С появлением промышленного производства винтовые передачи стали широко применяться в технике, в частности для перемещения суппортов металлорежущих станков. Развитием винтовых механизмов стали шарико-винтовые передачи (ШВП). Их появление обусловлено созданием нового поколения металлорежущего оборудования - станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

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).

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.

Быстроходные или скоростные ШВП

Быстроходный ШВП

Увеличение скорости перемещения гайки относительно винта достигается за счет увеличения шага между канавками, по сравнению со стандартным винтом в 3-5 раз, у обычной ШВП передачи диаметра 16-32мм шаг составляет 5-10мм, у скоростной тех же диаметров — 16-32мм и кратна диаметру винта.

За счет увеличения скорости перемещения — потери в жесткости и максимальной нагрузки на передачу (большей степени) и точности (в меньшей степени).

Классификация

По технологии изготовления ходовые винты бывают:

• Катаные - с винтовой канавкой, получаемой методом холодной прокатки. Эти винты производятся с меньшими затратами, поэтому обладают лучшим соотношением цена-качество при средней точности изготовления (C5, C7, C9).
• Шлифованные - относятся к прецизионным изделиям. После нарезания резьбы и последующей термообработки подвергаются шлифованию. Имеют повышенную точность (C1, C3, C5) и более высокую цену.

По конструкции:

• Шарико-винтовые - изготовленные согласно стандарту DIN. Шарики возвращаются в смежную канавку по желобу отражателя, встроенного в гайку.
• Прецизионные - изготавливаются шлифованием. Могут состоять из одной или двух гаек, иметь предварительный натяг (преднатяг) - устранение осевого зазора с целью повышения точности при реверсах и увеличения жесткости привода.
• Прецизионные с сепаратором - отличаются конструкцией возврата шариков (отсутствует соударение) и шлифованным профилем канавки.
• Прецизионные с вращающейся гайкой имеют встроенный подшипник, благодаря чему имеют повышенную точность перемещения.
• Шлицевый вал с шариковыми втулками фланцевого исполнения. При этом вал выполняет функцию внутреннего кольца подшипника. Эта конструкция отличается компактностью и простотой монтажа.
• Консольное исполнение винта . Применяется для коротких ходовых винтов, не имеющих второй поддержки.

Технические характеристики ШВП

Основные параметры:
• Диаметр и шаг винта - от 16 × 2,5 до 125 × 20 мм.
• Длина винтового стержня. Ходовые винты для станков с ЧПУ обычно выпускаются с максимальной длиной 2,0–2,5 м, хотя под заказ изготавливают и до 8 метров.
• Линейная скорость перемещения - до 110 м/мин.
• Точность передачи - C1…C10.

Силовые характеристики для некоторых типоразмеров приведены в таблице:

Силовые параметры шарико-винтовых передач
Диаметр × шаг, мм	Грузоподъемность, Н		Осевая жесткость, Н/мкм
	Статическая	Динамическая	Корпусных ШВП	Бескорпусных ШВП
16 × 2,5	9600	5000	—	230
32 × 5	37500	17710	700	760
50 × 10	112500	57750	1000	1100
80 × 10	197700	66880	1700	1900
125 × 20	729000	278000	—	2850
Примечание: осевая жесткость указана для класса точности C1.

Установка передачи

Выбор ШВП для конкретного оборудования производится в процессе конструкторской разработки, а именно на стадии эскизного проектирования - после того как будут определены величина хода стола и необходимое усилие на винте. Затем уточняют техническое решение:

• В зависимости от необходимой степени точности привода выбирают между обычной и прецизионной передачей.
• Определяют конструктивный вариант гайки: одинарная, двойная, способ возврата шариков, наличие подшипника и другое. Одинарная гайка дешевле, но в случае износа требует замены, сдвоенную можно регулировать путем подшлифовки компенсатора. Система рециркуляции шариков с помощью трубок несколько увеличивает стоимость гайки, однако допускает возможность ремонта изношенных каналов путем замены обводных трубок.
• Решают - требуется или нет поддержка свободного конца винта.
• Уточняют характер соединения корпуса гайки с перемещаемым узлом, а также ведущего конца ходового винта с электромеханическим приводом. Производят динамический расчет, в случае необходимости вносят изменения в конструкцию.
• Закончив сборку станка, производят испытания всех узлов, в том числе и шарико-винтовой передачи, согласно методике испытаний.

Область применения

ШВП получили широкое распространение во многих отраслях промышленности: станкостроение, робототехника, сборочные линии и транспортные устройства, комплексные автоматизированные системы, деревообработка, автомобилестроение, медицинское оборудование, атомная энергетика, космическая и авиационная промышленность, военная техника, точные измерительные приборы и многое другое. Несколько примеров использования этих узлов:

• Приводы подач станков с ЧПУ. Первый серийно выпускаемый в СССР обрабатывающий центр ИР-500 имел 3 координаты обработки. Современные системы содержат значительно большее количество линейных приводов. Например, многошпиндельные автоматы продольного точения Tornos серии MULTI SWISS имеют 14 управляемых осей.
• Перемещение поршня-рейки рулевого механизма автомобилей (МАЗ, КАМАЗ, Газель).
• Вертикальное перемещение каретки производственного 3D-принтера VECTORUS серий iPro и sPro.

Производители:

• Steinmeyer (Германия);
• SKF (Швеция);
• MecVel (Италия);
• THK (Япония);
• SBC (Корея);
• HIWIN (Тайвань).

Обзор на специфический товар: комплекта ШВП типа SFU1605-1000 в качестве элементов передач ЧПУ станка.
В обзоре будет краткая информация о том, что такое ШВП и как ее применять

Собственно говоря, при попытке рассчитать и построить любительский ЧПУ станок (фрезер) своими силами столкнулся с тем, что у нас либо дорогие комплектующие для станков, либо не совсем то, что нужно. А конкретно, была проблема с приобретением ходового винта или ШВП в качестве элементов передачи по осям станка.

Существуют следующие типы передач для ЧПУ:

1. ременные применяются вместе с шестернями в основном для лазеров, так как у лазера легкая «головка»
2. зубчатые . Это прямозубые или косозубые зубчатые рейки и шестерни для перемещения по ним
3. ходовые винты бывают типа Т8 (в основном используются в 3Д принтерах и других малогабаритных станках), типа TRR, например TRR12-3 с POM-гайкой (пластиковой).
4. шарико-винтовые передачи - это винт и гайка к нему. В гайке есть специальные подшипники, которые перемещаются по каналу внутри гайки.

Как правило, выбирают с учетом нагруженности (масса передвигаемого портала/оси) и влиянию люфта. В ШВП люфт меньше за счет подшипников, они считаются точнее и предпочтительнее, но при этом достаточно дороги для самоделок.

Цитата с

Винтовая передача - механическая передача, преобразующая вращательное движение в поступательное, или наоборот. В общем случае она состоит из винта и гайки....

один из основных типов: шариковинтовая передача качения (ШВП).

Шарико-винтовая передача (далее ШВП) - это более надежный аналог ходового винта, но вместо латунной гайки (или пластиковой как для винтов типа TRR-12-3, как у меня на старом проекте) предназначена специальная гайка с шариками, которые входят в зацепление с винтом ШВП, выбирают весь люфт и одновременно снижают трение. Для самостоятельной сборки станка ЧПУ или 3Д принтера на ШВП потребуется винт ШВП, гайка к нему, муфта крепления к двигателю и подвесные подшипники.

Вот небольшой рендер из интернета. Хорошо видно, как шарики распределены по винту. Аналогично Т8, винт ШВП имеет резьбу в несколько заходов.

Для станка ЧПУ нужно было для оси Y два комплекта ШВП на 1000 мм, и для X оси: 600 мм.
ШВП получил курьерской почтой. Это не дорогой вариант, учитывая вес посылки (около 8 кг).


Упаковка представляет собой длинную узкую коробку, внутри картонной упаковки есть упаковка типа синтетического мешка, очень прочный материал. Аккуратно распаковываем. Внутри всем знакомая bubble-wrap, то есть пупырчатая пленка, которая защищает товар от механических воздействий.


Убираем пленку. В посылке было три комплекта ШВП: винт+гайка, разного размера. Два комплекта предназначены для перемещения портала станка по оси Y, третий короткий комплект для оси X.


Все комплекты завернуты в ингибиторную зеленую пленку, которая препятствует попаданию влаги. Плюс присутствует изрядное количество смазки на поверхности товара.


В этом комплекте я доплачивал за оконцовку одного комплекта на 600 мм (так вышло дешевле). Оконцовку (machined) заказывал отдельно у этого же продавца (у него есть такая услуга в каталоге), стоило по 1 баксу за каждый конец винта. Хороший вариант для тех, кто берет винты в конкретный размер.


Вот что представляет собой «оконцовка». Это обтачивание винта 16.05 мм до диаметра 12 мм для установки в подвесной подшипник, далее резьбовая часть для фиксации винта, затем обтачивание до 10мм для зажимания конца в эластичную муфту двигателя


Посылка дошла в целости и сохранности, курьерская доставка это не почта России. Прикладывал линейку в разных местах, чтобы найти искривление. Не нашел, ШВП ровные. Остальное покажет установка и использование.


Фото резьбовой части винтов


Внешний вид комплектов


И еще. Гайки пришли уже накрученные на винт… Шарики засыпаны внутри, есть смазка. Просите при заказе запасные шарики, хотя бы несколько.


Далее начинаем проверять размеры винтов. Короткий на 600 мм. То есть в эти 600 входит резьбовая часть с обоих сторон. Реальный ход по осям станка получится меньше.
Обратите внимание , что в лоте размер указан для винта ШВП вместе с резьбой и обточенными концами, то есть рабочий ход по ШВП будет меньше, чем ее длина! А конкретно на 65 мм меньше.


Второй и третий винты ШВП на 1000 мм


Диаметры резьбовой части соответственно 1605


посадочные места под подшипники 10 и 12 мм соответственно.


И с другой стороны под подшипник. Диаметр самой гайки SFU1605 равен 28 мм.


Если снять с гайки пластиковую заглушку, то можно обслужить ШВП, смазать или поменять шарики. Проверяю, что все в наличии))))


Собственно говоря, можно снять гайку, протереть ее, заново смазать ее, загрузить шарики обратно. Пластиковая крышка крепится потайным винтом под шестигранник 2.5 (его видно вверху).

Для установки ШВП в станок потребуются подвесные подшипники типа BK12+BF12 (прямые) или FK12+FF12 (фланцевые), эластичная муфта 6.35*10mm для подключения к двигателю типа NEMA23 с одной стороны (6.35мм) и к концу ШВП с другой (10 мм).

Внешний вид комплекта оси в сборе: подшипники BK12, BF12, стопорное кольцо, гайка для фиксации винта, держатель гайки SFU1605, муфта для двигателя и сам винт с гайкой.


Размеры ШВП для тех, кто собирается приобрести или проектирует механику станка


И отдельно для SFU1605


Внешний вид гайки SFU1605

Внешний вид подшипников (слева) и подшипников с фланцем (справа). Отличаются способом установки на раму.

Гайка ШВП крепится через специальный корпус-переходник. , алюминиевый

Для монтажа на одну ось (у меня по две на ось для Y стоит) потребуется:

• 1 x винт SFU1605-1000mm;
• 1 x подшипник BK12;
• 1 х подшипник BF12;
• 1 x муфта двигателя 6.35x10mm
• 1 x стопорное кольцо
• 1 x гайка.

В сборе это выглядит следующим образом:


Через отверстия на подшипнике крепим на профиль/раму станка. Для подшипников FK12/FF12 все аналогично, только крепить из надо фланцем к отверстию под ШВП. Смысл не меняется.

Теперь немного видео, поясняющего принцип работы ШВП. Обратите внимание на перемещение шариков (по встроенному каналу внутри гайки).

А вот так происходит накатка резьбы на винты ШВП

Обработка концов винта ШВП (то, что я называл «machined»). У нас за такую операцию просят 600....1000р, в Китае $1.

Следующие фотографии дают общее представление о использовании ШВП в конструкции станка ЧПУ.


Вот фото самодельного станка, в котором ШВП зафиксированна неподвижно, а вращается гайка с помощью ременного привода и шестерни

В итоге, ШВП является более дорогим и надежным вариантом передач для станков, подходит для перемещения тяжелых порталов с высокой точностью. В зависимости от веса и конструкции станка можно применять SFU1205, SFU1605/1610, SFU2005/ 2010 или еще более массивную SFU2505/2510.
Обзор понравился +107 +213

Лекция 21 ПЕРЕДАЧИ ВИНТ-ГАЙКА КАЧЕНИЯ

План лекции

1. Общие сведения.

2. Устройство и принцип работы шариковинтовых передач.

3. ШВП с предварительным натягом.

4. Расчет шариковинтовой передачи.

1. Общие сведения

Передача винт–гайка качения – винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами. Наиболее широко применяют шариковые винтовые передачи (ШВП).

В шариковых винтовых передачах на винте и в гайке выполнены винтовые канавки (резьба) криволинейного профиля, служащие дорожками качения для шариков, размещенных между витками винта и гайки.

Достоинства шариковинтовой передачи: малые потери на трение, высокая несущая способность при малых габаритах, возможность реализации равномерного поступательного перемещения с высокой точностью, высокое быстродействие, значительный ресурс. ШВП могут быть легко приспособлены для работы с электрическими, гидравлическими и другими приводами.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции гайки, необходимость высокой точности изготовления и хорошей защиты передачи от загрязнений.

Применение. Шариковинтовые передачи применяют в исполнительных механизмах, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика и др.). Перспективным считается создание и использование мехатронных узлов перемещения, включающих в свою структуру помимо передачи винт-гайка качения также приводной электродвигатель и элементы управления.

Резьбы , применяемые в ШВП, изготовляют с криволинейным профи-

лем: полукруглым (рис. 21.1, а ) и «стрельчатая арка » (рис. 21. 1, б ). Наи-

большее распространение получила резьба с полукруглым профилем, позволяющая создавать конструкции ШВП с регулируемым натягом.

d а)

D w R

2. Устройство и принцип работы шариковинтовых передач

При вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и, выкатываясь из резьбы, че-

рез перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положе-

ние. Таким образом, перемещение шариков происходит по замкнутой внутри гайки траектории. Наиболее распространена конструкция ШВП, в которой

канал возврата соединяет два соседних витка (рис. 21.2). Число i в ра-

бочих витков в гайке от 1 до 6.

В станкостроении применяют трехвитковые гайки (i в = 3). Перепускной канал выполняют в специальном вкладыше 1 (рис. 21.2), который вставляют в овальное окно гайки. В трехвитковой гайке предусматривают три вкладыша, расположенные под углом 120° один к другому и смещенные по длине гайки на один шаг резьбы по отношению друг к другу. Таким образом, шарики в гайке разделены на три (по числу рабочих витков) независимых группы. При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте путь равный длине одного витка, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются обратно в исходное положение на тот же виток гайки. Конструктивно ШВП с вкладышами имеют минимальные радиальные размеры, в них отсутствуют детали

типа отражателей, а канал возврата имеет минимальную длину, что облегчает проталкивание шариков. Однако такая конструкция неприменима для передач с многозаходной резьбой.

Гайки с большим числом i в витков применяют в тяжелонагруженных передачах крупных станков.

Основные характеристики ШВП. Стандартизованы шарико-

винтовые передачи, применяемые для комплектации металло- и деревообрабатывающих станков, промышленных роботов, кузнечно– прессового оборудования.

Грузоподъемность. В каталоге приведены значения базовых I статической осевой С оа и динамической осевой С а грузоподъемностей шариковинтовых передач с трехвитковыми гайками.

Базовая статическая грузоподъемность Соа – статическая центральная осевая нагрузка в Н, которая соответствует расчетному контактному напряжению в зоне контакта шарика и дорожки качения, равному 3 000 МПа. Возникающая при этих контактных напряжениях общая остаточная деформация тела качения и дорожки качения приблизительно равна 0,0001 диаметра тела качения.

Базовая динамическая осевая грузоподъемность Са – постоянная цен-

тральная осевая нагрузка в Н, которую шариковинтовая передача теоретически может воспринимать при базовом расчетном ресурсе, составляющем один миллион оборотов винта и соответствующем 90%-ной надежности передачи.

В общем случае необходимая точность изготовления элементов пере-

дачи – винта, гайки, шариков – обусловлена требуемыми с точностью перемещения ведомого звена, плавностью движения, постоянством натяга, постоянством движущего момента и др.

Кинематическую точность ШВП характеризуют кинематической погрешностью винтовой пары – разностью между действительным и номинальным осевыми перемещениями одной из сопряженных деталей винтовой пары в их относительном движении. В соответствии с допускаемыми значениями кинематической погрешности установлены 10 классов точности ШВП.

Радиальный зазор между винтом и гайкой до создания предварительного натяга регламентирован для стандартизованных ШВП с полукруглым профилем. Радиальный зазор измеряют при смещении в радиальном направлении собранной гайки под действием силы, превышающей силу тяжести гайки в 1,5 – 2 раза.

Осевая жесткость – отношение осевой силы, приложенной к гаечной группе, к осевому перемещению ее корпуса относительно винта при условии, что винт не проворачивается.

Момент холостого хода замеряют в контролируемой передаче, установленной в центрах стенда, при вращении винта с частотой 100 мин -1 .

Числовые значения основных характеристик регламентированы отраслевыми стандартами.

Материалы винта, гайки и тел качения должны обеспечить твердость рабочих поверхностей не ниже 61HRC. Винты изготовляют из сталей: марки ХВГ с объемной закалкой, марки 8ХВ с закалкой при индукционном нагреве, марки 20ХЗМВФ с азотированием. Для гаек применяют стали марок ШХ15, ХВГ с объемной закалкой и цементуемые стали марок 18ХГТ, 12ХНЗА. Шарики изготовляют из хромистых сталей марок ШХ15, ШХ20СГ.

Полость гайки при сборке заполняют пластичным смазочным материалом марок ЦИАТИМ–01 или ЦИАТИМ–203.

ШВП в зависимости от условий работы и предъявляемых к ним требо-

ваний подразделяют на передачи с зазором и передачи с натягом. Во первых осевой зазор всегда выбирается в одну сторону вследствие действия осевой силы: силы тяжести груза, силы сопротивления перемещаемого узла и т. п. Во вторых зазор устраняют при сборке предварительным нагружением элементов передачи осевой силой, обеспечивающей необходимую осевую жесткость.

3. ШВП с предварительным натягом

С целью устранения осевого зазора в сопряжении винт–гайка и повышения тем самым осевой жесткости и точности перемещения I Ц1ВП собирают с предварительным натягом. Созданием предварительного натяга не только устраняют зазоры, но и усредняют периодические ошибки шага винта, стабилизируют положение оси гайки относительно оси винта. Конструктивно натяг осуществляют: для профиля «стрельчатая арка» – подбором шариков несколько большего диаметра; для полукруглого профиля – установкой двух гаек, размещенных в одном корпусе, с последующим относительным их осевым смещением. Конструкция с двумя гайками обеспечивает возможность регулирования натяга. Относительное смещение гаек осуществляют установкой прокладок между ними или их относительным угловым поворотом.

Рассмотрим пример конструкции ШВП с регулированием натяга относительным поворотом гаек (рис. 21.3). Соединение гаек с корпусом выполнено зубчатыми муфтами 7 и 2, у которых наружные зубья нарезаны на флан-

цах гаек, а внутренние – в корпусе. Числа зубьев z 1 и z 2 муфт отличаются на единицу, что позволяет поворачивать гайки одну относительно другой на малый угол, осуществляя осевое смещение на очень малую величину.

Поворот гаек выполняют вне винта на специальной оправке – трубе с

наружным диаметром, равным внутреннему диаметру d 3 резьбы винта по впадинам, после чего гайки вместе с корпусом навинчивают на винт.

Если число зубьев на фланце одной из гаек z 1, а на фланце другой (z 1 +1), то поворот обеих гаек в одну сторону на k зубьев приводит при шаге Р к их осевому смещению Рk /.

Например, при z 1 = 92, Р =10 мм и k =1 имеем ∆ =1,2 мкм.

Основные геометрические соотношения

Основные геометрические параметры шариковинтовой передачи

(рис. 21.1, 21.4): d 0 – номинальный диаметр резьбы; Р – шаг резьбы α – угол контакта (α = 45°); z - число заходов резьбы (обычно z = 1).

Основные параметры полу, круглого профиля резьбы (размеры в

Диаметр шарика: D w 0,6P
Внутренний диаметр резьбы винта:	d 3 d 0 1,012D w
Наружный диаметр резьбы винта:	d = d0 - 0,35Dw ;
Радиус шарика:	R w = D w / 2;
Радиус профиля резьбы:	R np = (1, 03 – 1, 05)R w ;
Смещение центра радиуса профиля:	С = (R np – R w )sin α ;
Диаметр качения по профилю винта:	d кв		D w cosα ;
Диаметр качения по профилю
	d кг		D w cosα ;
Угол подъема резьбы на	ψ arctg Рz /(πd кв )
диаметре d к в , °:

R пр

	R пр
	45о	кв 0
	Ось винта

Число рабочих шариков в одном витке с каналом возврата во вкладыше

z раб z ш z в ,

где z в – число шариков в канале возврата, z в = 3PID w .

Расчетное число шариков в одном витке гайки с учетом неодинакового их нагружения вследствие погрешностей изготовления элементов передачи и неравномерности распределения нагрузки между витками

z p = 0,7z pa6 = 0,7(z ш - 3Р/D w )

Коэффициент трения качения

Трением качения называют сопротивление, возникающее при перека-

тывании одного тела по другому. Комплекс явлений, вызывающих трение качения, достаточно сложен. В технических расчетах применяют в основном данные экспериментальных исследований. Опыты показывают, что сопротивление перекатыванию зависит от упругих свойств материалов, шероховатостей и кривизны соприкасающихся поверхностей, значения прижимающей силы. На преодоление сопротивлений при перекатывании тел затрачивается работа, обусловливаемая в основном деформированием сопряженных поверхностей.

При перекатывании, например цилиндра по плоскости, можно выделить два участка площадки контакта (рис. 21.5). Участок С 2 находится в зоне нарастающих деформаций (в зоне нагрузки), участок С 1 – в зоне исчезающих деформаций (в зоне разгрузки). Наличие внутреннего трения в материале приводит к необратимым потерям энергии – упругому гистерезису. Это явление называют несовершенной упругостью , поэтому распределение напряжений по всей площадке контакта несимметрично максимуму и смещено в сторону Движения на величину f k (рис. 21.6), которую называют плечом силы трения качения или коэффициентом трения качения и измеряют в миллиметрах. Таким образом, при качении необходимо преодолеть некоторый момент – момент трения качения.

F тр

F тр

Шариковинтовые передачи работают в условиях трения качения, реализуемого при взаимодействии резьб винта и гайки через тела качения – шарики. Рассмотрим качение шарика, находящегося между двумя плоскостями и нагруженного силами F n (рис. 21.7).

Движение одной из плоскостей со скоростью v вызывает качение шарика: перемещение центра шарика со скоростью v /2 и вращения относительно центра с угловой скоростью ω = v/ (2R w ). Для качения нагруженного шарика по сопряженным плоскостям необходимо преодолеть момент сопротивления качению, обусловленный силами трения F w в контакте. По общему

определению сила трения есть произведем нормальной к поверхности силы F n на коэффициент трения f или на тангенс угла трения р : F тр F n f F n tgρ .

Из условия равновесия шарика под воздействием внешних моментов следует:

2 Frp Rw =2 Fn fк .

Отсюда (см. также рис. 21.6)

f к R w F тр / F n R w tgρ
		F тр
	F тр

Момент сопротивления качению шарика в рассматриваемых условиях

Т ш 2 F тр R w 2 F n f к 2 F n R w tgρ F n D w tgρ .

Для шариковинтовой передачи с числом i в витков и расчетным числом z p шариков в каждом витке момент сопротивления вращению может быть вычислен по зависимости

Т iв zр Fn Dw tgρ ,

где ρ arctg(f к / R w ) обычно принимают f к = 0,010– 0,012 мм.

Силу F n , действующую по нормали к площадке контакта, определяют расчетом, а угол трения ρ принимают по приведенным выше (рекомендациям или по результатам специально выполненного эксперимента.

Момент сопротивления вращению является основной величиной. характеризующей потери на трение в шариковинтовой передаче.

Силовое взаимодействие в ШВП и расчет потерь на трение

Передача с зазором. Рассмотрим случай нагружения винта вращающим моментом Т и осевой силой F a сопротивления перемещению гайки (рис. 21.8). Силовое взаимодействие между шариком и винтом происходит в т. K

на винтовой линии, обозначенной штрихами. На основном виде (т.е. в плоскости, параллельной оси винта, рис. 21.8, а ) показаны вектор силы трения F ТР , направленный по касательной к окружности качения диаметром d кв , и проекция F n sinα вектора нормальной к площадке контакта силы F n , перпендикулярная винтовой линии. Вектор силы F n показан в плоскости А-А , перпендикулярной винтовой линии рис. 21.8, б.

При этом плоскость качения совпадает с плоскостью Б-Б.

Силовое взаимодействие в точке контакта K удобно представить в виде параллелепипеда, построенного на векторах сил (рис. 21.9).

F тр

Исходными для рассмотрения являются нормальная сила F

Ось винта

Полная реакция R n (KC ) точке контакта равна геометрической сумме векторов сил F n (KD) и F тр (KB ). Вектор силы R n также расположен в плоскости качения KBCD.

В плоскости KBEF, параллельной оси винта, отклонения вектора результирующей силы R (KE ) от плоскости KFDC перпендикулярной винтовой линии, составляет угол ρ

	KÂ / ÊF F òð /(F n sinα)
tgρ

Выразив силу трения F тр из (21.3) и подставив в (21.4), получим tg ρ F n tgρgρ/n sinα) tg ρ / sin α

Обычно величину ρ называют приведенным углом трения

ρ = arctg(tg ρ /sina).

Тогда для результирующей R (KE ) сил взаимодействия в плоскости KBEF, параллельной оси винта, можно записать

R = F n sinα / cosρ .

С другой стороны, результирующая сила R(KE) (рис. 21.8, 21.9) может

быть представлена в виде проекций F o и F t соответственно в правлении оси винта и в перпендикулярном оси винта направлении (рис. 21.10)

F 0 R cos(ψ ρ) F n sin cos(ψ ρ)/cosρ , F t R sin(ψ ρ) F n sin sin(ψ ρ)/cosρ .

Сумма сил F 0 на всех шариках должна уравновесить внешнюю осевую силу F a , а сумма произведений сил F t , на плечо d кв /2 – вращающий момент Т

F a i в z р F n sinα cos(ψ ρ1 ) / cosρ ,
T i в z р F 1 d кв / 2 i в z р F n sinαsin(ψ ρ1 )d кв /(2cosρ) .

Одной и отличитлеьных черт токарных станков с ЧПУ считаю очень частое выполнение операци програмной нарезки резьбы. То есть нарезание резьбы выполняется с помощью резцов и при этом обороты шпинделя строго согласуются с перемещениями координат. И именно здесь важно иметь правильно отрегулированые и исправные ШВП.

ШВП демонтируется со станка. Дальнейшую очистку и разборку необходимо проводить в мастерской. После промывки следует произвести дефектовку поверхностей качения гаек ШВП и самого винта ШВП, а также просмотреть шарики на предмет сколов.

В случае необходимости заменить полугайки и шарики. Причем шарики необходимо менять сразу все. Недопустимо собирать погугайки с шариками из разныз партий выпуска.

Регулировка ШВП : проворотом полугаек в ОДНУ сторону добиться выборки люфта в паре (гайка от руки должна вращаться плавно, но в тоже время, немного притормаживаться по всей длине вала).

При наличии запасных частей на переборку пары может уходить до трех дней.

Может быть название статью у кого-то вызовет недоумение, но новой ШВП перед установкой на станок необходимо провести ремонт.

Основная беда новых отечественных ШВП — это качество вкладышей, точнее место сопряжения вкладыша и внутренней канавки полугайки (на фото выделенно стрелкой).

Дело в том, что место перехода с канавки во вкладыш необработно и имеет небольшой порожек, через который шарики гайки ШВП цеплются и подклинивают при перекатывании.

Метод ремонта такой новой гайки только один — с помощью ручной миниатюрной шлифмашинки с насадкими типа бура (как у стаматолага) заливовать место перехода из канавки во вкладыш. После этого заклинивание в области вкладываш гайки исчезает.

Гайка ШВП имеет два основных вида — это гайка в которой люфт выбирается перестановкой на зуб полугаек относительно корпуса и гайка в которой люфт выбирают подшлифовкой дистанционных полуколец.

Несмотря на вроде бы разные типы гаек ШВП, у них есть одно общее конструтивное звено — это вкладыш, (на рисунке он назван возвратный канал)

благодаря которому шарики перебегают из одного ручья гайки в другой. Так вот, в гайке ШВП наиболее часто ремонитруют именно вкладыш. Почему именно вкладыш? Потому-что если ремонтировать ручьи гайки, то такую операцию можно выполнить тлько на узкоспециализиованном оборудовании.

Ну, хорошо, это было небольшое отступление — теперь о том что же именно ремонтируется во вкладыше.

Наиболее часто возникающая неисправность вкладыша гайки ШВП

• — это раковины в ручьях по которым перекатываются шарики. Причины появления раковин — попадение влаги в гайку, и, как следствие, коррозия.
• — появления заусениц на приемной части ручьев. Такое может случится если в гайку ШВП было уложенно неправильное количество шариков и шарики просто накатываются друг на друга.

Как можно ремонтировать эти неисправности? Совет такой — пневмодрель и шлифовальный камушек примерно такой формы:

Работать следует осторожно. После выравнивания дефектов, следует место обрабокт отполировать с помощью наждачной бумаги «нулевки».

В зависимости от исполнения, зазоры могут регулироваться двумя разными путями. Как правило это:

• или шлифовка дистанционных полуколец
• или переставление полугаек в корпусе на зуб

При регулировке ШВП важно понимать, что если общий люфт исполнительного органа, в котором используется ШВП, 0,2 мм или более, следует искать причину в других местах, а не в ШВП.