Передачи винт-гайка качения
Достоинствами передач винт-гайка качения являются малое трение, отсутствие зазоров и возможность создания предварительного натяга, высокая жесткость и достаточная для многих случаев долговечность. К недостаткам следует отнести ограниченную исходными погрешностями точность перемещения и наличие в наиболее распространенных конструкциях канала возврата. Особенно широкое применение в качестве тягового устройства передачи винт-гайка качения нашли в станках с ЧПУ.
Реализовать качение в передаче винт-гайка можно различными способами (рис. 19). Применение резьбовых роликов с фиксированными в гайке осями вращения (рис. 19, а) не получило широкого распространения в связи с необходимостью точного взаимного расположения осей роликов и их осевого смещения на 1/3 шага, что приводит к нетехнологичной конструкции. Гайки с планетарным движением резьбовых роликов (рис. 19, б) не обеспечивают высокой точности передаточного отношения и находят применение при невысоких требованиях к точности позиционирования. Это же относится и к гайкам планетарно-фрикционного типа (рис. 19, в), которые получили ограниченное применение. Преимущественное распространение в современных станках, особенно в станках с ЧПУ, получили шариковые передачи винт-гайка со сплошным потоком шариков, циркулирующих по замкнутой траектории (рис. 19, г).
Между резьбой винта и гайки, которую чаще всего выполняют полукруглой (рис. 20, а) или в форме стрельчатой арки (рис. 20, б), шарики прокатываются под нагрузкой или под действием силы предварительного натяга, а затем возвращаются по каналу возврата. Для канала возврата используют трубки, сверления и каналы в корпусе гайки или в специальных вкладышах, закрепляемых на корпусе гайки.
Материал ходовых винтов и гаек в парах качения должен обеспечивать высокую износостойкость за счет поверхностной прочности. Ходовые винты чаще всего изготовляют из сталей типа 30Х3ВА с азотированием и закалкой до высокой твердости. Иногда применяют стали типа ХВГ с объемной закалкой. Для гаек используют стали типа ШХ15, ХВГ, реже цементируемые стали типа 18ХГТ, 12ХН3А.
Рис. 19. Передачи винт-гайка качения:
а – с фиксированным осями роликов; б – планетарная; 1 – корпус; 2 – зубчатый венец; 3, 8 – гайка; 4 – кольцо; 5 – крышка; 6 – винт; 7 – сепаратор; 9 – шпонка; 10 – ролик-сателлит; в – планетарно-фрикционная; г – с потоком тел качения и каналом возврата
Конструкции передач винт-гайка качения должны обеспечивать создание предварительного натяга. Профиль резьбы в форме стрельчатой арки (рис. 20, б) допускает создание предварительного натяга подбором шариков несколько увеличенного диаметра, которые при сборке заполняют рабочее пространство при постоянном натяге. При полукруглом профиле резьбы, а также в тех случаях, когда желательно регулировать величину натяга в период эксплуатации станка, применяют гайки, состоящие из двух частей. Относительное осевое или угловое смещение частей гайки дает возможность установить необходимую величину натяга (рис. 21).
Достаточно высокая долговечность передач винт-гайка качения обеспечивается при условии надежной защиты резьбового соединения от загрязнений и продуктов износа, особенно абразивного характера. Винт по всей длине обычно закрывают защитными устройствами типа гармоники, как это выполнено в приводе подач токарного станка с ЧПУ (рис. 22), а по краям гайки нередко устанавливают дополнительные уплотнения.
Рис. 20. Профили резьбы шариковых пар винт-гайка
Рис. 21. Способы создания натяга в шариковых передачах винт-гайка:
а, б – осевым смещением полугаек; в – относительным поворотом полугаек
В связи с тем, что демпфирующие свойства передачи винт-гайка качения значительно ниже, чем у гидростатической передачи винт-гайка, в ответственных случаях, особенно в станках с ЧПУ в опоры винтов целесообразно устанавливать специальные демпферы (рис. 23). При рабочем зазоре d = 0,15 мм гидравлический демпфер снижает амплитуду резонансных колебаний в 3-4 раза, что особенно важно при использовании направляющих качения или гидростатических направляющих, которые обладают малым демпфированием в направлении движения.
Рис. 22. Шариковая передача винт-гайка в приводе подач токарного станка
с программным управлением: 1 – шаговый двигатель: 2 – гидроусилитель;
3 – выходной вал гидроусилителя; 4 – промежуточный вал; 5 – муфта;
6 – ходовой винт; 7 – шариковая гайка; 8 – гайки затяжки подпятников винта;
9, 10 – полугайки; 11, 18 – путевые выключатели; 12 – бесконтактный выключатель;
13 – лепесток выключателя; 14 – кулачок; 15 – линейка; 16 – вкладыш с уплотнением; 17 – защитная гармоника
Рис. 23. Применение демпферов в передачах винт-гайка качения:
а – схема размещения демпфера у опоры ходового винта;
б-г – конструкции демпферов
Реечные передачи
Реечные передачи используют в качестве станочных тяговых устройств как пару зубчатое колесо-рейка или как пару червяк-рейка.
Зубчатое колесо и рейка имеют следующие важнейшие особенности:
1) большое передаточное отношение – за один оборот зубчатого колеса рейка перемещается на длину начальной окружности этого колеса; поэтому пара зубчатое колесо-рейка малопригодна для осуществления движений с малыми скоростями и малыми перемещениями;
2) зазоры и неравномерность передаточного отношения за счет проявления ошибок зубчатого зацепления, поэтому реечная передача непригодна для привода подачи прецизионных станков и станков с ЧПУ;
3) отсутствие самоторможения затрудняет использование передачи зубчатое колесо-рейка для вертикального перемещения узлов станка;
4) малые потери на трение и высокий КПД передачи оправдывают ее применение в приводе главного движения продольно-строгальных и долбежных станков при передаче значительной мощности;
5) технологичность изготовления и сборки пары зубчатое колесо–рейка определяет ее низкую стоимость, что приводит к довольно широкому использованию этой пары во вспомогательных устройствах при невысоких требованиях к точности движения.
Условия работы зубчатой реечной передачи по существу не отличаются от условий и характера работы пары зубчатых колес. Для изготовления реечного колеса и рейки обычно применяют сталь 45 или легированные стали, если это оправдано высокими требованиями долговечности и прочности. Для уменьшения деформации реек, особенно при значительной их длине, целесообразно применять поверхностную закалку зубьев с нагревом токами высокой частоты, При большой длине зубчатые рейки выполняют составными из отдельных секций, закрепляемых винтами и фиксируемых штифтами. Плавность движения при шестеренно-реечном приводе может быть повышена применением косозубой передачи, подобно тому, как это выполняют нередко в приводе стола продольно-строгального (рис. 24) и продольно-фрезерного станков. При этом необходимо учитывать дополнительное воздействие на подвижный узел составляющей силы, направленной вдоль оси зубчатого колеса.
Расчет передачи зубчатое колесо-рейка осуществляют теми же методами, что и расчет зубчатых передач.
Рис. 24. Шестеренно-реечная передача в приводе стола продольно-строгального станка
Червяк-рейка в отличие от зубчатой реечной передачи обладает свойствами, в большей мере приближающими их к передачам винт-гайка. Червяк при этом выполняет функцию короткого винта, а специальная червячная рейка с зубьями, подобными зубьям червячного колеса, является неполной по окружности гайкой (рис. 24). Главное отличие передачи червяк-рейка от пары винт-гайка заключается в том, что при меньшей точности движения она способна обеспечить большую жесткость привода, особенно при больших длинах хода, когда жесткость винта может оказаться недостаточной. Наибольшее распространение передачи червяк-рейка получили в приводах различного назначения тяжелых станков.
Рис. 25. конструкция червячно-реечной передачи
в приводе продольно-фрезерного станка
Червяк обычно изготовляют из малоуглеродистой стали с последующей цементацией и закалкой, а для червячных реек применяют антифрикционный чугун или бронзу типа БрАЖ 9-4. Такой подбор материалов обеспечивает наибольшую долговечность пары, однако для восстановления изношенной рейки необходимы специальное оборудование и оснастка. Поэтому на ряде станкостроительных заводов применяют в червячно-реечных передачах бронзовые червяки, восстановление которых после их интенсивного износа не представляет технологических трудностей.
Некоторые конструктивные трудности связаны с приводом червяка, поскольку для приводного зубчатого колеса или другого элемента привода остается лишь пространство, ограниченное наружным размером зубьев рейки. Это привело к созданию червячно-реечных передач, в которых червяк одновременно используют и как зубчатое колесо.
В последние годы интенсивно разрабатывают и исследуют гидростатические червячно-реечные передачи. Подвод смазки под давлением в таких передачах возможен либо через каналы в корпусе рейки (рис. 25), либо через систему питающих отверстий в теле червяка (рис. 26). Исследования подобных передач, выполненные на кафедре станков Московского станкоинструментального института и в ЭНИМС, доказали перспективность их использования в тяжелых станках.
Рис. 26. Гидростатическая червячно-реечная передача с подводом смазки через рейку: 1, 2 – коллекторы; 3 – червяк; 4 – карман на зубе рейки; 5 – рейка
Рис. 26. Гидростатическая червячно-реечная передача с подводом смазки
через отверстия в теле червяка: а – конструкция; б – схема кармана; 1 – карманы
на зубьях рейки; 2 – рейка; 3 – коллекторы; 4 – червяк
Фрикционные передачи
Во фрикционных передачах движение от ведущего звена к ведомому передается за счет сил трения, возникающих между прижатыми друг к другу колесами. Различают фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением (рис. 27) и фрикционные вариаторы (рис. 28). Фрикционные передачи выполняются с жесткими рабочими телами и с гибкой связью.
Рис. 27. фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением
По характеру преобразования движения фрикционные передачи делятся на передачи для преобразования вращательного движения ведущего звена во вращательное движение ведомого (рис. 27, а, в), передачи для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот (рис. 27, г, д) и передачи для преобразования вращательного движения в винтовое и наоборот (рис. 28, е). Они применяются в приборах и машинах небольшой мощности, в самопишущих приборах, осциллографах, пантографах, а также в машинах для правки, гибки и прокатки листовых материалов, в некоторых приборах и в машинах для обмотки кабеля изоляцией, правки прутковых материалов и др. Оси валов могут располагаться параллельно или пересекаться под углом – обычно 90° (рис. 27, б).
Рис. 28. фрикционные вариаторы: а – лобовой (торцовой) вариатор; б – сдвоенный
лобовой вариатор; в – реверсивный лобовой вариатор; г – конусный вариатор;
д – конусный вариатор с промежуточным диском, в котором передаточное отношение изменяется путем перемещения диска вдоль образующих ведущего и ведомого
конусов; е – вариатор с конусными барабанами и промежуточным роликом, при осевом перемещении которого изменяются рабочие радиусы барабанов; ж и з – вариаторы
с конусными барабанами и кольцами (жесткими или упругими); и и к – клиноременные вариаторы с раздвижными конусами; л, м и н – грибовидные вариаторы; о – шариковый вариатор, в котором скорость ведомого вала регулируется путем симметричного
поворота осей вращения шариков, расположенных между конусами ведомого
и ведущего звеньев и неподвижным охватывающим кольцом;
п и р – соосные вариаторы с промежуточными роликами
Фрикционные передачи с бесступенчатым изменением передаточного отношения называются вариаторами. В вариаторах плавное регулирование передаточного отношения осуществляется на ходу изменением рабочих радиусов ведущего R1 или ведомого R2 звеньев (или обоих радиусов Rl и R2).
На рис. 28 показаны вариаторы, у которых рабочие поверхности звеньев имеют цилиндрическую, плоскую, конусную и шаровую форму или форму тел вращения с криволинейной образующей. Стрелками показаны направления перемещения звена при регулировании скорости. В некоторых вариаторах для расширения диапазона регулирования скорости применяются промежуточные ролики или кольца. Передаточное отношение регулируется путем перемещения роликов или симметричного поворота их осей. Размеры промежуточных роликов и колец не влияют на передаточное отношение.
Прижатие рабочих тел друг к другу осуществляется обычно посредством специальных пружин, начальной затяжкой системы при сборке, собственным весом или грузом, а при кратковременной работе – вручную.
Фрикционные вариаторы широко используются в механизмах разных приборов, испытательных стендах и машинах различного назначения. Они имеют диапазон регулирования 
.
К достоинствам фрикционных передач и вариаторов относятся: простота конструкции, плавность и бесшумность работы при высоких скоростях, проскальзывание при перегрузках, предотвращающее поломку механизма; отсутствие мертвого хода; возможность бесступенчатого регулирования скорости ведомого вала. Коэффициент полезного действия для гладких цилиндрических фрикционных передач h » 0,80…0,95.
К недостаткам фрикционных передач относятся: большое давление на валы и их опоры; проскальзывание при колебаниях нагрузки, нарушающее постоянство передаточного отношения; сравнительно быстрый и неравномерный износ деталей при наличии геометрического скольжения; большие габариты и большой вес при передаче больших крутящих моментов с малой скоростью. В конических фрикционных передачах давление на валы и их опоры меньше, чем в цилиндрических передачах.
Для уменьшения габаритов и сил прижатия фрикционные передачи и вариаторы рекомендуется располагать в механизмах приборов и машин ближе к двигателю на быстроходных валах, т.е. там, где большие скорости и меньше крутящие моменты.
В быстроходных передачах для уменьшения износа и нагрева металлических рабочих тел применяется смазка. В передачах, работающих без смазки, рабочие поверхности колес (катков) защищаются от попадания на них смазки.
Фрикционные передачи применяются обычно для передачи небольшой мощности. Передаточные отношения фрикционных передач не превышают следующих значений: i < 7 в обычных передачах, i < 15 в передачах с разгруженными валами и i < 25 в ручных передачах приборов.
В конструкциях современных автоматизированных станков применяются в основном фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением, параллельными осями валов и цилиндрическими колесами. Рассмотрим основные кинематические и силовые зависимости и расчет на прочность передач с жесткими рабочими телами (рис. 29).
Рис. 29. Фрикционная передача с параллельными осями валов
и цилиндрическими колесами
Полагая, что передача работает без проскальзывания, можно на основании равенства окружных скоростей катков определить передаточное отношение передачи
(18)
В реальной передаче под действием упругих деформаций рабочих тел и колебаний нагрузки всегда имеет место небольшое скольжение (упругое скольжение), вызывающее отставание ведомого вала.
Для обеспечения заданного передаточного отношения при проектировании упругое скольжение учитывается коэффициентом α = 1,002¸1,03.
В этом случае
откуда
(19)
Нормальная работа фрикционной передачи обеспечивается при соблюдении условия
где Q – сила прижатия колеса; F = Qf – сила трения; Р – окружная сила, действующая на ведущее колесо; М2 – полезный момент на ведомом колесе; R2 – радиус ведомого колеса; с – коэффициент надежности работы передачи; с = 2¸3 – для приборных передач и с = 1,2¸1,5 для силовых передач; f – коэффициент трения скольжения, выбираемый из табл.3.
Таблица 3
Коэффициенты трения f и допускаемые удельные давления [р]
для различных сочетаний материалов
| Материалы колес | Условия работы | f | [р] кГ/см |
| Сталь по стали | В масле | 0,05 | - |
| Чугун по чугуну | » | 0,05 | - |
| Сталь по стали | Без смазки | 0,1-0,15 | - |
| Текстолит по стали или чугуну | » | 0,2-0,25 | 40-80 |
| Фибра по стали или чугуну | » | 0,15-0,20 | 35-40 |
| Кожа по чугуну | » | 0,25-0,35 | 15-25 |
| Дерево по чугуну | » | 0,40-0,50 | 2,5-5 |
| Резина по чугуну или стали | » | 0,45-0,60 | 10-30 |
Следовательно, необходимая сила прижатия катков
(20)
Ширина катков (длина площадки контакта) определяется из условий ограничения контактных напряжений смятия или из условия ограничения удельного давления по упрощенной формуле
где [р ] – допускаемое удельное давление на единицу длины контактной линии (табл.3).
Опыт эксплуатации многоступенчатых фрикционных передач показал их высокие точностные показатели, недостижимые при использовании других типов передач. Используемая в приводах подачи токарных модулей ТПАРМ-100 трехступенчатая фрикционная передача (рис. 30) с параллельными осями валов и цилиндрическими колесами обеспечивает дискретность шагового привода 2,4 мкм (при шаге двигателя 1,5°).
Рис. 30. Компоновка трехступенчатой фрикционной передачи
Положенная в основу конструкции двухступенчатая механическая фрикционная передача имеет удачные технические решения, рациональное использование которых позволяет создать весьма перспективную компоновку. Преобразование вращательного движения в поступательное обеспечивает механизм типа ролик – шток.