращение особого внимания на проектирование конструктивных элементов роликовинтового механизма, при котором необходимо учитывать явления, приводящие к возникновению фактора заклинивания. Решение выше поставленной технической задачи при конструировании геометрических форм звеньев и их резьбовых сопряжении обеспечивает выполнение условий необходимых для обеспечения плавности движения. Решение технической задачи выполняется принципами рационализации силовой схемы взаимодействия внутренних реакций связи резьбовых сопряжении звеньев роликовинтового механизма, и синтеза конструкторских решений направленных на выполнение условий базирования определенного класса деталей (коронное колесо и дисковый сепаратор).
Заявленный роликовинтовой механизм поясняется графическими иллюстрациями, где:
на фиг.1 представлена общая компоновочная схема роликовинтового механизма, вид спереди с разрезом;
на фиг.2 приведен увеличенный фрагмент базирования дискового сепаратора и
коронного колеса.
Роликовинтовой механизм состоит из винта 1, резьбовых роликов сателлитов 2, полугаек 3 и 4, кольцевой прокладки 5, коронных колес 6, дисковых сепараторов 7 и стопорных колец 8. Резьбовые ролики сателлиты 2 размещены в полости кольцевого кругового цилиндра, образованного полугайками 3 и 4, винтом 1 и образуют с ними резьбовое сопряжение как в диаметральном секторном, так и продольном осевом направлениях роликовинтового механизма. В секторах взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостей полугаек 3 и 4, винта 1, резьбовые ролики сателлиты 2 расположены оппозитно.
Полугайки 3 и 4 разделены в осевом направление кольцевой прокладкой 5. Коронные колеса 6 расположены во внутренних цилиндрических полостях полугаек 3 и 4, расположенных на их торцевых поверхностях, и образуют внутреннее зубчатое зацепление с зубчатыми венцами, расположенными на концах резьбовых роликов сателлитов 2. Дисковый сепаратор 7 обеспечивает фиксацию углового положения резьбовых роликов сателлитов относительно друг друга. Стопорные кольца 8 определяют осевое положение дисковых сепараторов 7.
Работа роликовинтового механизма осуществляется следующим образом.
При вращении винта 1, резьбовые ролики сателлиты 2 за счет неголономных связей резьбовых сопряжении совершают сложное планетарное движении перемещаясь в осевом направлении с полугайками 3 и 4, разделенными кольцевой прокладкой 5. Внутреннее зубчатое зацепление исключает осевое перемещение роликов относительно гайки в планетарном движении.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели, позволяет повысить качество по параметрам точности, плавности, чувствительности и зоны нечувствительности, жесткости, которая достигается за счет базирования коронного колеса в радиальном направлении по длине в кольцевой цилиндрической полости уступов, определенной наружной цилиндрической базовой поверхностью коронного колеса, расположенной симметрично относительно его внутреннего зубчатого венца, ограниченного с каждой стороны кольцевыми цилиндрическими полостями в виде уступов, а осевое положение коронного колеса в полости уступов ограничено контактным взаимодействием их торцев, конструктивный элемент кольцевого цилиндра выполнен в виде тонкостенной трубы, размер толщины стенок которой делит размер толщины фланца кольцевого дискового цилиндра в золотом сечении, глубина кольцевых цилиндрических полостей уступов равна высоте коронного колеса, в котором торцевое базирование и осевая фиксация дисков сепаратора осуществляется торцевой упорной поверхностью стопорного кольца и торцевой плоской поверхностью полости кольцевого цилиндрического выступа коронного колеса.
Описанный выше технический результат позволяет в своей совокупности использовать роликовинтовой механизм для точного преобразования вращательного движения в поступательное, например, для особо точных станков с ЧПУ (числовое программное управление) для лезвийной и алмазно-абразивной обработки с высокой продукционной производительностью скоростными методами обработки и ультрапрецизионной точности на финишных операциях пятисторонней и контурной обработки методами микрорезания и тонкого шлифования деталей наукоемких машин и приборов, а именно обеспечению траектории поступательного координатного движения в процессе формообразования с ультрапрецизионной точностью измеряемой сотнями нанометров.
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 требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении, обеспечивает преобразование вращательного движения в поступательное с высокими характеристиками устройства по точности, плавности, чувствительности и зоны нечувствительности и жесткости в приводах подач, как динамическое звено следящего привода.
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- устройство воплощающие 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 условия патентоспособности: «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.