Сачмено-шлицови двойки

Сачмено-шлицовата двойка е завършено комплектно изделие, подобно на широко използваните сачмено-винтова двойка и сачмена двойка вал-втулка. Базира се на принципа на тяхната работа - контакт между вала и гайката (втулката) посредством циркулиращ поток сачми, който осигурява малка сила на триене, голяма носеща способност, статична и динамична стабилност, висока точност и надеждност на работа, продължителен експлоатационен ресурс. Благодарение на наличието на шлици, изделието придобива нова функционалност, подходяща за различни приложения в машиностроенето.

В какво се състоят различията спрямо сачмено-винтовата двойка и сачмената двойка вал-втулка? Сачмено-винтовата двойка използва резбата по цилиндричната повърхнина на вала и гайката за синхронизиране на линейното и ротационното движение в точна пропорция и те не могат да се осъществяват независимо едно от друго. Сачменият вал е само за предаване на осовата сила и не може да бъде използван като направляваща за задвижвания подвижен орган - за целта е необходимо да се предвидят отделни направляващи.

При сачмената двойка вал-втулка сачмената втулка се движи по гладкия сачмен вал, който служи едновременно и като направляваща за линейното движение. Тъй като втулката може свободно да се завърта около оста на вала, тя не може да му предава ротационно движение. Отсъствието на възможност за противодействие на въртящ момент води до усложняване на конструкцията при решаване на задачата за предотвратяване на завъртането на свързания с втулката подвижен орган - необходимо е да се добави още една паралелно разположена сачмена двойка вал-втулка.

При сачмено-шлицовата двойка линейното и ротационното движение се осъществяват независимо едно от друго - гайката може да се премества по дължината на шлицовия вал, който играе ролята на направляваща (възможно е и аналогично движение на вала спрямо гайката) и да се завърта синхронно с вала.

Принцип на работа на сачмeно-шлицовата двойка
Сачмено-шлицовата двойка се състои от сачмено-шлицова гайка и шлицов вал. Работният профил на сачмения шлицов вал се характеризира с гладкост по цялата дължина, нарушавана от надлъжни шлици; напречното сечение на вала е кръгло. Шлиците определят праволинейната траектория на движение и способстват за съвместната ротация на гайката и вала. По шлиците се водят потоци сачми, които циркулират при линейното движение.

Обикновено потоците са два срещуположно разположени. Профилът на шлиците е полукръгъл с радиус, малко по-голям от радиуса на сачмите. Така се осигурява голяма площ на контакта и малки контактни напрежения, което гарантира високи стойности на носещата способност и експлоатационния ресурс. Благодарение на наличието на праволинейни шлици са възможни следните независими движения и състояния: линейно движение на вала спрямо гайката; линейно движение на гайката спрямо вала; отсъствие на относително завъртане на гайката спрямо винта; съвместно завъртане на винта и гайката около надлъжната ос.

Устройство на сачмено-шлицова двойка
На фиг. 1 е показано устройството на сачмено-шлицова двойка. В шлицовите канали се движат потоците сачми. За намаляваше на шума и вибрациите и за по-плавна работа, сачмите са разделени една от друга със сепаратор. Обикновено шлиците са вдлъбнати в профила на вала, което се обяснява с технологичността на механичната обработка. Макар и по-рядко, приложение намира и решение, при което шлиците са изпъкнали.

Работа на сачмено-шлицовата двойка
Ротация. Задвижващият елемент е гайката. Движението от двигателя към нея се предава по два начина - със зъбна предавка или ремъчна предавка. Показаните на фигурите зъбен венец и ремъчна шайба конструктивно са обединени с гайката.
Линейно движение. Осъществява се от вала равностойно в двете посоки. Валът се задвижва от линеен актуатор (например хидроцилиндър). Възможно е също така източник на движението да е гайката.

Сачмено-шлицовата двойка позволява тези две движения да се извършват едновременно или поотделно. В най-популярните технически приложения линейното движение се извършва от вала, към който се присъединява подвижният орган на механизма. Гайката се свързва с неподвижния корпус на механизма. За да се избегне завъртането му заедно с гайката, сачмено-шлицовата двойка се доставя с допълнителен елемент - гилза, която е лагерувана върху гайката. В действителност именно гилзата се присъединява към корпуса, чрез което се постига свободното въртене на гайката.

Устройството на сачмено-шлицовата двойка с гилза е показано на фиг. 2. Върху сачмено-шлицовия вал 8 е разположена сачмено-шлицовата гайка 6; гайката и валът имат възможност за свободно взаимно преместване в осово направление. Чрез ремъчната шайба гайката 6 получава ротационно движение и заедно с нея се завърта и валът 8. Гайката се върти в гилзата 4 върху радиално-аксиалните сачмени лагери 3 със сепаратори 5. Гилзата има присъединителен фланец 2. Предварителната стегнатост и конструктивното единство на гилзата се осигуряват от дистанционния пръстен 7.

Челните чистачи 1 служат за херметичност и защита от замърсяване.
Това разположение на лагерите осигурява по-голяма собствена стабилност на двойката (благодарение на ефекта на запъването), но увеличава дължината на гайката. За намаляване на осовия й габарит се използва опростена конструкция, в която е вложен един аксиално-радиален лагер с кръстосани ролки 4.
Производителите предлагат и един бюджетно ориентиран вариант на сачмено-шлицовата двойка, в който линейното движение се извършва без циркулация на сачмите. Това изпълнение е подходящо за случаите, когато ходът в осово направление е ограничен.

Примери за използване на сачмено-шлицова двойка
Сачмено-шлицовите двойки се използват широко в редица изпълнителни устройства.
На фиг. 3 е представена схемата на робот/манипулатор за захващане и преместване на детайли. Рамото на робота/манипулатора е закрепено към шлицовия вал. Задачата е рамото да получи две независими движения: осово линейно движение и завъртане около тази ос. Това се осигурява по следния начин.
Линейно движение. Двигател 1 завърта винта на сачмено-винтовата двойка. Сачмената гайка е свързана със задната търкаляща лагерна опора на сачмено-шлицовия вал и го придвижва нагоре/надолу в осово направление.

Ротация. Гилзата на сачмено-шлицовата гайка е свързана неподвижно с корпуса. Двигател 2 чрез ремъчна предавка завърта сачмено-шлицовата гайка в една или друга посока, с което се постига въртене на шлицовия вал заедно с шлицовата гайка.
В случая сачмено-шлицовият вал се изработва кух за да може през него да преминат различни комуникации - кабели, шлаухи и др., необходими за работата на задвижващите устройства на захвата.

Задвижването на автооператор за автоматична смяна на инструментите при обработващ център е илюстрирано на фиг. 4. Двузахватната механична ръка е монтирана към сачмено-шлицовия вал.
Линейно движение. Получава се от линеен актуатор, който придвижва напред/назад сачмено-шлицовия вал.
Ротация. Гилзата на сачмено-шлицовата гайка е свързана с неподвижния корпус. Двигателят чрез ремъчна предавка завърта сачмено-шлицовата гайка в една или друга посока, с което се постига въртене на шлицовия вал заедно с шлицовата гайка. По този начин двузахватната ръка на автооператора получава необходимите за своето функциониране движения:
• ротация примерно на +90° за едновременно захващане на инструментите в магазина (нов инструмент) и шпиндела (отработил инструмент);
• линейно движение за извеждане на инструментите съответно от магазина и шпиндела;
• ротация на 180° за смяна на позициите на инструментите;
• линейно движение за въвеждане на новия инструмент в шпиндела и отработилия в магазина;
• ротация примерно на -90° и линейно движение за привеждане на двузахватната ръка в изходно положение.

На фиг. 5 е показана реализация на разгледания по-горе робот/манипулатор за вземане, преместване и оставяне на детайли. Състои се от кух сачмен винтово-шлицов вал, въртяща сачмено-винтова двойка и сачмено-шлицова двойка с гилза. Сачмено-винтовата гайка получава ротацията си от зъбно-ремъчна предавка (показана е зъбно-ремъчната шайба 1). Сачмено-шлицовата гайка получава ротацията си от друга зъбно-ремъчна предавка (показана е зъбно-ремъчната шайба 2). Основните елементи на робота/манипулатора са разположени в общ корпус. През централния отвор на вала преминават комуникациите на енергоносителите (електричество, масло и въздух под налягане, вакуум). Очевидно е, че конструкцията от фиг. 5 се отличава с простота (има само един сачмен вал) и компактност (използван е общ корпус).

Предлагат се също така изпълнения на вала с два участъка, разположени поотделно един след друг - резбови участък и шлицов участък. Този вариант удължава линейния габарит, но дава по-спокойна работа. Подходящ е за използване в миниатюрни приложения.

доц. д-р инж. Пламен Угринов