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).

Шарико-винтовые пары

Шарико-винтовая передача (ШВП) – это линейный механический привод, преобразующий вращение в линейное перемещение и наоборот. Конструктивно она представляет собой длинный винт, по которому движется шариковая гайка. Внутри гайки между ее внутренней резьбой и резьбой винта по спиралевидной траектории катятся шарики, затем попадая в возвратные каналы – внутренние или внешние.

Концы винта обычно закрепляются на подшипниковых опорах, а гайка соединена с перемещаемым узлом. Когда винт вращается, гайка линейно перемещается по винту вместе с полезной нагрузкой. Но существуют и шарико-винтовые пары с вращающейся гайкой – в такой конструкции винт линейно перемещается относительно гайки.

Обыкновенная винтовая передача состоит из винта и гайки, которые имеют трапецеидальную резьбу. В такой передаче при движении возникает трение скольжения, и около 70% энергии рассеивается в виде тепла.

В отличие от передачи винт-гайка, шарико-винтовой привод содержит элементы качения (шарики), которые передают механическую энергию между гайкой и винтом. Это обеспечивает ШВП значительные преимущества:

  • КПД может превышать 80%

  • требуемые мощность и крутящий момент приводных двигателей намного меньше

  • интенсивность износа минимизирована

  • срок службы намного больше, чем у винтовых передач скольжения, и может быть определен вычислением усталости при качении

  • меньший нагрев способствует непрерывной работе
Однако из-за малого коэффициента трения ШВП подвержены скатыванию, особенно при большом шаге резьбы. Поэтому в некоторых случаях требуется использование тормозного устройства для предотвращения самопроизвольного движения механизма.

Диапазон основных характеристик шарико-винтовых передач:


  • Номинальный диаметр винта – от 6 до 150 мм

  • Динамическая грузоподъемность – от 1,9 до 375 кН

  • Статическая грузоподъемность – от 2, 2 до 1250 кН

  • Линейная скорость – до 110 м/мин.
Существуют два типа шарико-винтовых передач, различающихся технологией изготовления резьбового винта: катаные (накатка резьбы) и шлифованные (нарезка резьбы с последующей шлифовкой поверхности). Катаные винты проще в производстве, поэтому более доступны. Шлифованные дороже, но имеют значительно лучшую точность изготовления резьбы, а, следовательно, точность и повторяемость позиционирования.

Важным параметром также является шаг резьбы. Чем он больше, тем выше максимальная линейная скорость, но ниже точность позиционирования и осевое усилие.

Мы предлагаем обширный ассортимент прецизионных ШВП с катаными и шлифованными винтами. Доступны и соответствующие аксессуары – фланцевые гайки и подшипниковые опоры.

Катаные шарико-винтовые передачи

Шарико-винтовые передачи SKF – это высокопроизводительное решение для широкого круга областей применения, в которых особенно важны точность, надежность и соотношение цена/качество.

Использование высокотехнологичного оборудования при производстве катаных винтов позволило добиться почти таких же характеристик и точности, как и у шлифованных, но с меньшими затратами. Стандартным является класс точности G9, согласно ISO 286-2:1988. Начиная с номинального диаметра 20 мм, катаные винты производства SKF соответствуют точности G7. По запросу доступны винты с точностью G5 по ISO 3408-3:2006, соответствующей точности G5 шлифованных винтов, предназначенные для позиционирования.

Из широкого ассортимента прецизионных катаных шариковинтовых пар SKF вы сможете выбрать именно то, что нужно в конкретном случае:

  • Миниатюрные шарико-винтовые пары (с номинальным диаметром от 6 мм, внешней или внутренней рециркуляцией шариков) – компактная, эффективная система привода.

  • Большая часть миниатюрных ШВП доступна в исполнении из нержавеющей стали.

  • Катаные шарико-винтовые передачи большего номинального диаметра (от 16 до 63 мм) доступны с различными видами гаек, с осевым зазором или без, с преднатягом – как для обычного использования в приводе, так и в точном позиционировании.

  • Для этих винтов предлагается множество дополнительных аксессуаров, например, опциональные фланцы для гаек и подшипниковые опоры, обеспечивающие упрощение сборки готовой системы.

  • Катаные шарико-винтовые пары с большим шагом обеспечивают высочайшие линейные скорости для специфических областей применения.

  • SKF также предлагает ШВП с вращающимися гайками, обеспечивающими снижение инерции системы. Вы можете обратиться к нам для получения более подробной информации.
Прецизионные шлифованные шарико-винтовые пары

SKF предлагает обширный ассортимент шлифованных шарико-винтовых передач для случаев, когда требуются высокая точность и жесткость. Так как поверхности качения обрабатываются специальным высокоточным оборудованием, шлифованные ШВП легко приспособить практически под любые требования. Стандартная точность резьбы – G5, по заказу доступны G3 и G1.

Как сделать правильный выбор?

В широком ассортименте шлифованных шарико-винтовых передач SKF вы наверняка найдете именно то, что нужно в конкретном случае:

  • Метрические и дюймовые

  • Гайка DIN или цилиндрическая фланцевая

  • Внутренние или наружные возвратные каналы

  • Фланец посередине гайки или с одного из торцов

  • Гайка с осевым зазором, без зазора, с преднатягом

  • Одинарная или двойная гайка

  • Стандартная обработка концов винта или по требованиям заказчика

  • Возможно изготовление гайки под заказ

  • Опционально – вал с заплечиками, вырезанными из металлической пластины
Все аксессуары, в том числе, подшипниковые опоры, могут поставляться уже установленными на шариковинтовую пару в сборе.

Каталоги SKF по шарико-винтовым передачам

Для создания станков с программным числовым управлением необходимо использовать шарико-винтовые пары. Они отличаются не только внешним видом, но и конструкцией. Для выбора определенной модели следует заранее ознакомиться со строением и комплектующими ШВП.

Назначение шарико-винтовых пар

Все виды ШВП для станков с ЧПУ предназначены для преобразования вращательного движения в поступательное. Конструктивно состоят из корпуса и ходового винта. Отличаются друг от друга размерами и техническими характеристиками.

Основным требованием является минимизация трения во время работы. Для этого поверхность комплектующих проходит процесс тщательной шлифовки. В результате этого во время движения ходового винта не происходит резких скачков его положения относительно корпуса с подшипниками.

Дополнительно для достижения плавного хода применяется не трение скольжение относительно штифта и корпуса, а качение. Для получения этого эффекта применяется принцип шариковых подшипников. Подобная схема увеличивает перегрузочные характеристики ШВП для станков с ЧПУ, значительно повышает КПД.

Основные компоненты шарико-винтовой передачи:

  • ходовой винт. Предназначен для преобразования вращательного движения в поступательное. На его поверхности формируется резьба, основная характеристика — ее шаг;
  • корпус. Во время движения ходового винта происходит смещение. На корпус могут устанавливаться различные компоненты станка: фрезы, сверла и т.д.;
  • шарики и вкладыши. Необходимы для плавного хода корпуса относительно оси ходового винта.

Несмотря на все преимущества подобной конструкции шарико-винтовые передачи для ЧПУ применяются только для средних и малых станков. Это связано с возможностью прогиба винта при расположении корпуса в его средней части. В настоящее время максимально допустимая длина составляет 1,5 м.

Аналогичными свойствами обладает передача винт-гайка. Однако это схема характеризуется быстрым износом комплектующих из-за их постоянного трения между собой.

Области применения ШВП

Относительная простота конструкции и возможность изготовления шарико-винтовой передачи с различными характеристиками расширяет область его применения. В стоящее время шарико-винтовые пары являются неотъемлемыми компонентами самодельных фрезерных станков с числовым программным управлением. Ну на этом область применения не ограничивается.

Благодаря своей универсальности ШВП могут устанавливаться не только в станках с ЧПУ. Плавный ход и практические нулевое трение делают их незаменимыми компонентами в точных измерительных приборах, установок медицинского назначения, в машиностроении. Нередко для комплектации самодельного оборудования берут запчасти от этих приборов.

Это стало возможным благодаря следующим свойствам:

  • минимизация потерь на трение;
  • высокий коэффициент нагрузочной способности при небольших габаритах конструкции;
  • низкая инертность. Движение корпуса происходит одновременно с вращением винта;
  • отсутствие шума и плавный ход.

Однако следует учитывать и недостатки ШВП для оборудования ЧПУ. Прежде всего к ним относятся сложная конструкция корпуса. Даже при незначительном повреждении одного из компонентов шарико-винтовая передача не сможет выполнять свои функции. Также накладываются ограничения на скорость вращения винта. Превышение этого параметра может привести к появлению вибрации.

Для уменьшения осевого зазора сборка выполняется с натягом. Для этого могут устанавливаться шарики увеличенного диаметра или две гайки с осевым смещением.

Характеристики ШВП для оборудования с ЧПУ

Для выбора оптимальной модели шарико-винтовой передачи для станков с числовым программным управлением следует ознакомиться с техническими характеристиками. В дальнейшем они повлияют на эксплуатационные качества оборудования и время его безремонтной эксплуатации.

Основным параметром ШВП для станков с ЧПУ является класс точности. Он определяет степень погрешности положения подвижной системы согласно расчетным характеристикам. Класс точности может быть от С0 до С10. Погрешность перемещения должна даваться производителем, указывается в техническом паспорте изделия.

Класс точности С0 С1 С2 С3 С5 С7 С10
Погрешность на 300 мкм 3,5 5 7 8 18 50 120
Погрешность на один оборот винта 2,5 4 5 6 8

Кроме этого при выборе нужно учитывать следующие параметры:

  • отношение максимальной и необходимой скорости мотора;
  • общая длина резьбы ходового винта;
  • средние показатели нагрузки на всю конструкцию;
  • значение осевой нагрузки — преднатяг;
  • геометрические размеры — диаметр винта и гайки;
  • параметры электродвигателя — крутящий момент, мощность и другие характеристики.

Эти данные должны быть предварительно рассчитаны. Следует помнить, что фактические характеристики ШВП для оборудования с ЧПУ не могут отличаться от расчетных. В противном случае это приведет к неправильной работе станка.

Количество оборотов шариков за один круг определит степень передачи крутящего момента от вала корпусу. Этот параметр зависит от диаметра шариков, их количества и сечения вала.

Установка ШВП на станок с ЧПУ

После выбора оптимальной модели необходимо продумать схему установки ШВП на станок с ЧПУ. Для этого предварительно составляется чертеж конструкции, закупаются или изготавливаются другие компоненты.

Во время выполнения работы следует учитывать не только технические характеристики шарико-винтовой передачи. Основное ее предназначение — движение элементов станка по определенной оси. Поэтому следует заранее продумать крепление блока обработки к корпусу ШВП для станков с ЧПУ. Необходимо сверить размеры посадочных отверстий, их расположение на корпусе. Следует помнить, что любая механическая обработка шарико-винтовой передачи может повлечь за собой негативные изменения ее характеристик.

Порядок установки в корпус станка с ЧПУ.

  1. Определение оптимальных технических характеристик.
  2. Измерение длины вала.
  3. Создание схемы сопряжения монтажной части вала с ротором двигателя.
  4. Установка передачи на корпус станка.
  5. Проверка работоспособность узла.
  6. Подключение всех основных компонентов.

После этого можно выполнить первый пробный запуск оборудования. В процессе работы не должно возникать колебания и вибрации. В случае их появления выполнять дополнительную калибровку компонентов.

При поломке ШВП во время эксплуатации станка с ЧПУ ремонт передача можно сделать самостоятельно. Для этого можно заказать специальный комплект. С особенностями проведения восстановительных работ можно знакомиться в видеоматериале:

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 .

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. 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.

Производство винтов ШВП

Самые точные винты ШВП могут быть произведены только шлифовкой. Также винт можно получить накаткой - такой винт будет отличаться значительно меньшей стоимостью, но точность его будет ограничена погрешностью порядка 50 микрон на 300 мм хода.

Точность ШВП

Высокоточные винты обычно дают погрешность порядка 1-3 микрон на 300 мм хода, и даже точнее. Заготовки под такие винты получают грубой механоообработкой, затем заготовки закаливаются и шлифуются до кондиции. Три шага строго обязательны, т.к. температурная обработка сильно меняет поверхность ШВП.

Hard-whirling это сравнительно новая технология металлообработки, которая минимизирует нагрев заготовки в процессе, и может произвести точные винты из закаленной заготовки. Инструментальные винты ШВП обычно достигают точности 250 нм на сантиметр. Они изготавливаются фрезеровкой и шлифовкой на сверхточном оборудовании с контролем специализированным оборудованием субмикронной точности. Аналогичным оборудованием оснащены линии по производству линз и зеркал. Такие винты обычно изготавливаются из Инвара или других инварных сплавов, чтобы минимизировать погрешность, вносимую тепловым расширением винта.

Системы рециркуляции шариков

Подшипниковые шарики циркулируют в каналах резьбы гайки и беговых дорожек винта. Если не направлять шарик после окончания его путешествия, шарики просто вываливались бы из гайки наружу после достижения конца дорожки, поэтому в ШВП применяются несколько систем возврата шариков к началу дороже - систем рециркуляции.

Внешняя система используется металлическую трубку, которая соединяет вход и выход из канала гайки. Выходящие шарики попадают в трубку, и проталкиваемые последующими, следуют ко входу. Внутренняя система подразумевает нарезку аналогичного канала внутри гайки, шарики, выходящие из гайки, направляются специальной накладкой в просверленный канал, на выходе из канала аналогичная накладка переправляет шарики на вход беговой дорожки. Очень также распространен вариант, когда шарики циркулируют по нескольким закольцованным каналам, где возврат обеспечивается специальной заглушкой.

Винтовая пара представляет собой две детали (винт и гайку), соединенные по винтовой поверхности. Винтовую пару используют для преобразования вращательного движения в поступательное, или наоборот.

Винтовые пары бывают с треугольным, прямоугольным и круглым профилем винтовой поверхности.

В технике винтовую поверхность часто называют резьбой. Резьбы с треугольным профилем подразделяют на метрические, дюймовые, трапецеидальные и упорные.

Основные геометрические параметры метрической резьбы по ГОСТ 9150–81 (рис. 5.3):

Н – высота исходного профиля (равносторонний треугольник);

d , d 2 , d 1 – диаметры наружный, средний и внутренний;

Рис. 5.5. Винтовые пары с прямоугольной и треугольной резьбой:

в – винт, г – гайка, Р и d 2 – шаг и средний диаметр резьбы

шаг Р – расстояние между ближайшими сходственными точками контура по линии, параллельной оси резьбы;

угол профиля  = 60;

угол подъема винтовой линии резьбы  (рис. 5.4).

П

Рис. 5.6. Винтовая пара:

v t и v a – окружная и осе­ваяскорости гайки;d г – наружный диаметр гайки;– угол подъема винтовой линии

ередаточное отношениеi винтовой пары равно отношению окружной v t и осевой v a скоростей гайки (винта) (рис. 5.6).

или

Здесь t – период вращательного движения.

Период вращательного движения гайки


где  и n – угловая скорость и частота вращения гайки.

Скорость поступательного перемещения гайки

Трение в винтовой паре

Рассмотрим винтовую пару с прямоугольным профилем резьбы (рис. 5.7). Полагаем, что осевая нагрузка F а на винт сосредоточена на одном витке и что реакция гайки приложена по средней линии резьбы, т. е. по d 2 .

Рис. 5.7. К определению сил трения в винто­вой паре с прямоугольным профилем резьбы

Перемещение гайки по винту можно рассматривать как движение ползуна по наклонной плоскости с углом наклона  (рис. 5.8).

При равномерном движение ползуна справедливым является следующее уравнение равновесия:

где F t = М /r 2 – горизонтальная сила, действующая на ползун (гайку), М – крутящий момент пары сил, приложенных к гайке на расстоянии r 2 от оси винта в плоскости, пер­пендикулярной оси (в горизонтальной плоскости).

Из плана сил (рис. 5.9) видно, что движущая сила F t , необходимая для равномерного движения ползуна вверх по наклонной плоскости, связана с величиной осевой силы F а соотношением

F t = F а tg ( + ),

а крутящий момент М пары, приложенный к гайке, будет

М = F t r 2 = F а tg ( + ) r 2 .

Из закона Кулона–Амонтона следует

F т = f N = N tg .

Из плана сил определим силу трения, действующую в винтовой паре:

Разделив числитель и знаменатель этого выражения на cos  и учитывая, что f = tg , получим

В винтовой паре с треугольной резьбой нормальная сила N > F а (рис. 5.10), поэтому сила трения F т больше, чем в рассмотренной выше винтовой паре с прямоугольным профилем резьбы. Соответственно

Рис. 5.10 . Соотношения между нормаль­нойи осевой силами в винтовых парах с треугольным и прямоугольным профилями резьбы

угол трения  и коэффициент трения f у винтовой пары с треугольной резьбой будут больше, чем в винтовой паре с прямоугольным профилем резьбы.

В винтовой паре с треугольной резьбой коэффи­циент и угол трения будут

и
.

Полученные для винтовой пары с треугольным профилем резьбы коэффи­циент f и угол  трения называются приведенными коэффи­циентом и углом трения.