Сачмено-винтови двойки
Начало > Механични системи > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 9, 2008
Част 1 - конструкции, принципи на работа, характеристики, критерии за избор на СВД
Съвременните тенденции в развитието на машиностроенето, уредостроенето и роботизацията са насочени към създаване на машини и механизми с висока надеждност, дълъг експлоатационен живот и висок коефициент на полезно действие. Изпълнението им изисква използването на унифицирани машинни елементи и възли с широки кинематични възможности, отличаващи се с висока точност и експлоатационна надеждност. По тази причина водещите производители в областта непрекъснато усъвършенстват произвежданите от тях готови възли на много от тези елементи. Представителите на по-старата генерация инженери знаят, че до преди известен период от време готови възли се използваха сравнително рядко в конструктивната практика.
В поредица от статии в сп. Инженеринг ревю ще ви запознаем с конструкцията, характеристиките, приложението и спецификите при избора и експлоатацията на някои съвременни машинни елементи и механизми. Сред тях са сачмено-винтовите двойки (СВД), популярни и в България и като Ball Screws и Kugelgewindetriebe, които се използват за преобразуване на въртеливото движение в постъпателно.
Принцип на работа и приложение на СВД
СВД представляват механична винто-гаечна предавка с триене при търкаляне, което се постига, като между винта и гайката се използват сачми във функцията на междинни търкалящи тела. На фиг. 1 (а, б, в, г и д) е показан външният вид на СВД, а на фиг. 2 – принципното й устройство. В общия случай една СВД (фиг. 2) се състои от винт 1, гайка 2, комплект от сачми 3 и устройство за осигуряване на рециркулационното движение на сачмите 4.
Използването на сачмено-винтови двойки (СВД) дава възможност да се повиши значително КПД на предавката винт–гайка и да се намали износването на триещите се повърхности.
Благодарение на описаните характеристики, СВД намират изключително широко приложение като елементи, които под действието на малки сили осигуряват точно и равномерно преместване. Областта им на приложения включва металорежещи машини, подемно–транспортни устройства, манипулатори и роботи, моторни превозни средства, механизми и уреди с различно предназначение и др. Най-съществените предимства на този вид предавки са:
l възможност за пълно отстраняване на хлабината в предавката и създаване на предварителна стегнатост в нея. Така се постига висока стабилност и голяма точност на преместване и позициониране;
l висок КПД - ефективността им е от порядъка на 0.9 – 0.95 за СВД с рециркулация. За сравнение обикновените резбови предавки с плъзгане имат КПД от 0.2 до 0.4.
l малък коефициент на триене, малък инерционен момент и следователно необходимост от по-малък момент на потегляне;
l близка до максималната независимост на големината на силата на триене от скоростта на движение. Поради малкия коефициент на триене при търкаляне, при номинално натоварване тези предавки са несамозадържащи.
Според предназначението си, СВД условно могат да се разделят на кинематични и силови
Кинематичните, наричани още прецизни, СВД обикновено са с по-малки диаметри – до 16 mm. Изработват се с висока точност, понякога и със специален профил на каналите, осигуряващи три или четири контактни точки със сачмите. Използват се в механизми с точно позициониране в мехатрониката, медицинската техника, текстилната промишленост и др.
При силовите предавки натоварването е сравнително по-голямо, по-чести са механичните повреди на елементите. Те се изработват с профили на каналите, осигуряващи по-голяма контактна товароносимост. Намират приложение в автоматизирани устройства в машиностроенето, робототехниката, опаковачната техника, хранителната, хартиената и дървообработващата промишлености.
Сред основните конструктивни характеристики на СВД е
Профилът на резбата на винта и гайката
Характерни са два варианта на оформянето й (фиг. 3).
Полукръглият профил (фиг. 3а) се среща най-често. Препоръчва се от гледна точка възможностите, които предлага за максимално ограничаване на контактните напрежения. При него големината на радиуса на профила rпр е възможно най-близка до радиуса на сачмите rc. Ориентировъчното отношение rc/rпр трябва да бъде в границите 0,95 – 0,97. При по-висока стойност на това отношение се увеличават загубите от триене. Големината на ъгъла на контакта ak има съществена роля за постигане на осовата стабилност и товароносимостта на предавката. При малки стойности на ъгъла, осовата стабилност и товароносимостта също са ниски, тъй като и незначителни осови сили предизвикват големи радиални натоварвания. С увеличаване на ъгъла стабилността и товароносимостта се увеличават, като същевременно се намаляват загубите от триене. Ето защо е необходимо диаметралната хлабина Dd = 4(rпр - rc).(1 - cos ak) да се подбира така, че ъгълът на контакта ak да бъде 45°.
Недостатък на полукръглия профил е необходимостта от наличие на две гайки за осъществяване на предварително желаната хлабина или стегнатост.
Вторият вариант - арковидният профил, показан на фиг. 3б, има предимствата на полукръглия профил. Наред с това дава възможност да се осъществи предавка без хлабина и с предварителна стегнатост чрез подбор на диаметрите на сачмите.
Друга конструктивна характеристика на СВД е
Начинът за движение на сачмите
В зависимост от нея, СВД се разделят на две групи – със/без рециркулация на сачмите.
СВД без рециркулация се използват в случаите, при които предавката се отличава с малък и относително плавен ход. При конструирането на гайките обикновено се поставят крайни ограничители, предотвратяващи изпадането на сачмите. Съществуват различни конструкции СВД без рециркулация на сачмите, но те се използват сравнително рядко поради своите недостатъци. Сред тях са ниска товароносимост (поради малкия брой сачми) и малка кинематична точност (вследствие на приплъзването на сачмите в зоната на контакта). Точността им може да се увеличи при наличие на предварителна стегнатост.
Направени изследвания на КПД показват, че използването на СВД без рециркулация на сачмите е обосновано само в случаите, в които е необходимо намаляване на размера на гайката. За да се постигне по-висока ефективност (до около 0.8) е необходимо ъгълът на изкачване на винтовата линия на навивките a да бъде не по-малък от 18 – 20°.
При СВД с рециркулация сачмите се движат в специален затворен рециркулационен канал, оформен или във винта, или в гайката. По този начин се избягва приплъзването на сачмите спрямо елементите на СВД и следователно се постига значително увеличаване на КПД на предавката. СВД с рециркулация намират значително по-широко промишлено приложение в сравнение с моделите без рециркулация на сачмите. Предлагат се от редица водещи фирми като готови възли с определени типоразмери и технически характеристики за вграждане в машини и механизми.
Конструкции СВД с рециркулация
При оформяне на канала в тялото на винта, СВД имат относително малки диаметрални размери, но гайката е с увеличена дължина. А именно тя е определяща за големината на хода на предавката. Въпреки това, особено за по-големи диаметри на винта (над 16 - 20 mm), реномирани фирми произвеждат СВД с вътрешен рециркулационен канал.
Широко разпространение имат СВД с външен рециркулационен канал, оформен в тялото на гайката. Предлагат се и конструкции със сравнително малки габаритни размери, при които рециркулационният канал представлява отвор, преминаващ по цялата дължина на гайката. За да се свърже този отвор с резбата на гайката, от двете му страни се оформят специални канали или се вграждат вложки. Движението на сачмите в този случай не може да се раздели на няколко отделни потока. Произвеждат се и конструкции, при които се използва тръба, двата края на която съединяват началото и края на работния участък на винтовата линия, т. е. участъкът - запълнен със сачми. При влизането им в тръбата сачмите се направляват чрез отражатели с формата на винт посредством специално оформена вложка или чрез скосения край на тръбата. За да се улесни преминаването на сачмите, по дължината на гайката се поставят две или три тръби, с което движението им се разделя съответно на два или три потока. Този вид рециркулационни канали имат редица недостатъци, сред които по-големи радиални габаритни размери на гайката, поради излизането на тръбите извън нея. Това създава неудобства при вграждане. Друг недостатък е ненадеждното закрепване на тръбите. За избягването им, до известна степен, в конструкции, при които каналите са оформени върху външната повърхнина на гайката, краищата на канала се съединяват с резбата чрез отвори. Каналът се закрива чрез специална втулка (нарича се още чаша), която се поставя върху гайката, както и посредством капак. Техен недостатък е бързото износване на отражателите, които се използват за направляване на сачмите.
В зависимост от външната си форма, произвежданите гайки за СВД са със или без фланец. Той би могъл да бъде в края или в средата на гайката – виж фиг. 1. В някои каталози видът на гайката се определя в зависимост от броя на кръговете (потоците), по които циркулират сачмите и които се осигуряват при номинално натоварване. Добре е да се има предвид, че този брой е променлив и зависи от комбинацията диаметър/стъпка на резбата.
Друга конструктивна характеристика на СВД е
Начинът за регулиране на аксиалната (осовата) хлабина
Реализира се в зависимост от профила на резбата. При полукръгъл профил на резбата са необходими две гайки. Регулирането на аксиалната хлабина или получаването на стегнатост между подвижните елементи на СВД се постига чрез изменение на взаимното разположение на гайките, което се осъществява по два начина. Или чрез осовото им изместване при неизменно ъглово положение, или посредством относителното им ъглово завъртане при неизменно осово положение. За осъществяване на описаните начини се прилагат различни конструктивни решение на гайката на СВД. Сред тях са регулиране на осовото разстояние между полугайките с помощта на пластини или пружини, относителното им завъртане чрез зъбни венци с разлика в броя на зъбите Dz = 1; с червячна предавка, както и посредством специално приспособление. В някои конструкции СВД хлабината се регулира, като двете полугайки се завъртат една спрямо друга чрез последователното навиване и отвиване на специални винтове (фиг. 4).
При СВД с арковиден профил на резбата не са необходими две гайки, а регулирането на хлабината се постига чрез подбор на диаметрите на комплекта сачми.
Съображения при избора на СВД
Обикновено всеки производител на СВД предлага своя методика за изчисляване и избор на предавката. Те са описани в съответните проспекти, каталози и сайтове, където могат да се намерят и основните технически характеристики и параметри на произвежданите предавки.
Тъй като много от основните параметри на СВД са взаимно свързани, за правилния избор на подходяща предавка е необходимо да се уточнят работните условия. Сред тях са оборотите, линейната и ъгловата скорост, големината на ускоренията, както и изискванията към профила на резбата, точността на стъпката, необходимата дълготрайност, стабилност и други специфични изисквания.
В съвременната техника СВД имат все по-широко приложение – от винтово преместване, "транспортиране" с ниска точност до винтово позициониране със свръхвисока точност. По принцип, основните характеристики, по които се различават произвежданите конструкции СВД, са:
Точност на стъпката на резбовите канали – oт тази характеристика зависи степента на грешката, с която въртеливото движение на винта се преобразува в точно пропорционално постъпателно движение на гайката. Степента на точност на изработване на резбата и съответните допустими отклонения на размерите се задава стандартно - по ISO, DIN, а някои фирми-производители на СВД използват и свои вътрешни норми.
Аксиална хлабина или стегнатост. Хлабината се определя чрез големината на възможното изместване в аксиална посока на невъртящия се винт спрямо гайката. Стегнатостта може да се разглежда като негативна аксиална хлабина, въпреки че практически се характеризира чрез измерване на съпротивителния момент на празен ход. Той представлява въртящия момент, който е необходим за завъртане на единия елемент на предавката спрямо другия, без да е приложено аксиално натоварване.
Точността на стъпката на резбовите канали и аксиалната хлабина зависят от начина на изработване на винтовото стебло. По принцип високата точност на стъпката и нулевата аксиална хлабина (или стегнатост) са характерни за прецизните кинематични СВД и обясняват значително по-високата им цена. Ниската точност на стъпката и положителна аксиална хлабина са характерни по-скоро за валцувани винтови стебла и определят ниската цена на СВД.
Връзка между дълготрайността и натоварването. Определя се в зависимост от показателя „основна динамична товароносимост”. Този показател се изчислява от средното аксиално натоварване на винтовото стебло, което осигурява дълготрайност на елементите на СВД над 1 милион завъртания (оборота). Основната динамична товароносимост за отделен типоразмер, при зададен материал и технология на производството, зависи главно от формата на каналите, диаметъра на винтовото стебло, броя и размера на сачмите и начина на рециркулацията им. Следователно, ако се изискват високи дълготрайност и надеждност, следва да се избират СВД с параметри от основните конструктивни варианти, които са изпитани в експлоатация.
Материали за елементите на СВД
Сачмено-винтовите двойки се изработват с различна точност на стъпката на резбата - по ISO 3408 или по DIN 6905. За неотговорни приложения точността на стъпката съответства на 9 клас по ISO. Като базов клас на точност на стандартните предавки е приет 7 клас по ISO. Прецизните предавки, например с точност 5 клас, се произвеждат по поръчка.
Стандартните винтове на СВД се изработват от стомана, например 42CrMo4 (NF EN10083-1 и AFNOR) за диаметри над 16 mm, и от С45Е за диаметри по-малки или равни на 16 mm. Гайките се изработват от обемно закалена стомана 100 Cr6 – NFA 35.565 (подобна на AISI 52100) за диаметри по-големи от 20 mm и от въглеродна стомана за диаметри под 20 mm . Контактните повърхнини на винта и гайката се подлагат на повърхностно индукционно закаляване до твърдост 56 – 60 HRC. При специална клиентска поръчка детайлите могат да се произведат и от неръждаема стомана.
Освен сачмено-винтови двойки, в инженерната практика се използват и
Ролкововинтови двойки (РВД)
(Roller screw), при които търкалящите тела са ролки с различни размери и форми. Замяната на сачмите в СВД с ролки води до увеличаване на товароносимостта и стабилността на предавката. При това КПД се намалява с до 10-15%. Също така, двойките с резбови ролки могат да се изработват с по-малка стъпка в сравнение със СВД.
Ролкововинтовите двойки се характеризират с висока надеждност и голяма дълготрайност – над 10 години, при нормални условия на експлоатация. Използват се в преси, тежки подемни съоръжения, товарни и пътнически лифтове и др. Някои конструктивни варианти намират приложение в кормилното управление на автомобилите, в червячната ролкова предавка, при която червячното колело вместо зъби, има набор от ролки с еволвентно сечение, поставени на търкалящи лагери.
На фиг. 5 е показана ролкова разделена гайка. Работната част на всяка полугайка се състои от две ролки 2. Те са лагерувани на радиалноаксиални лагери и се въртят около неподвижна ос, като контактуват с профила на резбата на винта 1. Ако двете полугайки се съединят чрез пружина, осовата стегнатост може да се регулира с цел плавно предаване на движението.
На фиг. 6 е показана схема на РВД със сателитни ролки, които извършват планетно движение. За увеличаване на товароносимостта се използват резбови ролки със специален профил, който осигурява многоточков контакт между винта и ролката. В общия случай, винтът и гайката се изработват с многоходова резба, а ролките – с едноходова. Някои конструктивни решения по тази схема позволяват регулиране на предварителната стегнатост.
Логично, на най-голямо разпространение се радват произвежданите серийно конструкции РВД, които се предлагат като готови изделия. Техническите характеристики и геометричните параметри на произвежданите предавки по видове и типоразмери могат да се намерят в съответните проспекти, каталози и сайтове. Товароносимостта и ефективността им обикновено се определят по дадени номограми. Произвежданите от различни компании РВД имат следните технически характеристики:
l диаметър и дължина на винта - съответно над 5 mm до 30 m;
l скорост на преместване на водимото звено – до 100 m/min;
l честота на въртене на винта, в зависимост от размерите му – до 6000 min-1;
l за прецизните предавки, натрупаната грешка на стъпката на винта не превишава 5 микрометра при дължина 300 mm.
Вижте още от Механични системи
Новият брой 1/2025
