Шариковый винт (или шарико-винтовая передача ) — это механический линейный привод , который преобразует вращательное движение в линейное движение с небольшим трением . Резьбовой вал обеспечивает спиральную дорожку качения для шарикоподшипников , которые действуют как прецизионный винт. Помимо того, что они способны прикладывать или выдерживать высокие осевые нагрузки, они могут делать это с минимальным внутренним трением. Они изготавливаются с жесткими допусками и поэтому подходят для высокоточных применений. Шариковый узел действует как гайка, а резьбовой вал — как винт.
В отличие от обычных ходовых винтов , шариковые винты, как правило, довольно громоздкие из-за необходимости иметь механизм для рециркуляции шариков.
Шариковый винт был изобретен независимо друг от друга Х. М. Стивенсоном и Д. Гленном, которые в 1898 году получили патенты 601 451 и 610 044 соответственно.
Ранние точные винтовые валы изготавливались путем начала с винтового вала низкой точности, а затем притирки вала несколькими подпружиненными гаечными притирами [ требуется ссылка ] . Переставляя и инвертируя гаечные притиры, продольные ошибки гаек и вала усреднялись. Затем, очень повторяемый шаг
Низкое трение в шариковых винтах обеспечивает высокую механическую эффективность по сравнению с альтернативами. Типичный шариковый винт может иметь эффективность 90 процентов по сравнению с эффективностью 20–25 процентов у ходового винта Acme того же размера. Отсутствие трения скольжения между гайкой и винтом обеспечивает более длительный срок службы винтовой сборки (особенно в системах без люфта), сокращая время простоя для обслуживания и замены деталей, а также уменьшая потребность в смазке. Это, в сочетании с их общими преимуществами производительности и сниженными требованиями к мощности, может компенсировать первоначальные затраты на использование шариковых винтов.
Шариковые винты также могут уменьшить или устранить люфт, распространенный в комбинациях ходового винта и гайки. Шарики могут быть предварительно нагружены, чтобы не было «покачиваний» между шариковым винтом и шариковой гайкой. Это особенно желательно в приложениях, где нагрузка на винт быстро меняется, например, в станках.
Из-за их очень высокой механической эффективности, особенно по сравнению с традиционными ходовыми винтами, шариковые винты потенциально могут иметь обратный привод (то есть линейная сила, приложенная непосредственно к гайке, может вызвать вращение вала, эффект, контрпродуктивный для большинства применений). Хотя это обычно имеет ограниченные последствия для моторизованных приложений и потенциально даже обеспечивает мягкий защитный эффект в некоторых случаях, это делает их в целом непригодными для применения в системах с ручным приводом, таких как станки с ручной подачей . Статический крутящий момент и цифровое управление соответствующего серводвигателя могут быть сделаны для сопротивления и компенсации, но механизмы с ручным приводом потребуют дополнительных механизмов для предотвращения нежелательного поведения. Такое нежелательное поведение может варьироваться от простой потери контроля над машиной, такой как самоподача (инструмент машины, вызывающий движение осей без управляющего воздействия оператора), до потенциально опасных случаев, когда неожиданная сила может передаваться на конечности оператора и представлять риск травмы. Поскольку обычный ходовой винт сопротивляется или даже запрещает такую обратную операцию, они по своей сути более безопасны и надежны для ручного использования. Величина силы, необходимая для последовательного обратного хода ходового винта Acme, обычно достаточна для разрушения механизма, обездвиживания машины и поглощения любой опасной силы до того, как она сможет представлять риск для оператора.
Циркулирующие шарики перемещаются внутри резьбовой формы винта и гайки, и шарики рециркулируются через различные типы возвратных механизмов. Если бы шариковая гайка не имела возвратного механизма, то шарики выпадали бы из конца шариковой гайки, когда они достигали конца гайки. По этой причине было разработано несколько различных методов рециркуляции. Внешняя шариковая гайка использует штампованную трубку, которая подбирает шарики из дорожки качения с помощью небольшого пальца-подборщика. Шарики перемещаются внутри трубки, а затем возвращаются обратно в дорожку качения резьбы. Внутренняя шариковая гайка с кнопкой использует обработанный или литой возврат в виде кнопки, который позволяет шарикам выходить из дорожки качения и перемещаться на одну резьбу, а затем снова входить в дорожку качения. Возвратная шариковая гайка с торцевой крышкой использует колпачок на конце шариковой гайки. Колпачок обработан для подхвата шариков, выходящих из конца гайки, и направления их в отверстия, которые просверлены поперечно вниз по шариковой гайке. Дополнительный колпачок на другой стороне гайки направляет шарики обратно в дорожку качения. Возвращающиеся шарики не подвергаются значительной механической нагрузке, а обратный путь может включать литые под давлением пластиковые детали с низким коэффициентом трения.
Шариковый винт включает в себя значительно больше деталей и взаимодействий поверхностей, чем многие аналогичные системы. В то время как базовый ходовой винт состоит только из цельного вала и цельной гайки с простой геометрией сопряжения, шариковый винт требует точно сформированных изогнутых контуров и многокомпонентных сборок для облегчения действия шариков подшипника. Это делает их более дорогими в производстве и иногда в обслуживании, и обеспечивает больше потенциальных путей для отказа, если за устройством не ухаживать должным образом.
с вращающимся входным приводом, работающим обычным способом, или
если линейная сила оказывает обратное действие на систему.
В этих уравнениях — крутящий момент, приложенный к винту или гайке, — приложенная линейная сила, — ход шарико-винтовой передачи, — эффективность шарико-винтовой передачи. Выбор используемого стандарта является соглашением между поставщиком и пользователем и имеет некоторое значение при проектировании винта. В Соединенных Штатах ASME разработал стандарт B5.48-1977 под названием «Шарико-винтовые передачи».
Правильная оценка кривизны канавок шарико-винтовой передачи позволяет точно проектировать конструктивные параметры этого механизма и повышать его производительность. Формулировка, обычно используемая в литературе, относится к геометрии шарикоподшипника, игнорируя форму профиля сечения и угол наклона винтовой линии. В частности, первая главная кривизна рассчитывается как для канавки вала винта, так и для канавки гайки, где φ — угол контакта, — радиус делительной окружности, — радиус шарика. Вторая главная кривизна — просто для канавки вала винта и для канавки гайки, где и — соответственно коэффициенты соответствия профилей канавок вала винта и гайки. Эти формулировки не учитывают форму профилей канавок и наличие угла наклона винтовой линии: в более поздних публикациях найдено точное решение для кривизны канавок вала винта и гайки. Новое исследование предлагает новую формулировку, которая аппроксимирует реальные значения кривизны с максимальной относительной погрешностью около 0,5%. [1] Поэтому гораздо более точной формулой для первой главной кривизны канавки вала винта является формула , а для канавки гайки — угол наклона винтовой линии.
Чтобы сохранить их присущую точность и обеспечить длительный срок службы, необходимо проявлять большую осторожность, чтобы избежать загрязнения грязью и абразивными частицами. Этого можно добиться, используя резиновые или кожаные сильфоны для полного или частичного закрытия рабочих поверхностей. Другое решение — использовать положительное давление отфильтрованного воздуха, когда они используются в полугерметичном или открытом корпусе.
Уменьшая трение, шариковые винты могут работать с некоторой предварительной нагрузкой, эффективно устраняя люфт (люфт) между входом (вращением) и выходом ( линейным движением ). Эта функция имеет важное значение, когда они используются в системах управления движением с компьютерным управлением, таких как станки с ЧПУ и высокоточные приложения движения (такие как проволочная скрутка ).
Для получения надлежащего качения шариков, как в стандартном шарикоподшипнике, необходимо, чтобы при нагрузке в одном направлении шарик соприкасался в одной точке с гайкой и в одной точке с винтом. На практике большинство шарико-винтовых передач спроектированы с легким предварительным натягом, так что на шарике есть по крайней мере небольшая нагрузка в четырех точках, две в контакте с гайкой и две в контакте с винтом. Это достигается путем использования профиля резьбы, который имеет немного больший радиус, чем шарик, причем разница в радиусах сохраняется небольшой (например, простая V-образная резьба с плоскими поверхностями не подходит), так что упругая деформация вокруг точки контакта позволяет получить небольшую, но ненулевую площадь контакта, как и в любом другом подшипнике качения. Для этого резьбы обычно обрабатываются как профиль «готической арки». Если бы использовался простой полукруглый профиль резьбы, контакт был бы только в двух точках, на внешнем и внутреннем краях, что не выдержало бы осевой нагрузки.
Чтобы устранить люфт и получить оптимальные характеристики жесткости и износа для данного применения, обычно применяется контролируемая величина предварительной нагрузки. В некоторых случаях это достигается путем обработки компонентов таким образом, чтобы шарики были «плотно» посажены при сборке; однако это дает плохой контроль предварительной нагрузки и не может быть отрегулировано для учета износа. Чаще всего шариковую гайку проектируют как фактически две отдельные гайки, которые плотно соединены механически, с регулировкой либо вращением одной гайки относительно другой, создавая тем самым относительное осевое смещение, либо удерживая обе гайки плотно вместе в осевом направлении и вращая одну относительно другой, так что ее набор шариков смещается в осевом направлении для создания предварительной нагрузки.
Шариковые валы могут быть изготовлены прокаткой, что дает менее точный, но недорогой и механически эффективный продукт. Катаные шариковые винты имеют позиционную точность в несколько тысячных дюйма на фут.
Шариковый винт классифицируется с использованием «классов точности» от C0 (самый точный) до C10. [2] Высокоточные винтовые валы обычно имеют точность до одной тысячной дюйма на фут (830 нанометров на сантиметр) или лучше. Исторически они подвергались механической обработке до грубой формы, закаливались , а затем шлифовались. Трехэтапный процесс необходим, поскольку высокотемпературная обработка искажает заготовку. [3] Жесткая вихревая обработка — это недавняя (2008 г.) технология точной обработки, которая минимизирует нагрев детали и позволяет изготавливать прецизионные винты из закаленного прутка. [4] Инструментальные винтовые валы обычно имеют точность до 250 нанометров на сантиметр. Они изготавливаются на прецизионных фрезерных станках с оптическим дальномерным оборудованием и специальными инструментами. Аналогичные станки используются для производства оптических линз и зеркал. Инструментальные винтовые валы обычно изготавливаются из инвара , чтобы предотвратить слишком большое изменение допусков из-за температуры.
Шариковые винты используются в самолетах и ракетах для перемещения поверхностей управления, особенно для электропривода , и в автомобильном усилителе рулевого управления для преобразования вращательного движения от электродвигателя в осевое движение рулевой рейки. Они также используются в станках , роботах и прецизионном сборочном оборудовании. Высокоточные шариковые винты используются в шаговых двигателях для производства полупроводников .
Шариковый винт используется для расширения конструкции разворачиваемой башни (DTA) на космическом телескопе Джеймса Уэбба . [ необходима цитата ]
Шариковый винт также планируется использовать в натриевом реакторе TerraPower в качестве части механизма привода регулирующего стержня . [5]
Другой формой линейного привода на основе вращающегося стержня является шарико-винтовая передача без резьбы или «привод с кольцевым качением». В этой конструкции три или более подшипников качения симметрично расположены в корпусе, окружающем гладкий (без резьбы) стержень или вал привода. Подшипники установлены под углом к стержню, и этот угол определяет направление и скорость линейного движения за один оборот стержня. Преимуществом этой конструкции по сравнению с обычным шарико-винтовой передачей или ходовым винтом является практическое устранение люфта и нагрузки, вызванных гайками предварительной нагрузки.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)