Шарико-винтовая передача движения

Принцип работы

Винт приводится во вращение от приводного электродвигателя, гайка закреплена неподвижно на рабочем органе станка (суппорт, каретка, шпиндельная бабка, люнет и так далее). При этом возникает осевая сила, действующая на шарики, размещенные внутри гайки, под действием которой они начинают катиться в замкнутых винтовых канавках. Сила реакции воздействует на гайку, а поскольку та жестко соединена с перемещаемой деталью, заставляет последнюю перемещаться по направляющим станка. В чем состоит отличие работы ШВП от обычной винтовой передачи с трапециевидной резьбой, которая ранее применялась на станках?

1. При вращении ходового винта прежней конструкции в зоне контакта двух деталей возникало трение скольжения, характеризующееся коэффициентом трения (бронза по стали, со смазкой) f = 0,07–0,1. В механизме с шариковыми элементами действует трение качения с коэффициентом f = 0,0015–0,006. Как видно из приведенных значений, винтовые шариковые передачи требует значительно меньшей мощности приводного двигателя.

2. Для точного позиционирования каретки или суппорта станка перед остановкой рабочего органа необходимо замедлять скорость его перемещения. По достижении определенного порога минимальной скорости возможны микроостановки — залипания — движущегося узла. В момент возобновления движения его характер определяется трением покоя, которое при скольжении значительно превышает трение движения. Из-за этого возникают рывки, ухудшающие точность позиционирования. При трении качения этот недостаток практически сводится к нулю.

Устройство и виды

В настоящее время имеется два основных устройства системы. Первый ее тип содержит неподвижную гайку и подвижный винт, а второй тип, наоборот, имеет подвижную гайку и неподвижный винт. К первой категории устройств можно отнести винтовой домкрат, а вторая группа используется, например, в ходовых винтах станков и в других устройствах.

Существует также несколько видов винтовых передач:

Система скольжения.
Система качения, характеризующаяся тем, что гайка имеет канавки, в которые помещаются шарики.
Планетарные роликовые передачи, считающиеся довольно перспективными, так как отличаются высокой точностью и жесткостью.
Волновой вид передачи, он отличается довольно малыми поступательными движениями.
Гидростатическая винтовая передача, характеризующаяся малой степенью трения, малым износом и довольно высокой точностью.

Функциональное предназначение и устройство

Вид профиля впадины винт-гайка: а) арочный контур б) радиусный контур

Цель рассматриваемого механизма состоит в том, чтобы преобразовать вращательное движение привода в прямолинейное перемещение рабочего объекта. Передача состоит из двух составных частей: ходового винта и гайки.

Винт изготавливается из высокопрочных сталей марок 8ХФ, 8ХФВД, ХВГ, подвергнутых индукционной закалке, или 20Х3МВФ с азотированием. Резьба выполнена в форме спиральной канавки полукруглого или треугольного сечения. В зависимости от условий работы винта профиль впадины может иметь несколько исполнений. Наиболее часто применяется арочный или радиусный контур.

Охватывающая деталь — гайка является составным узлом. Она имеет сложное устройство. Обычно представляет собой корпус, в котором расположены два вкладыша с такими же канавками, как и у ходового винта. Материал вкладных деталей: объемно закаливаемая сталь марки ХВГ, цементируемые стали 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18ХГТ. Вставки устанавливают таким образом, чтобы после сборки обеспечить предварительный натяг в системе винт-гайка.

Внутри винтовых канавок размещаются закаленные стальные шарики, изготовленные из стали ШХ15, которые при работе передачи циркулируют по замкнутой траектории. Для этого внутри корпуса гайки имеются несколько обводных каналов, выполненных в виде трубок, соединяющих витки гайки. Длина их может быть различной, то есть шарики могут возвращаться через один, два витка, или в конце гайки. Наиболее распространенным является возврат на смежный виток (система DIN).

Все о ШВП

Шариково-винтовая передача — разновидность линейного привода, трансформирующего вращательное движение в поступательное, которая обладает отличительной особенностью — крайне малым трением.

Вал (обычно стальной — из высокоуглеродистых видов стали) со специфической формы беговыми дорожками на поверхности выполняет роль высокоточного приводного винта, взаимодействующего с гайкой, но не напрямую, через трение скольжения, как в обычных передачах винт-гайка, а посредством шариков, через трение качения. Это обуславливает это высокие перегрузочные характеристики шарико-винтовой передачи и очень высокий КПД. Винт и гайка производятся в паре, подогнанными, с очень жесткими допусками, и могут быть использованы в оборудовании, где требуется очень высокая точность. Шариковая гайка обычно чуть более крупная, чем гайка скольжения — из-за расположенных в ней каналов рециркуляции шариков. Однако, это практически единственный момент, в котором ШВП уступает винтовым передачам трения скольжения.

Сфера применения шарико-винтовых пар

ШВП часто применяется в авиастроении и ракетостроении для перемещения рулевых поверхностей, а также в автомобилях, чтобы приводить в движение рулевую рейку от электромотора рулевого управления. Широчайший спектр приложений ШВП существует в прецизионном машиностроении, таком, как станки с ЧПУ, роботы, сборочные линии, установщики компонентов, а также — в механических прессах, термопластавтоматах и др.

История ШВП

Исторически, первый точный шариковый винт был произведен из достаточно малой точности обычного винта, на который была установлена конструкция из нескольких гаек, натянутых пружиной, а затем притерта по всей длине винта. Путем перераспределения гаек и смены направления натяга, погрешности шага винта и гайки могли быть усреднены. Затем, полученный шаг пары, определенный с высокой повторяемостью замерялся и фиксировался в качестве паспортного. Схожий процесс и в настоящее время периодически используется для производства ШВП.

Применение ШВП

Для того, чтобы шариковая пара отслужила весь свой расчетный срок с сохранением всех, в т.ч

точностных, параметров, необходимо уделить большое внимание чистоте и защите рабочего пространства, избегать попадания на пару пыли, стружки и прочих абразивных частиц. Обычно это решается путем установки гофрозащиты на пару, полимерной, резиновой или кожаной, что исключает попадание посторонних частиц в рабочую область. Другой метод состоит в использовании компрессора — подачи фильтрованного воздуха под давлением на винт, установленный открыто

Шарико-винтовые передачи благодаря использованию трения качения могут иметь определенный преднатяг, который убирает люфт передачи — определенный «зазор» между вращательным и поступательным движением, который имеет место при смене направления вращения

Другой метод состоит в использовании компрессора — подачи фильтрованного воздуха под давлением на винт, установленный открыто. Шарико-винтовые передачи благодаря использованию трения качения могут иметь определенный преднатяг, который убирает люфт передачи — определенный «зазор» между вращательным и поступательным движением, который имеет место при смене направления вращения

Устранить люфт особенно важно в системах с программным управлением, поэтому ШВП с преднатягом используются в станках с ЧПУ особенно часто.

Недостатки шарико-винтовых передач

В зависимости от угла подъема беговых дорожек, ШВП могут быть подвержены обратной передаче — малое трение приводит к тому, что гайка не блокируется, а передает линейное усилие в крутящий момент. ШВП обычно нежелательно использовать на ручных подачах. Высокая стоимость ШВП также фактор, который зачастую склоняет выбор машиностроителей в пользу более бюджетных передач.

Преимущества шарико-винтовых передач

Низкий коэффициент трения ШВП обуславливает низкую диссипацию и высокий КПД передачи — намного выше, чем у любых других аналогов. КПД самых распространенных шариковых пар может превышать 90% по сравнению с максимальными 50% для метрических и трапецеидальных ходовых винтов. Практические отсутствующее скольжение значительно увеличивает срок службы ШВП, что снижает простой оборудования при ремонте, замене и смазке частей. Все это в сочетании с некоторыми другими преимуществами, такими как более высокой достигаемой скоростью, сниженными требованиями к мощности электропривода винта, может быть существенным аргументом в пользу ШВП в противовес его высокой стоимости.

Возможности шприцевания и систем смазок

Шприцевание – это обработка консистентными (густыми) смазками при помощи рычажно-плунжерного шприца. Спецсмазка для ШВП, линейных подшипников – Mobilux EP 2 реализуется в удобной расфасовке – в шприцах по 20 г. В некоторых случаях удобен большой медицинский шприц с капиллярной трубкой.

На различных предприятиях сформированы различные подходы. Графитовой и молибденовой смазкой одна фирма прессует раз в месяц. А в ежедневном уходе используют МС-1000, смазку для подшипников DEPO. Доступные варианты – Mobil-XHP222 (его продажа – в автомагазинах), LGHP 2 и NLGI2.

Высококачественным маслом для обработки направляющих Mobil Vactra Oil (с классом вязкости ISO 32),смазывают и узлы станков. Оно устойчиво к окислению, имеет хорошую фильтруемость, поддерживая устойчивый поток жидкости в системе. Масла серии Mobil используют при контакте с чугуном, сталью, в сочетаниях неметаллических материалов.

Существует специальное устройство – система смазки станка чпу, которая предназначена для принудительной централизованной подачи смазки в ШВП или направляющие. Каждый смазанный узел имеет длительный срок эксплуатации.

Реализуются готовые комплекты для систем подачи смазки – ZLPM1-S1, ZLPM2-S1. В них рекомендуют использовать жидкое масло, имеющее вязкость 30-46. Со станком, который смазывается при помощи систем – можно браться за выполнение любых задач.

Критическая скорость вращения шарикового винта

Как и у любого торсионного вала, у шарикового винта есть критическая скорость, которая является гармоническим колебанием.
Постоянное вращение шарикового винта в диапазоне критической скорости сократит период эксплуатации, и может повлиять на производительность машины.
Критическая скорость является функциональной зависимостью диаметра,
длины шарикового винта и конфигурации монтажа. Осевой зазор гайки не оказывает влияние на критическую скорость n_k.

Операционная скорость не должна превышать 80% от критической скорости. Формула ниже для подсчета допустимой скорости n_kzyl учитывает
этот фактор безопасности 0,8.

,где

N_k – критическая скорость (число оборотов в минуту)

N_kzyl – рабочая скорость вращения (число оборотов в минуту)

α – фактор безопасности (=0,8)

E – модуль эластичности (E=2,06*105 Н/мм2)

l – геометрический момент инерции (мм2)

d₂ – диаметр стержня шарикового винта (мм)

γ – специфическая плотность материала (7,6*10 -5 Н/мм3)

g – постоянная величина земной гравитации (9,8*10 3 мм/с2)

А – поперечное сечение шарикового винта (мм2)

l_k – неподдерживаемая длина между двумя корпусами

f – фактор коррекции по монтажу

Плавающий – плавающий	λ=3.14	f=9.7
Жесткий – плавающий	λ=3.927	f=15.1
Жесткий – жесткий	λ=4.730	f=21.9
Жесткий – свободный	λ=1.875	f=3.4

Максимально допустимая скорость шарикового винта ограничена.

Для гаек SC/DC d*n_kzyl≤120 000

Для гаек CI, SK, SU/DU, SE d*n_kzyl≤90 000
, где d – центральный диаметр шпинделя,мм

Пожалуйста, свяжитесь с нашими инженерами, если требуемая скорость превышает DN,
или если шариковый винт используется на более высоких скоростях.

Типы гаек ШВП

Шариковые гайки бывают:

По методу создания резьбы – катанные и шлифованные. В 1 случае резьба наносится по методу холодной накатки, а во 2-м – по технологии нарезки и многоэтапной шлифовки. Шлифованные изделия обеспечивают более высокую точность позиционирования, но и цена у них выше.
По типу конструкции – состоящие из 1-й или 2-х частей.
С фланцем и без фланца.
Подвижные и неподвижные – в зависимости от места крепления подвижного узла (на гайке или на винте).
С шагом резьбы в диапазоне 1,5–50 мм. При большом шаге резьбы выше скорость, но ниже точность позиционирования, и есть риск самопроизвольного движения гайки.
Разных классов точности – от С0 до С10, в зависимости от погрешности позиционирования гайки при ее движении вдоль винта (3,5–50 мкм).
По назначению – транспортные и прецизионные, в зависимости от обеспечиваемой точности позиционирования. Транспортные модели используются в прессах, подъемниках и другом оборудовании, не требующем высокоточного позиционирования. В остальных случаях, включая медоборудование и станки с ЧПУ, используются винты и гайки ШВП прецизионного типа.
В зависимости от рабочих условий – модели с зазором и с преднатягом. Для устранения зазора по оси, повышения жесткости и получения более точных перемещений ШВП с зазором собираются с предварительным натягом. Он реализуется использованием шариков увеличенного диаметра или установкой в общем корпусе 2-х гаек с дальнейшим осевым смещением и возможностью регулировки натяга.
По типу передачи шариков – стандартные, нестандартные и высокоскоростные. В стандартных гайках происходит внутренняя передача шариков в гнезде или рессоре передачи. В нестандартных моделях реализована наружная передача шариков в перепускном канале. Для высокоскоростных гаек характерна особая конструкция торцевых крышек, и шарики перекатываются по продольному аксиальному отверстию.
По размерам гайки ШВП бывают стандартной, миниатюрной и скоростной серии.

Шариковые винтовые передачи (ШВП) SBC

Шариковая винтовая передача – наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами).

Функционально ШВП (шарико-винтовая передача) служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот). ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.

Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Каналы возврата выполняются в специальных вкладышах, которые вставляются в соответствующее окно гайки, по числу рабочих витков.

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте свой виток, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются в исходное положение на тот же или на соседний (в зависимости от конструкции) виток. Для передач с многозаходной резьбой применяется особый тип исполнения гайки.

Число рабочих витков в ШВП обычно составляет от 1 до 6. Большее число витков применяется только в сильно нагруженных передачах, например, тяжелых станков.

Основные достоинства шариковинтовой передачи:

малые потери на трение;
высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
размерное поступательное перемещение с высокой точностью;
высокое быстродействие;
плавный и бесшумный ход.

К недостаткам шариковинтовой передачи можно отнести:

сложность конструкции гайки;
ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности);
ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);
высокую стоимость (исполнения с шлифованным винтом).

Высокоточные ШВП (шарико-винтовые передачи) производства SBC

SBC Linear Co., Ltd (Сеул, Корея) – крупнейший азиатский производитель систем и компонентов линейных перемещений.

Продуктовая линейка компании включает рельсовые направляющие качения, цилиндрические линейные направляющие и линейные подшипники, линейные модули, системы роликовых направляющих и т. д. Отдельную товарную группу составляют высокоточные шлифованные ШВП и катаные ШВП, изготовленные по PSF-технологии.

SBC выпускает 4 серии шариковинтовых передач, которые различаются по конструкции гайки и шагу винта*, точности исполнения и доступным типоразмерам.

Серия STK. Диаметр винта – от 16 до 80 мм. Стандартный шаг винта – 5 мм (с увеличением диаметра винта возрастает до 10 мм и до 15 мм). Прецизионная фланцевая гайка. Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия SLK. Диаметр винта – от 16 до 62,5 мм. Фланцевая гайка с шагом от 10 до 40 мм в зависимости от типоразмера. Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия ZG. Диаметр винта – от 16 до 80 мм. Безфланцевая гайка с метрической резьбой по внешней поверхности. Стандартный шаг винта – 5 мм (с увеличением диаметра винта возрастает до 10 мм и до 15 мм). Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия MBS. Диаметр винта – от 6 до 12 мм. Фланцевая гайка с коротким шагом (от 1 до 5 мм). Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Максимальная длина винта для всех ШВП – 6 метров. Винты поставляются с предварительно обработанными концами (на выбор предлагаются несколько стандартных типов высокоточной обработки). Для нестандартных решений возможна обработка концов по ТЗ заказчика.

Для монтажа ШВП в машину или механизм предусмотрен достаточно большой выбор концевых опор, в т. ч. на подшипниках.

Все данные для расчета технических параметров и методика подбора ШВП для конкретных условий приведены в каталоге продукции.

ШВП (шарико-винтовые передачи) производства SBC рекомендованы к использованию в следующих отраслях промышленности:

точное машиностроение;
станкостроение;
приборостроение;
медицинская техника;
подъемно-транспортное оборудование;
научное и лабораторное оборудование;
упаковочное оборудование;
оборудование для пищевой промышленности;
оборудование для химической промышленности.

*Шаг винта – перемещение по оси (в мм), которое гайка совершает за один оборот.

Документация по ШВП

ШВП, опоры, обработка концов 07.02.2021

Обслуживание

Своевременное обслуживание любой техники в соответствии с рекомендациями ее производителя обеспечит ее нормальное функционирование, паспортную производительность и выработку планового ресурса.

Обслуживание разбивается на несколько видов

текущее обслуживание;
диагностика;
планово-предупредительный ремонт;
внеплановый ремонт;
аварийный ремонт.

При условии проведения текущего обслуживания и планово-предупредительных ремонтов в соответствии с графиками удается значительно снизить риски выхода оборудования из строя.

Диагностика проводится с заданной периодичностью и призвана выявить негативные изменения в работе оборудования на ранней стадии и минимизировать потери времени и средств на внеплановые ремонты.

Обслуживание зубчатых передач заключается в их своевременной смазке.

Для ременных необходимо периодическое восстановление силы натяжения ремня.

Диагностика проводится как методом визуального осмотра, таки измерением температуры, уровня шума и вибрации, ультразвуковым и рентгеновским просвечиванием механизма без его разборки.

Обслуживание зубчатого механизма

Шариковые винтовые передачи (ШВП) SBC

Шариковая винтовая передача – наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами).

Функционально ШВП (шарико-винтовая передача) служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот). ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.

Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Каналы возврата выполняются в специальных вкладышах, которые вставляются в соответствующее окно гайки, по числу рабочих витков.

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте свой виток, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются в исходное положение на тот же или на соседний (в зависимости от конструкции) виток. Для передач с многозаходной резьбой применяется особый тип исполнения гайки.

Число рабочих витков в ШВП обычно составляет от 1 до 6. Большее число витков применяется только в сильно нагруженных передачах, например, тяжелых станков.

Основные достоинства шариковинтовой передачи:

малые потери на трение;
высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
размерное поступательное перемещение с высокой точностью;
высокое быстродействие;
плавный и бесшумный ход.

К недостаткам шариковинтовой передачи можно отнести:

сложность конструкции гайки;
ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности);
ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);
высокую стоимость (исполнения с шлифованным винтом).

Высокоточные ШВП (шарико-винтовые передачи) производства SBC

SBC Linear Co., Ltd (Сеул, Корея) – крупнейший азиатский производитель систем и компонентов линейных перемещений.