Роликовый винт , также известный как планетарный роликовый винт или сателлитный роликовый винт , представляет собой прецизионный винтовой привод с низким коэффициентом трения , механическое устройство для преобразования вращательного движения в линейное движение или наоборот. Планетарные роликовые винты используются в качестве исполнительного механизма во многих электромеханических линейных приводах . Из-за своей сложности роликовый винт является относительно дорогим приводом (на порядок дороже шариковых винтов ) , но может быть подходящим для высокоточных, высокоскоростных, высоконагруженных, долговечных и интенсивно используемых приложений.
Роликовинтовые механизмы обычно используются в системах перемещения/позиционирования в различных отраслях промышленности, таких как обрабатывающая промышленность и аэрокосмическая промышленность.
Роликовый винт — это механический привод , похожий на шариковый винт , но использующий ролики в качестве элементов передачи нагрузки между гайкой и винтом вместо шариков. Ролики обычно имеют резьбу, но могут также иметь канавки в зависимости от типа роликового винта. Предоставляя больше точек опоры, чем шариковые винты в заданном объеме, роликовые винты могут быть более компактными для заданной грузоподъемности, обеспечивая при этом аналогичную эффективность (75%-90%) на низких и средних скоростях и сохраняя относительно высокую эффективность на высоких скоростях. Роликовые винты могут превосходить шариковые винты в отношении точности позиционирования, грузоподъемности, жесткости, скорости, ускорения и срока службы. Стандартные роликовые винтовые приводы могут достигать динамической грузоподъемности свыше 130 тонн (превышают по мощности привода с одним блоком только гидравлические цилиндры ).
Тремя основными элементами типичного планетарного роликового винта являются вал винта, гайка и планетарный ролик. Винт, вал с многозаходной V-образной резьбой , обеспечивает спиральную дорожку качения для нескольких роликов, радиально расположенных вокруг винта и инкапсулированных резьбовой гайкой. Резьба винта, как правило, идентична внутренней резьбе гайки. Ролики вращаются в контакте с винтом и гайкой и служат элементами передачи с низким трением между ними. Ролики, как правило, имеют однозаходную резьбу с выпуклыми боковыми поверхностями, которые ограничивают трение в контактах роликов с винтом и гайкой. Ролики, как правило, вращаются по орбите винта по мере их вращения (подобно планетарным шестерням с солнечной шестерней ), и поэтому известны как планетарные или сателлитные ролики. Как и в случае с ходовым винтом или шариковым винтом, вращение гайки приводит к перемещению винта, а вращение винта приводит к перемещению гайки.
Для данного диаметра винта и количества заходов резьбы большее количество роликов соответствует более высокой статической грузоподъемности, но не обязательно более высокой динамической грузоподъемности. Для устранения люфта доступны предварительно нагруженные разрезные гайки и двойные гайки .
Карл Бруно Страндгрен разработал некоторые из самых ранних эффективных форм роликовых винтов и подал заявку на патент в Ницце, Франция, в феврале 1942 года. Французский патент № 888.281 был выдан в августе 1943 года и опубликован в декабре того же года. Первый коммерческий роликовый винт был спроектирован и изготовлен под его руководством в 1949 году и был установлен на узкоколейном локомотиве, который работал в угольной шахте на севере Франции. Последующие блоки были изготовлены и установлены на станках и (начиная с 1955 года) на самолетах. В то время Страндгрен подал заявку на новый патент, включающий подробные расчеты и подробные производственные соображения, за что он получил патенты США на такой «Винтовой механизм» в 1954 году [1] и «Устройства с гайками и винтами» [2] и «Роликовый винт» в 1965 году [3].
Типы роликовых винтов определяются движением роликов относительно гайки и винта. Четыре коммерчески доступных типа роликовых винтов: стандартные , инвертированные , рециркуляционные и подшипниковые кольца .
Дифференциальные роликовые винты , как правило, варианты стандартных и рециркуляционных типов, также имеются в продаже. Дифференциальные роликовые винты изменяют соотношение скоростей вращения между роликами и винтом, изменяя углы наклона и точки контакта резьбы или пазов. Таким образом, дифференциальные роликовые винты изменяют эффективный шаг винта. Уильям Дж. Роантри получил патент США на «Дифференциальную роликовую гайку» в 1968 году. [4]
Теперь, когда основные патенты истекли, в OpenSCAD был разработан роликовый винт с открытым исходным кодом для 3D-печати для приложений обработки пищевых продуктов. [5] Планетарный роликовый винт может быть изготовлен из полиэтилентерефталатгликоля ( PETG ), пригодного для мытья в посудомоечной машине, на любом настольном 3D-принтере. Максимальная сила для привода роликового винта более чем удвоена с использованием тех же материалов по сравнению с прямым винтовым прессом , что делает их подходящими для некоторых методов обработки пищевых продуктов.
Стандартный планетарный роликовый винт также известен как нерециркуляционный роликовый винт. Отсутствие осевого перемещения ролика относительно гайки и зацепление роликов с гайкой являются определяющими для стандартного типа роликового винта.
Гайка и винт имеют одинаковую многозаходную резьбу. Ролики имеют однозаходную резьбу с углом, соответствующим резьбе гайки. Совпадающий угол резьбы предотвращает осевое перемещение между гайкой и роликом при вращении роликов. Узел гайки включает в себя распорные кольца и зубчатые венцы, которые позиционируют и направляют ролики. Распорные кольца, которые вращаются внутри зубчатых венцов, имеют равноудаленные отверстия, которые действуют как вращающиеся подшипники для гладких концов шарнира (шпилек) роликов. Зубчатые венцы синхронизируют вращение и орбиту роликов вокруг оси винта, зацепляя зубья шестерни вблизи концов роликов. Распорные кольца вращаются на оси с винтом в унисон с орбитой роликов. Распорные кольца плавают относительно гайки, аксиально закрепленные стопорными кольцами , поскольку они вращаются вокруг винта с более низкой частотой ( угловой скоростью ), чем гайка.
Стандартные роликовые винты обычно идентифицируются по диаметру винта (обычно в диапазоне от 3,5 мм до 200 мм) и шагу (1 мм – 62 мм). Резьба винта (3 – 6 заходов) либо накатывается (более низкая грузоподъемность), либо шлифуется (более высокая грузоподъемность). Диаметры гайки и роликов (7 – 14 в количестве) являются простыми функциями диаметра винта и шага.
Где:
Следующие соотношения применяются к стандартным и перевернутым роликовым винтам: [1]
Например, если диаметр винта составляет 30 мм, шаг резьбы — 20 мм, а заходов резьбы — 5, то ролики имеют диаметр 10 мм, шаг резьбы — 4 мм, а эффективный диаметр гайки — 50 мм.
Перевернутый планетарный роликовый винт также известен как обратный роликовый винт. Отсутствие осевого перемещения ролика относительно винта и зацепление роликов с винтом являются определяющими для перевернутого типа планетарного роликового винта. Этот тип роликового винта был разработан одновременно со стандартным роликовым винтом.
Перевернутые роликовые винты работают по тем же принципам, что и стандартные роликовые винты, за исключением того, что функция гайки и винта по отношению к роликам обратная. Ролики движутся в осевом направлении внутри гайки, которая удлинена для размещения полного хода вала винта. Резьбовая часть вала винта ограничена длиной резьбы роликов. Нерезьбовая часть вала винта может быть гладкой или нецилиндрической формы. Зубчатый венец заменен зубьями шестерни выше и ниже резьбовой части вала винта.
За исключением инверсии взаимосвязи роликов с гайкой и винтом, конфигурация и взаимосвязь инвертированных роликовых винтов соответствуют таковым у стандартных роликовых винтов.
Рециркуляционный тип планетарного роликового винта также известен как рециркуляционный роликовый винт. Рециркуляционный роликовый винт может обеспечить очень высокую степень точности позиционирования, используя минимальные шаги резьбы. Ролики рециркуляционного роликового винта движутся аксиально внутри гайки до тех пор, пока не будут сброшены после одного оборота вокруг винта. Рециркуляционные роликовые винты не используют зубчатые колеса. Карл Бруно Страндгрен получил патент США на рециркуляционный роликовый винт в 1965 году. [3]
Винт и гайка могут иметь очень тонкую одинаковую однозаходную или двухзаходную резьбу. Рециркулирующие ролики имеют канавки (вместо резьбы), так что они перемещаются в осевом направлении во время вращательного взаимодействия с резьбой гайки и винта, смещаясь вверх или вниз на один шаг резьбы после завершения орбиты вокруг винта. Узел гайки обычно включает в себя щелевой сепаратор и кулачковые кольца. Сепаратор захватывает ролики в удлиненных пазах, равномерно распределяя ролики, при этом допуская вращение и осевое движение роликов. Кулачковые кольца имеют противостоящие кулачки, выровненные с осевой канавкой в стенке гайки. После того, как ролик завершает орбиту вокруг гайки, он высвобождается в канавку, отсоединяется от гайки и винта и проталкивается между кулачками в осевую среднюю точку узла гайки (смещаясь на расстояние, равное шагу винта). Возвращенный в исходное положение и повторно зацепленный с гайкой и винтом, ролик может затем снова вращаться вокруг винта.
В 2006 году Чарльз К. Корнелиус и Шон П. Лоулор получили патент на систему рециркуляционного роликового винта без сепаратора. [6] Как и в традиционной системе рециркуляционного роликового винта, ролики отсоединяются от винта, когда они попадают в осевую канавку в стенке гайки. Система отличается тем, что ролики постоянно зацеплены гайкой, а осевая канавка гайки имеет резьбу. Неспиральные резьбы в осевой канавке гайки возвращают ролик в его осевое исходное положение (после завершения орбиты). Некруглые компрессионные кольца, или кулачковые кольца, на противоположных концах роликов (оси роликов) оказывают постоянное давление между роликами и гайкой, синхронизируя вращение роликов и вдавливая ролики в осевую канавку гайки. Без кольцевых шестерен и роликовой обоймы рециркуляционные роликовые винты без сепаратора могут быть относительно эффективными и, как следствие, обеспечивать более высокие динамические возможности для некоторых диаметров винтового вала. [7]
В 1986 году Оливер Саари получил патент на роликовый винт с подшипниковым кольцом, обычно называемый по его торговой марке Spiracon. [8] Этот тип согласует орбиту роликов с вращением гайки. Привод содержит больше элементов передачи нагрузки, чем другие типы, подшипниковое кольцо и упорные подшипники , но изготовление составных частей относительно простое (например, зубья шестерни могут быть исключены).
В других типах роликовых винтовых передач, указанных выше, нагрузки передаются от гайки через ролики к винту (или в обратном порядке). В этом типе привода упорные подшипники и свободно вращающееся внутреннее рифленое кольцо подшипника передают нагрузки между роликами и гайкой.
Винт имеет многозаходную резьбу. Ролики и инкапсулирующее вращающееся кольцо имеют одинаковые канавки, а не резьбу, поэтому между ними нет осевого перемещения. Гаечный узел включает цилиндрический корпус, закрытый невращающимися распорными кольцами. Распорные кольца имеют равноудаленные отверстия, которые действуют как вращающиеся подшипники для гладких поворотных концов (шпилек) роликов. Упорные роликовые подшипники между распорными кольцами и кольцом подшипника обеспечивают свободное вращение кольца подшипника, одновременно передавая осевую нагрузку между ними.
Ролики действуют как «нити» гайки, вызывая осевое перемещение вращающегося винта из-за их орбитального ограничения. Вращение винта вращает ролики, которые вращают кольцо подшипника, рассеивая по пути трение, вызванное нагрузкой.
Тимоти А. Эрхарт получил патент США в 1996 году на линейный привод, эффективно включающий в себя перевернутый роликовый винт с кольцом подшипника. [9] Вал винта имеет канавку по длине и для соответствия канавкам роликов, которые перемещаются вместе с валом. Кольцо подшипника удлинено и имеет внутреннюю резьбу по длине хода вала винта. Корпус узла гайки и герметичное торцевое кольцо образуют внешнюю часть узла привода.
