УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в качестве механической роликовинтовой передачи для преобразования вращательного движения в поступательное.
Известна планетарная роликовинтовая передача, см. статью Блинова Д.С., Алешина В.Ф., Кулиша А.В. и др. «О модификации резьбы деталей планетарных роликовинтовых механизмов» в электронном журнале «Наука и образование: электронное научно-техническое издание МГТУ им. Баумана», #07, июль 2010 г, рис. 4, которая является аналогом. Передача состоит из винта и гайки и расположенных между ними резьбовых 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.
Для исключения кромочных контактов, см. рис. 6 указанной выше статьи, закаленных до высокой твердости сопрягаемых витков резьбы винта и ролика и ролика и гайки профиль витков резьбы винта и гайки выполняют треугольным, а профиль витков резьбы роликов - фасонным, см. рис. 7 указанной выше статьи. С каждой стороны профиль витка резьбы ролика выполнен по дуге окружности, центр которой расположен на оси ролика. При этом витки резьбы ролика взаимодействуют с сопрягаемыми витками резьбы винта и гайки в точках, расположенных на средних диаметрах резьбы этих деталей, что исключает кромочные контакты. Выпуклыми, фасонными выполняют витки резьбы именно роликов, так как ролики являются промежуточными деталями и их витки взаимодействуют и с витками резьбы винта, и с витками резьбы гайки.
Основным недостатком данной планетарной роликовинтовой передачи является технологическая сложность изготовления на внутренней поверхности гайки, закаленной до высокой твердости, высокоточной многозаходной резьбы (как правило, пяти или шестизаходной). Кроме того, для изготовления внутренней резьбы на гайке требуется дополнительное дорогостоящее оборудование. В основном по этой причине освоение производства роликовинтовых передач, которые по большинству эксплуатационных параметров превосходят другие передачи для преобразования вращательного движения в поступательное, затруднено. В мире серийное изготовление планетарных роликовинтовых передач освоили только несколько фирм.
При этом резьбовая гайка, рассматриваемой планетарной роликовинтовой передачи, выполняет следующие функции:
- воспринимает рабочую осевую силу с исполнительного механизма и передает ее через ролики на винт;
- удерживает ролики от перемещения в радиальном направлении от оси винта к гайке.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является безгаечная роликовинтовая передача, см. статью Блинова Д.С., Алешина В.Ф., Лаптева И.А. и др. «Безгаечные роликовинтовые механизмы» в электронном журнале «Наука и образование: электронное научно-техническое издание МГТУ им. Баумана», #10, октябрь 2010 г, рис. 6, которая выбрана в качестве прототипа.
Данное устройство состоит из винта, корпуса с закрепленными к нему крышками, резьбовых роликов, каждый из которых установлен в корпусе с возможностью поворота только вокруг собственной оси, двух колец, шаров, количество которых в два раза больше числа резьбовых роликов, и других деталей. При работе устройства, обычно, винт вращается, а корпус вместе с резьбовыми роликами, которые также вращаются, совершает поступательное движение. Рабочая осевая сила в устройстве передается с винта на ролики за счет резьбовых зацеплений витков резьбы этих деталей, а затем с резьбовых роликов на одну из крышек корпуса через шары. Для этого на торцах каждого резьбового ролика выполнены сферические поднутрения, и аналогичные поднутрения выполнены на внутренних торцовых поверхностях крышек. Каждый шар одновременно устанавливается в сферическое поднутрение резьбового ролика и в сферическое поднутрение одной из крышек. При этом радиус шара должен быть меньше радиуса поднутрения в резьбовых роликах и в крышках на 2-3% для обеспечения сборки и повышения нагрузочной способности. На цилиндрической резьбовой поверхности каждого ролика выполняются кольцевые пазы, в которые устанавливаются кольца. В роликовинтовых передачах количество роликов выбирают из условия соседства максимально возможным. Количество роликов обычно равно 9-10, но может меняться от 7 до 11. Это позволяет получить высокую нагрузочную способность, осевую жесткость и точность работы передачи.
Как и в аналоге, профиль витков резьбы винта безгаечной роликовинтовой передачи выполняют треугольным, а профиль витков резьбы роликов - фасонным, выпуклым. С каждой стороны профиль витка резьбы ролика выполнен по дуге окружности, центр которой расположен на оси ролика.
По сравнению с рассмотренным выше аналогом, в данной роликовинтовой передаче отсутствует гайка, изготовление которой требует специального дорогостоящего оборудования и больших технологических затрат. Функцию гайки по передаче рабочей осевой силы с корпуса на резьбовые ролики и далее на винт выполняют шары. Другую ее функцию по удержанию роликов от перемещения в радиальном направлении при действии нагрузки выполняют кольца, которые катятся при работе передачи по пазам роликов.
Главным недостатком данного устройства-прототипа является неравномерность распределения рабочей осевой нагрузки между роликами, которая приводит к снижению нагрузочной способности, осевой жесткости, точности и долговечности передачи-прототипа. Причина неравномерности распределения рабочей осевой нагрузки между роликами кроется в разноразмерности среднего диаметра резьбы всех роликов для одной передачи. Разноразмерность получается из-за технологической сложности высокоточного изготовления резьбы с фасонным, выпуклым профилем по среднему диаметру на всех роликах одной передачи.
Техническим результатом является повышение нагрузочной способности, осевой жесткости, точности и долговечности заявляемого устройства за счет снижения неравномерности распределения рабочей осевой нагрузки между роликами.
Технический результат достигается в устройстве, содержащем винт, корпус с закрепленными к нему крышками, на внутренней торцевой поверхности каждой из которых выполнены n (n≥3) сферических поднутрений, установленные в корпусе n роликов, на каждом из которых выполнены два кольцевых паза и сферические поднутрения на торцах, 2·n шаров и два кольца, каждое из которых установлено с осевым зазором в соответствующем кольцевом пазу всех роликов. При этом витки резьбы каждого ролика взаимодействуют с витками резьбы винта в точках, расположенных одновременно на средних диаметрах резьбы винта и ролика, а каждый шар установлен в сферическом поднутреним на одном из торцев ролика и в сферическом поднутрении соответствующей крышки. Витки резьбы всех роликов выполнены треугольными, а витки резьбы винта - выпуклыми, при этом с каждой стороны профиль витка резьбы винта выполнен по дуге окружности, центр которой расположен на линии перпендикулярной к касательной профиля витка резьбы винта, проведенной в точке указанного профиля находящейся на среднем диаметре резьбы винта.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где:
- на фиг. 1 показан общий вид устройства;
- на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1;
- на фиг. 3 показано место Б на фиг. 2 (увеличено).
Будем считать, что количество резьбовых роликов таково, что над осевой линией винта в плоскость разреза А-А, см. фиг. 2, попала осевая плоскость ролика, а под осевой линией винта плоскость разреза А-А прошла между роликами.
Устройство для преобразования вращательного движения в поступательное, см. фиг. 1 и 2, состоит из винта 1, n (n≥3) роликов 2, установленных в корпусе 3 с крышками 4, которые с помощью винтов 5 и пружинных шайб 6 закреплены на корпусе.
На корпусе 3, см. фиг. 1 и 2, выполнены базовые элементами «В» (цапфы под подшипники), которые предназначены для соединения указанного узла с исполнительным механизмом, а на торце винта выполнен присоединительный участок для соединения с электродвигателем (на рисунках не показан).
Между корпусом 3 и крышками 4 установлены компенсаторные кольца 7 или наборы регулировочных прокладок. На внутренней торцевой поверхности каждой крышки выполнены n сферических поднутрений «Г», а на наружной торцевой поверхности каждой крышки с помощью втулок 8 закреплен маслоотражатель 9.
На торцах каждого ролика 2, см. фиг. 2, выполнены сферические поднутрения «Д», а на резьбовой поверхности каждого ролика выполнены два кольцевых паза «Е», в которых установлены кольца 10. Шары 11 установлены одновременно в соответствующих сферических поднутрениях «Г» крышек и «Д» роликов. Радиус сферических поднутрений «Г» и «Д» на 2-3% больше радиуса шаров 11 для обеспечения сборки. Чтобы ось каждого ролика была параллельна оси винта сферические поднутрения «Г» на двух крышках выполнены с высокой точностью углового положения. Угловая ориентация крышек относительно корпуса осуществляется известными способами, например, с помощью конических или цилиндрических штифтов (на рисунках не показаны).
2B
2P
2B
Винт и каждый ролик, см. рис. 2 и 3, зацепляются витками своей резьбы (имеют сопрягаемые витки резьбы). На фиг. 3 показаны треугольный виток «Ж» резьбы ролика 2 и выпуклый виток «И» винта 1. Угол α профилей витков винта и ролика, как правило, составляет 90°. С каждой стороны профиль витка «И» резьбы винта выполнен по дуге окружности с радиусом R, центр которой расположен на линии «К-К». Линия «К-К» перпендикулярна к касательной профиля витка резьбы винта, проведенной в точке «Л» указанного профиля находящейся на среднем диаметре d резьбы винта. Для угла α=90° касательной является профиль витка резьбы ролика. Часто центр окружности, по которой очерчен профиль витка винта, расположен в точке «М» на пересечении линии «К-К» и оси винта. Меняя положение точки «М» на линии «К-К», можно изменять осевую жесткость, контактную прочность (нагрузочную способность), КПД и долговечность заявляемого устройства. При этом витки резьбы ролика взаимодействуют с сопрягаемыми витками резьбы винта в точках, расположенных на средних диаметрах d и d резьбы этих деталей, например в точке «Л, см. фиг. 3».
Сборка заявляемого устройства. Винт 1, см. фиг. 2, располагают вертикально, на него последовательно вводят втулку 8 и навинчивают уплотнение 9. Затем сверху на винт 1 вводят крышку 4, которую базируют по вертикали, в ее сферические поднутрения «Г» устанавливают n шаров 11. Предварительно собранный узел, состоящий из n роликов 2 и двух колец 10, ввинчивают на винт. При достижении резьбовыми роликами шаров, ролики поочередно ввинчивают до захвата ими шаров. Для этого предусмотрены осевые зазоры между кольцевыми пазами роликов и кольцами. Затем указанный узел с шарами и крышку можно навинчивать друг на друга до тех пор, пока не выберутся зазоры между роликами 2, шарами 11 и сферическими поднутрениями «Г» в крышке 4.
На винт 1, см. фиг. 2, вводят компенсаторные кольца 7 и корпус 3, позиционируют и скрепляют его с крышкой 4 с помощью штифта (на рисунке не показан) и винтов 5 с пружинными шайбами 6. В верхние сферические поднутрения «Д» роликов 2 устанавливают n шаров 11.
Компенсаторные кольца 7 со второй крышкой 4 устанавливают на торец корпуса 3 так, чтобы шары 11 попали в поднутрения «Г» крышки 4. Корпус 3 позиционируют и скрепляют его с крышкой 4 с помощью штифта (на рисунке не показан) и винтов 5 с пружинными шайбами 6. По осевому люфту корпуса относительно винта или моменту холостого корпуса относительно винта судят о регулировке передачи. При необходимости с помощью компенсаторных колец 7 под второй крышкой 4 производят регулировку.
Сверху и снизу на винт 1 навинчивают уплотнения 9. С двух сторон уплотнения 9 с помощью втулок 8 закрепляют на торцах крышек. Устройство собрано и отрегулировано.
Работа заявляемого устройства. Ведущим звеном может быть винт или собранная в корпусе конструкция. Пусть ведущим звеном является винт, тогда его соединяют с двигателем, а цапфы «B», см. фиг. 1 и 2, корпуса 3-е исполнительным механизмом. Винт, вращаясь вокруг своей оси, за счет сил трения и резьбового зацепления с роликами приводит их во вращение. При этом каждый ролик вращаются вокруг собственной оси. За счет разницы углов подъема резьбы винта и роликов корпус с роликами и другими деталями совершает поступательное движение вдоль оси винта. Рабочая осевая сила передается с витков резьбы винта на витки резьбы резьбовых роликов, а далее с роликов - через шары на одну из крышек. Так как боковые стороны витков резьбы винта и роликов наклонены к оси винта под углом α/2, см. фиг. 3, то в сопряжении витков этих деталей возникают радиальные силы, которые воспринимаются кольцами, и осевые силы, которые передаются на корпус (окружными силами обычно пренебрегают). Кольца вовлекаются во вращение за счет сил трения между цилиндрической поверхностью их отверстия и шейками кольцевых пазов на роликах.
По сравнению с устройством-прототипом в заявляемом устройстве все ролики имеют треугольный профиль витков резьбы. Такой профиль можно значительно проще и точнее обработать по среднему диаметру резьбы, чем фасонный. Следовательно, ролики будут точнее изготовлены и разноразмерность всех роликов по среднему диаметру резьбы будет меньшей, что и позволит повысить нагрузочную способность, осевую жесткость, точность и долговечность заявляемого устройства за счет уменьшения по сравнению с прототипом неравномерности распределения рабочей осевой силы между роликами. Необходимость обработки резьбы винта (только одной детали) с выпуклым профилем витков, хотя и усложнит его изготовление, но не скажется на неравномерности распределения рабочей осевой силы между роликами, так как средний диаметр резьбы винта будет для всех роликов одинаковым.