Винтовая пара и планетарная передача на её основе
SCREW PAIR AND PLANETARY TRANSMESSION BASED ON IT

Изобретение относится к планетарным винтовым передачам, преобразующим вращательное движение в поступательное, и может использоваться в линейных приводах, используемых в различных отраслях: станкостроение, авиастроение, нефтегазовая и космическая отрасли и т.д.
Известна планетарная несоосная (эксцентриковая) передача, содержащая пару винт-гайка с винтовой резьбой разного диаметра. Оси винта и гайки смещены на некоторое расстояние с помощью эксцентрика и параллельны друг другу.  Вращение эксцентрика приводит к вращению оси одной из деталей в паре вокруг оси другой, т.е. к планетарному перемещению. Взаимодействие резьбы винта с резьбой гайки приводит к осевому перемещению одной из деталей относительно другой. (А.Ф. Крайнев. Машины и механизмы. Фундаментальный словарь, Машиностроение, 2000, стр. 457). Шаг линейного перемещения определяется разностью длин контактирующих линий, и тем меньше, чем меньше отличаются диаметры винта и гайки. В подобных передачах по сравнению с обычной передачей винт-гайка с таким же шагом резьбы линейный шаг меньше шага резьбы на величину передаточного отношения при планетарном движении, а это позволяет повысить точность позиционирования. Однако возникает и недостаток, так как существует возможность проскальзывания резьбы винта по резьбе гайки, что приводит к сбоям в её работе.
Известна винтовая пара планетарной (эксцентриковой) передачи по патенту RU 2695742, устраняющая этот недостаток.  Эту винтовую пару мы выбираем за прототип. Винт и гайка винтовой пары этой передачи, как и в предыдущей, имеют разные диаметры. Оси винта и гайки параллельно смещены друг относительно друга с помощью эксцентрика и имеют возможность вращаться одна относительно другой. Для устранения эффекта проскальзывания на винтовой поверхности винта и гайки выполнены зубчатые профили, сопрягающиеся друг с другом, образуя планетарную (эксцентриковую) зубчатую передачу с постоянным передаточным отношением. Здесь зубчатый профиль служит для позиционирования и не несёт силовой нагрузки, которую несёт, в основном, винтовая резьба. Шаг линейного перемещения определяется соотношением числа зубьев на винте и гайке в одном витке и углом наклона винтовой линии. Но при нарезании зубьев по винтовой резьбе на последней образуются острые кромки, которые вызывают увеличение напряжений в областях примыкания, являясь концентраторами напряжений. Следствием этого будет уменьшение нагрузочной способности. Конечно, нагрузочную способность можно увеличить, но только за счёт увеличения габаритов передачи.
Таким образом, задача создания простой и надёжной передачи винт-гайка, обладающей высокой несущей способностью и высокой точностью позиционирования, остаётся по-прежнему актуальной.
Техническим результатом изобретения является увеличение нагрузочной способности винтовой пары в тех же габаритах.
Указанный технический результат достигается тем, что винтовая пара для планетарной винтовой передачи, как и прототип, содержит винт и гайку разного диаметра. Оси винта и гайки параллельно смещены друг относительно друга с помощью внутреннего или внешнего эксцентрика и имеют возможность вращаться одна относительно другой. На винтовой поверхности винта и гайки выполнены зубчатые профили, сопрягающиеся друг с другом. В отличие от прототипа зубчатый профиль и винтовая поверхность на одной из деталей в паре образованы отдельными зубьями, расположенными по винтовой линии. Зубчатый профиль и винтовая поверхность на второй детали выполнены как соответствующая огибающая зубьев первой детали.
Для увеличения нагрузочной способности зубья на одной из деталей в паре целесообразно выполнить со сферическим профилем.
Для снижения трения в силовом контакте зубчатый профиль и винтовая поверхность одной из деталей выполнена в виде обоймы с отверстиями, расположенными по винтовой линии. В отверстиях размещены тела качения, выполняющие функцию зубьев.
Для расширения функциональных возможностей планетарную винтовую передачу на основе вышеописанной винтовой пары целесообразно выполнить двухступенчатой. Для этого винтовая пара снабжена коаксиально расположенной второй винтовой парой аналогичной конструкции и винт или гайка одной из пар выполняет функцию гайки или винта для второй пары.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами на примерах использования винтовых пар в планетарных передачах винт-гайка.
На фиг. 1 показан продольный разрез винтовой передачи с внутренним эксцентриком и гайкой с зубьями сферического профиля.
На фиг. 2 показан продольный разрез винтовой передачи с внешним эксцентриком и гайкой в виде обоймы с отверстиями по винтовой линии и шариками, расположенными в этих отверстиях. Ось обоймы здесь совпадает с осью винта.
На фиг. 3 показан продольный разрез винтовой передачи с внешним эксцентриком и где, в отличие от фиг. 2, ось обоймы совпадает с осью эксцентрика.
На фиг. 4 показан продольный разрез одного из вариантов двухступенчатой планетарной винтовой передачи с коаксиально расположенными винтовыми парами, где гайка первой ступени выполняет функцию винта второй ступени, для чего она снабжена зубьями на своей наружной поверхности, расположенными по винтовой линии.
На фиг. 5 показан продольный разрез двухступенчатой коаксиальной планетарной винтовой передачи, в которой функцию гайки первой ступени выполняет обойма с отверстиями, расположенными по винтовой линии и шариками в отверстиях.   При этом эта же обойма с шариками выполняет роль винта для второй коаксиально расположенной винтовой пары.
е.
п
n
На фиг. 1 винтовая пара представлена винтом 1 и гайкой 2. Винт 1 посажен на эксцентрик 3 вала 4 на подшипнике 5. За счёт буртиков 6 эксцентрика 3 и буртиков 7 винта 1 ограничена возможности перемещения винта 1 в осевом направлении. Ось винта 1 О-О1 смещена от оси С-С1 гайки 2 на величину эксцентриситета  Винтовая поверхность винта 1 выполнена отдельными зубьями 8 имеющими сферический профиль и расположенными по винтовой линии . Винтовая поверхность и зубчатый профиль гайки 2 представлены зубьями 9, которые выполнены как огибающая зубьев 8. Зубья 9 расположены также, как и зубья 8 по винтовой линии и имеют циклоидальный профиль в радиальном направлении. В осевом же направлении профиль зубьев 9 имеет профиль сложной кривой, который зависит от угла наклона винтовой линии  зубьев 8. Эта же винтовая пара может быть представлена в варианте, когда эксцентрик расположен снаружи винтовой пары, как это показано на фиг. 2 и 3.
е
На фиг. 2 винтовая пара представлена винтом 10 и гайкой 11. Гайка 11 посажена в эксцентрик 12 с помощью подшипника 13 и имеет возможность вращения. Ось С-С1 эксцентрика 12, а, следовательно, и гайки 11 смещена относительно оси О-О1 винта 10 на величину эксцентриситета . Гайка 11 образована обоймой 15 и шариками 17, посаженными в отверстиях 16 обоймы 15, выполненных по винтовой линии. Шарики 17 посажены в отверстиях 16 обоймы 15 с возможностью вращения.  Обойма 15 базируется на винте 10 и их оси совпадают. Шарики 17 контактируют через подшипник 13 с эксцентриком 12. Цепочка шариков 17, расположенных по винтовой линии, здесь выполняет функцию зубьев гайки 11. Буртики 14 на эксцентрике 12 ограничивают движение гайки 11 в осевом направлении. Зубья 18 винта 10, расположенные по винтовой линии k, являются огибающей цепочки шариков 17. Огибающая в этом варианте будет иметь синусоидальный профиль в радиальном направлении.
На фиг. 3 ось СС1 гайки 11 смещена на величину эксцентриситета е относительно оси винта 10 с помощью внешнего эксцентрика 12.  Обойма 15 гайки 11 базируется в эксцентрике 12 и их оси совпадают. Огибающая в данном варианте имеет циклоидальный профиль в радиальном направлении.
Возможен вариант (на фигурах не показан) с гайкой в виде обоймы с шариками, когда ось обоймы будет эксцентрична как оси О-О1, так и оси С-С1. Огибающая в данном варианте будет иметь в радиальном направлении профиль сложной кривой.
Огибающая в винтовых парах, когда одна из деталей в паре состоит из обоймы с отверстиями по винтовой линии и телами качения, расположенными в этих отверстиях, будет строиться исходя из сочетания движения обоймы и движения самих тел качения.
е.
е1.
е-е1
.
Винтовая передача на фиг. 4 выполнена на основе винтовой пары фиг.1 с коаксиально расположенной второй винтовой парой аналогичной конструкции. Винт 19 первой пары посажен на эксцентрик 3 вала 4 на подшипнике 5. Буртики 6 и 7 ограничивают движение винта 19 в осевом направлении. Ось О-О1 винта 19 смещена относительно оси С-С1 вала 4 на величину эксцентриситета  Винт 19 охвачен гайкой 20. Ось М-М1 гайки 20 смещена относительно оси С-С1 на величину эксцентриситета Таким образом смещение осей винта и гайки первой пары составляет . Винтовая поверхность гайки 20 выполнена отдельными зубьями 21 сферического профиля, расположенными по винтовой линии. А винтовая поверхность винта 19 выполнена зубьями 22, являющимися огибающей зубьев 21. Гайка 20 дополнена на своей наружной поверхности зубьями 23 имеющими, как и зубья 21 сферический профиль. Благодаря этому гайка 20 становится винтом для второй коаксиально расположенной винтовой пары с осью винта ММ1. Она охватывается гайкой 24, которая расположена соосно валу 4. Смещение осей винта 20 и гайки 24 второй пары составляет е1На внутренней поверхности гайки 24 выполнены зубья 25 являющиеся огибающей зубьев 23. Следует заметить, что размер и количество зубьев 21 и 23 может быть различным и рассчитывается из требований, предъявляемых к заданной передаче. Причём различным может быть, как угол наклона винтовых линий коаксиальных винтовых пар, так и направление этих винтовых линий.
е
е-е1
е1
Винтовая передача на фиг. 5 также представлена двумя коаксиально расположенными винтовыми парами. Первую винтовую пару здесь составляют винт 19 и гайка 11. Ось О-О1 винта 19 смещена относительно оси С-С1 вала 4 на величину . Т.е. эксцентричное смещение винта 19 и гайки 11 в первой паре будет составлять . Гайка 11 выполнена в виде обоймы 15 с отверстиями 16, расположенными по винтовой линии. В отверстиях 16 расположены шарики 17. Шарики 17 посажены в отверстиях 16 обоймы 15 с возможностью вращения.  Ось М-М1 гайки 11 смещена относительно оси вала 4 на величину . На винте 19 выполнены зубья 22 являющиеся огибающей шариков 17. Одновременно гайка 11 является винтом для второй винтовой пары, которую охватывает гайка 26, расположенная соосно валу 4. Цепочка шариков 17 выполняет здесь функцию отдельных зубьев одновременно для гайки первой пары и винта второй пары. На внутренней поверхности гайки 26 выполнены зубья 27, являющиеся огибающей шариков 17. Смещение осей винта 11 и гайки 26 второй пары составляет е1.
Особенностью передач с коаксиально расположенными винтовыми парами является то, что одна из деталей в паре является общей для обеих пар.
Все вышеописанные передачи могут быть одно-, двух- и многозаходными. В этом случае, отдельные зубья будут расположены вдоль нескольких винтовых линий.
Рассмотрим работу винтовой передачи на фиг. 1. Входным звеном передачи и неподвижным в осевом направлении является вал 4. При вращении вала 4 винт 1, установленный на эксцентрике 3, будет совершать вращательное движение вокруг собственной оси О-О1 и планетарное движение вокруг оси С-С1. В осевом направлении движение винта 1 ограничивают буртики 6 и 7. При взаимодействии зубьев 8, расположенных на винтовой линии, с зубьями 9, также расположенных на винтовой линии, гайка 2 переместится относительно винта 1 в осевом направлении. Взаимодействие зубьев 8 винта 1 и зубьев 9 гайки 2 образует, как и в прототипе, планетарную (винтовую) эксцентриковую передачу со стабильным передаточным отношением. Шаг линейного перемещения будет определяться соотношением чисел зубьев 8 винта 1 и зубьев 9 гайки 2 в одном витке и углом наклона винтовой линии.Зубья здесь несут силовую нагрузку, как в осевом, так и радиальном направлениях. А отсутствие концентраторов напряжений позволяет повысить нагрузочную способность винтовой пары, не увеличивая её габаритов.
Рассмотрим работу винтовой пары на фиг. 2. Здесь входным и неподвижным в осевом направлении звеном будет эксцентрик 12. При вращении внешнего эксцентрика 12 шарики 17 будут перемещаться в отверстиях обоймы в радиальном направлении, перекатываясь по винтовым зубьям 18. Таким образом трение скольжения между шариками 17 и зубьями 18 винта 10 заменено на трение качения, что, соответственно, снижает потери в передаче при силовом контакте и увеличивает КПД передачи.  Из-за того, что шарики расположены по винтовой линии, они будут воздействовать на обойму 15 как в тангенциальном направлении, вызывая её вращение, так и в осевом направлении. Так как осевое перемещение обоймы 15 невозможно из-за наличия буртов 14, то осевое воздействие посредством взаимодействия цепочки шариков 17 с зубьями 18 передаётся винту 10. Винт 10 перемещается в осевом направлении. Шаг осевого перемещения будет определяться соотношением числа зубьев винта 10 и гайки 11 в одном витке и углом наклона винтовой линии. Следует отметить, что свойством значительного снижения трения в зацеплении по огибающей обладают все передачи, имеющие один из элементов в паре в виде обоймы с отверстиями по винтовой линии и шариками, расположенными в этих отверстиях.
Рассмотрим работу винтовой пары на фиг. 3. Здесь входным и неподвижным в осевом направлении звеном также будет эксцентрик 12. Так как обойма 15 в радиальном направлении сбазирована на внутреннем кольце подшипника 13, то шарики 17 ограничены в движении в радиальном направлении относительно отверстий 16 в обойме 15. При вращении эксцентрика 12 шарики 17 вместе с обоймой 15 будут совершать планетарное движение относительно оси вала О-О1, и вращательное движения относительно оси гайки С-С1. Силовое воздействие, передаваемое через шарики 17 на зубья 18 будет смещать винт 10 в осевом направлении. Как и в предыдущей передаче здесь уменьшено трение между винтовыми зубьями.  Шаг линейного перемещения, как и в предыдущем варианте будет определяться соотношением числа зубьев винта 10 и гайки 11 в одном витке и углом наклона винтовой линии
В случае, когда обойма эксцентрична как оси винта, так и оси эксцентрика движение обоймы и цепочки шариков будет одновременно планетарным и вращательным, но помимо этого шарики будут совершать радиальное движение относительно отверстий в обойме. В остальном работа передачи аналогична предыдущим вариантам. Шаг линейного перемещения будет определятся также, как и в предыдущих вариантах.
Наличие тел качения в представленных выше передачах значительно снижает трение в зацеплении по огибающей.
Рассмотрим работу двухступенчатой планетарной винтовой передачи на фиг. 4. Входным звеном передачи является вал 4. При вращении вала 4 винт 19 совершает вращательное движение вокруг оси О-О1 и планетарное движение вокруг оси C-C1, при этом оставаясь неподвижным в осевом направлении, так как он жёстко связан с подшипником 5 и эксцентриком 3 за счёт буртиков 6 и 7. Силовое воздействие через зубья 22 винта 19 передаётся зубьям 21 гайки 20. Гайка 20 совершает планетарное движение вокруг оси C-C1 и вращательное движение вокруг оси М-М1, одновременно перемещается в осевом направлении. Далее силовое воздействие через зубья 23 на внешней стороне гайки 20 передаётся зубьям 25 гайки 24, перемещая её в осевом направлении. В зависимости от направления наклона винтовых линий в первой и второй паре осевое перемещение гайки второй пары относительно гайки первой пары может быть, как попутным, так и встречным, увеличивая линейный шаг передачи или уменьшая его. Это даёт возможность получать передачи с различным линейным шагом в большом диапазоне. Кроме того, передача обладает значительным передаточным отношением. Линейный шаг будет зависеть от соотношения количества зубьев 21, 22, 23 и 25 в одном витке каждой винтовой пары и от углов наклона винтовых линии.
Работа винтовой пары в передаче на фиг. 5 отличается от предыдущей тем, что при вращении вала 4силовое воздействие передаётся через зубья 22 шарикам 17, вызывая вращение обоймы 15 и перемещая её в осевом направлении. Одновременно, обойма 15 совершает планетарное движение вокруг оси С-С1, воздействуя через шарики 17 на зубья 27, перемещая гайку 26 в осевом направлении. Причём осевое перемещения гайки 11 и гайки 26 будет в одном направлении. Трение скольжения здесь заменено на трение качения что, соответственно, снижает потери в передаче при силовом контакте. К тому же уменьшение потерь на трение происходит в обоих ступенях, что в ещё большей степени повышает КПД передачи. Линейный шаг здесь будет зависеть от отношения числа зубьев 22 винта 19, шариков 17 гайки 11 и зубьев 27 гайки 26 в одном витке и от угла наклона винтовых линий.