Шарико-винтовая передача

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в станкостроении и приборостроении. Шарико-винтовая передача качения предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное.
Конструкция шарико-винтовой передачи (патент WO 2016/125453 А1, дата публ. 11.08.2016,), наиболее близкая к предлагаемой, содержит ходовой винт, на внешней периферийной поверхности которого выполнены спиральные канавки, гайку с выполненными на внутренней периферийной поверхности спиральными канавками, шарики и вкладыши с каналами возврата шариков. Шарики размещены с возможностью качения и контактирования с канавками ходового винта и гайки. Вкладыши установлены в окнах гайки.
Недостаток указанной конструкции заключается в том, что применяется сложная геометрия вкладышей с элементами входа шарика в канал возврата и выхода шарика из канала возврата, дополнительными элементами крепления вкладыша к корпусу гайки, и, в связи с этим, усложненная конструкция гайки, большие окна для установки вкладышей, в связи с чем понижается жесткость конструкции гайки, повышенная точность геометрии элементов базирования указанных сопрягающихся деталей. В указанной конструкции не уделено внимание геометрии профиля канавок качения шариков как фактору, повышающему долговечность передачи.
Известны шарико-винтовые передачи одногаечной конструкции, в которых для обеспечения контакта шариков с гайкой и винтом и при сборке исключения люфта в радиальном и осевом направлениях, как правило, применяют метод селективной сборки, то есть подбором шариков. Устанавливают вкладыши в окна гайки, заполняют гайки шариками первой номенклатуры, проверяют величины радиального и осевого зазоров между гайкой и винтом, извлекают шарики и устанавливают шарики второй номенклатуры, то есть на 1…n мкм больше/меньше, для компенсации радиального и осевого зазоров. Таким образом процесс подборки шариков повторяется до тех пор, пока не устранится зазор в передаче и не появится требуемый контакт шариков со спиральными канавками винта и гайки. При этом каждый раз при многократной сборке с шариками разной номенклатуры, будут подходить шарики только одной номенклатуры. Таким образом необходимо для каждого типоразмера шарика иметь диапазон номенклатур, что является затратным ввиду высокой стоимости шариков.
Технической задачей заявленной полезной модели является повышение надежности, технологичности и долговечности устройства.
1
2
Поставленная задача достигается тем, что согласно полезной модели в шарико-винтовой передаче, содержащей ходовой винт, на внешней периферийной поверхности которого выполнены спиральные канавки, гайку с выполненными на внутренней периферийной поверхности спиральными канавками, шарики, размещенные с возможностью перемещения и контактирования с канавками ходового винта и гайки, вкладыши с каналами возврата шариков, установленные в окнах гайки, в передаче дополнительно введены компенсаторы вкладышей, размещенные под вкладышем с обеспечением контакта канала возврата с шариками методом пригонки, а профиль канавок винта и гайки выполнен в форме арки с возможностью обеспечения четырехточечного контакта с шариками методом пригонки канавок гайки. Профиль канавок винта и гайки выполнен в виде двух смещенных относительно друг друга радиусов, образующих эллиптическую поверхность. Канавки винта и гайки выполнены с обеспечением величины угла контакта шарика с гайкой в интервале 40°≤α1≤42° и величины угла контакта шарика с ходовым винтом в интервале 45°≤α2≤47°. Суммарная величина снимаемого металла с гайки не должна превышать Δ = 0,01K, где K - коэффициент, учитывающий номенклатуру шарика.  Суммарная величина снимаемого металла с компенсатора вкладыша не должна превышать Δ = 0,01 KS, где K - коэффициент, учитывающий номенклатуру шарика, S - коэффициент, компенсирующий разницу профиля канавки гайки и канала возврата.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- фиг. 1 - общий вид шарико-винтовой передачи;
- фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
- фиг. 3 - вид А на фиг. 1 (профиль спиральных канавок винта и гайки);
- фиг. 4 - вид Б на фиг. 1.
Шарико-винтовая передача содержит ходовой винт 1 (фиг. 1), цилиндрическую гайку 2 с каналами возврата, шарики 3. Ходовой винт имеет спиральные канавки 4 с эллиптическим профилем на наружной периферийной поверхности. На внутренней периферийной поверхности гайки 2 выполнены спиральные канавки 5 с эллиптическим профилем. Вкладыши 6 служат каналами возврата, соединяющие два соседних витка гайки 2 и обеспечивающие непрерывную рециркуляцию шариков 3 в пределах одного шага резьбы. Для регулирования вкладышей 6 в радиальном направлении служит компенсатор 7 вкладыша. Компенсатор 7 вкладыша может быть выполнен в виде металлической пластины. При этом вершины 8 канавок 4 ходового винта 1 имеют плавный переход в виде эллипса. Вкладыши 6 с компенсаторами 1 вкладыша расположены в окнах 9 гайки 2, обеспечивающих их базирование в радиальном, осевом и угловом положениях.
Спиральные канавки 4 и 5 выполнены в виде арки формой двух смещенных относительно друг друга радиусов, образующих эллиптическую поверхность (фиг. 3) и обеспечивающих выпукло-вогнутый четырехточечный контакт с шариками (фиг. 2), подшлифовываются в целях пригонки. При этом обеспечивается величина угла между вертикальной осью и точкой контакта шарика 3 с гайкой 2 в интервале 40°≤α1≤42° и величина угла между вертикальной осью и точкой контакта шарика 3 с ходовым винтом 1 в интервале 45°≤α2≤47° (фиг. 2).
Шарико-винтовая передача работает следующим образом.
При вращении ходового винта 1, шарики 3 перекатываются по спиральной канавке 5 гайки 2, попадают во вкладыш 6 и по нему возвращаются в спиральную канавку 5 гайки 2, при этом поступательно перемещая гайку 2 и присоединенный к ним подвижный элемент (на фиг. не показано). Каналы возврата гайки 2 между канавками 4 ходового винта 1 и канавками 5 гайки 2 обеспечивают плавный перекат шариков 3.
Для повышения скорости перемещения шариков и для исключения их заклинивания в результате силового замыкания на вершинах витков 8 ходового винта 1 предусмотрен плавный переход в виде эллипса. При такой форме не происходит разрыв образующей канавки ведущего звена, описанной дифференциальным уравнением кривизны кривой, при аппроксимации в каждой ее точке.
Нагрузочная способность, жесткость, долговечность и другие эксплуатационные характеристики передачи зависят от величины угла контакта шариков 3 (рис. 2, 3).
Были проведены теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие, что выпукло-вогнутый четырехточечный контакт с шариками, с обеспечением величины угла контакта шарика 3 с гайкой 2 в интервале 40°≤α1≤42° и величины угла контакта шарика 3 с ходовым винтом 1 в интервале 45°≤α2≤47° (рис. 2) является оптимальным для предложенной одногаечной конструкции и обеспечивает наилучшие эксплуатационные показатели шарико-винтовой передачи.
Чтобы получить такой контакт, необходимо выполнить спиральные канавки 4 винта 1 и спиральные канавки 5 гайки 2 передачи с арочным профилем (рис. 2, 3) и при сборке исключить люфт в передаче в радиальном и осевом направлениях, поскольку величина угла контакта однозначно взаимосвязана с величиной радиального и осевого зазоров. Далее применяется сборка методом подгонки звена, которым в данном случае является гайка 2. При этом используются шарики 3 только одной номенклатуры.
Процесс сборки шарико-винтовой передачи согласно предложенному методу следующий.
Устанавливают вкладыши 6 вместе с компенсатором 7 (рис. 4) в окна 9 гайки 2. Осуществляют сборку гайки 2 с ходовым винтом 1 с заполнением каналов шариками 3. При первой сборке, ввиду гарантированного натяга, обеспечиваемого изготовлением гайки 2 и ходового винта 1 в соответствии с конструкторской документацией, собираемость может быть не достигнута, поэтому выполняют разборку передачи и подшлифовку спиральных канавок 5 гайки 2.
1
2
Величина снимаемого слоя металла определяют по фактическим замерам деталей. Далее проводят повторную сборку передачи. Соответственно подшлифовывают компенсатор 7 вкладыша 6 на величину, включающую в себя величину подшлифовки гайки. Таким образом проводится серия указанных процедур до тех пор, пока передача в собранном состоянии не будет работать плавно, без закусывания шариков 3 между звеньями, при этом в передаче не должно быть радиального и осевого люфта. Суммарная величина снимаемого металла с гайки 2 будет Δ (рис. 2, 3), а компенсатора 7 вкладыша Δ (рис. 4).
1
Δ = 0,01K,
где K - коэффициент, учитывающий номенклатуру шарика. Зависит от допуска на диаметр по впадинам канавок винта и допуска на диаметр по впадинам канавок гайки. В величине подгонки учитывается погрешность изготовления звеньев передачи и изменение угла контакта из-за смещения точки контакта вследствие подшлифовки гайки.
2
Δ = 0,01KS,
где K - коэффициент, учитывающий номенклатуру шарика. Зависит от допуска на диаметр по впадинам канавок винта и допуска на диаметр по впадинам канавок гайки. В величине подгонки учитывается погрешность изготовления звеньев передачи и изменение угла контакта из-за смещения точки контакта вследствие подшлифовки гайки;
S - коэффициент, компенсирующий разницу профиля канавки гайки и канала возврата (выбирается табличное значение коэффициента). Зависит от суммарной величины снимаемого металла с гайки и разницы профилей канавки гайки и канала возврата. В величине подгонки учитывается изменение диаметра гайки по впадинам спиральных канавок вследствие их компенсационной подшлифовки, а также тот факт, что профиль канавок гайки и канала возврата разный, поэтому необходимо обеспечить беспрепятственный вход шарика в канал возврата и выход из него с учетом динамики работы передачи, что обеспечивается коэффициентом S, полученным математическим путем и опробованным экспериментально.
Минимальное значение величины подгонки не регламентируется ввиду высокой точности шлифовального оборудования, используемого при подгонке.
С целью проверки величины предварительного натяга и качества пригонки компенсатора вкладышей осуществляют контроль момента холостого хода и жесткости передачи. Колебание момента в пределах одного оборота винта характеризует качество подгонки компенсатора вкладышей. Изменение величины момента в пределах длины винта свидетельствует о величине предварительного натяга. Жесткость передачи обычно проверяют на двух-трех участках по длине винта при приложении осевого усилия с двух сторон. Это дает возможность выявить наличие осевого зазора, возникшего в результате неправильной сборки передачи.
При неудовлетворительных результатах проверки, передачу разбирают и подшлифовывают спиральную канавку 5 гайки 2 и компенсатор 7 вкладыша на величину, определенную по совокупности различных показателей, среди которых численные значения момента холостого хода, жесткости передачи, температуры нагрева передачи, а также показатели, определяющиеся органолептическим методом, такие как шум, неплавность, вибрации, возникающие при работе передачи.
Заявленная полезная модель позволяет сделать работу шарико-винтовой передачи стабильной и бесперебойной, технологичной за счет применения нового метода сборки, а также повысить нагрузочную способность и долговечность за счет особой формы спиральных канавок.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение нагрузочной способности, что в свою очередь приводит к повышению надежности и долговечности шарико-винтовой передачи, а метод пригонки позволяет уменьшить номенклатуру применяемых шариков.