Шариковый винт - Ball screw

На фото показаны две шарико-винтовые пары. Изображения-вставки - это фотографии шарикового узла верхнего винта крупным планом. Левая вставка: рециркуляционная трубка удалена, видны фиксирующий кронштейн, незакрепленные шарики и трубка. Правая врезка: вид гильзы под гайку более детально.

Шариковый винт представляет собой механический линейный привод , который переводит вращательное движение в линейное движение с небольшим трением . Вал с резьбой обеспечивает спиральную дорожку качения для шарикоподшипников, которые действуют как прецизионные винты. Они могут не только прикладывать или выдерживать высокие осевые нагрузки, но и с минимальным внутренним трением. Они изготавливаются с жесткими допусками и поэтому подходят для использования в ситуациях, когда необходима высокая точность. Шариковый узел действует как гайка, а резьбовой вал - как винт. В отличие от обычных ходовых винтов , шарико-винтовые передачи имеют тенденцию быть довольно громоздкими из-за необходимости иметь механизм для рециркуляции шариков.

Другой формой линейного привода, основанного на вращающемся стержне, является шариковинтовая передача без резьбы , также известная как «привод роликового кольца». В этой конструкции три (или более) подшипника качения расположены симметрично в корпусе, окружающем гладкий (безрезьбовой) шток или вал привода. Подшипники установлены под углом к ​​стержню, и этот угол определяет направление и скорость линейного движения за один оборот стержня. Преимущество этой конструкции перед обычной шарико-винтовой или ходовой винтовой передачей заключается в практическом устранении люфта и нагрузки, вызванной гайками с предварительным натягом.

Приложения

Шарико-винтовые пары используются в самолетах и ​​ракетах для перемещения поверхностей управления, особенно для электрического полета по проводам , и в автомобильных усилителях рулевого управления для преобразования вращательного движения электродвигателя в осевое движение рулевой рейки. Они также используются в станках , роботах и точном сборочном оборудовании. Шарико-винтовые пары высокой точности используются в шаговых двигателях для производства полупроводников .

История

Шарико-винтовая передача была изобретена независимо Х. М. Стивенсоном и Д. Гленном, которые получили в 1898 г. патенты 601 451 и 610 044 соответственно.

Ранние точные винтовые валы производились, начиная с винтового вала низкой точности, а затем притирка вала несколькими подпружиненными гайками. Путем перестановки и перестановки нахлеста гаек были усреднены погрешности продольных гаек и вала. Затем измеряется шаг очень воспроизводимого вала относительно эталона расстояния. Подобный процесс иногда используется сегодня для производства эталонных стандартных винтовых валов или эталонных винтовых валов.

Шариковый винт используется для расширения конструкции развертываемой башни (DTA) на космическом телескопе Джеймса Уэбба .

Описание и работа

Чтобы сохранить присущую им точность и обеспечить долгий срок службы, необходимо тщательно избегать загрязнения грязью и абразивными частицами. Это может быть достигнуто за счет использования резиновых или кожаных сильфонов для полного или частичного закрытия рабочих поверхностей. Другое решение - использовать фильтрованный воздух с избыточным давлением, когда они используются в полугерметичном или открытом корпусе.

Уменьшая трение, шарико-винтовые пары могут работать с некоторым предварительным натягом, эффективно устраняя люфт (наклон) между входом (вращением) и выходом ( линейное движение ). Эта функция важна, когда они используются в системах управления перемещением с компьютерным управлением, например, в станках с ЧПУ и высокоточных приложениях для перемещения (например, для соединения проводов ).

Недостатки

В зависимости от угла поворота шарико-винтовые пары могут иметь обратный привод из-за их низкого внутреннего трения (т. Е. Вал винта может приводиться линейно для вращения шариковой гайки). Обычно они нежелательны для станков с ручной подачей , так как жесткость серводвигателя требуется, чтобы резец не захватил заготовку и не самоподался, то есть там, где резец и заготовка превышают оптимальную скорость подачи и эффективно заедают или разбиваются. вместе, разрушая резак и заготовку. Стоимость также является важным фактором, поскольку винты Acme дешевле в производстве.

Преимущества

Низкое трение в шарико-винтовой передаче обеспечивает высокую механическую эффективность по сравнению с альтернативами. Типичная шарико-винтовая передача может иметь КПД 90% по сравнению с КПД ходового винта Acme равного размера от 20 до 25%. Отсутствие трения скольжения между гайкой и винтом способствует увеличению срока службы винтового узла (особенно в системах без люфта), сокращая время простоя на техническое обслуживание и замену деталей, а также снижая потребность в смазке. Это, в сочетании с их общей эффективностью и сниженными требованиями к мощности, может компенсировать первоначальные затраты на использование шарико-винтовой пары.

Шарико-винтовые передачи могут также уменьшить или устранить люфт, характерный для комбинаций ходового винта и гайки. Шарики можно предварительно нагружать, чтобы не было «покачивания» между шариковой винтовой парой и шариковой гайкой. Это особенно желательно в приложениях, где нагрузка на винт быстро меняется, например, в станках.

Производство

Валы шарико-винтовой передачи могут быть изготовлены путем прокатки, что дает менее точный, но недорогой и механически эффективный продукт. Катаные шарико-винтовые пары имеют точность позиционирования в несколько тысячных дюйма на фут.

Точность

Высокоточные винтовые валы обычно имеют точность до одной тысячной дюйма на фут (830 нанометров на сантиметр) или лучше. Исторически сложилось так, что они обрабатывались на станке, чтобы придать им полную форму, закалку и затем шлифование. Трехэтапный процесс необходим, потому что высокотемпературная обработка деформирует заготовку. Жесткое завихрение - это новейшая (2008 г.) технология точной обработки, которая сводит к минимуму нагрев заготовки и позволяет производить прецизионные винты из закаленной прутковой заготовки.

Точность винтовых валов инструментального качества обычно составляет 250 нанометров на сантиметр. Их изготавливают на прецизионных фрезерных станках с оптическим дальномером и специальной оснасткой. Подобные машины используются для производства оптических линз и зеркал. Валы инструментальных винтов обычно изготавливаются из инвара , чтобы предотвратить слишком сильное изменение допусков по температуре.

Шарико-винтовые передачи классифицируются по «степеням точности» от C0 (наиболее точный) до C10.

Системы возврата мяча

Циркулирующие шарики перемещаются внутри формы резьбы винта и гайки, а шарики рециркулируют через различные типы возвратных механизмов. Если бы у шариковой гайки не было возвратного механизма, шарики выпадали бы из конца шариковой гайки, когда достигли конца гайки. По этой причине было разработано несколько различных методов рециркуляции.

На внешней шариковой гайке используется штампованная трубка, которая захватывает шарики с дорожки качения с помощью небольшого пальца. Шарики перемещаются внутри трубы и затем возвращаются обратно в дорожку качения резьбы.

Внутренняя шариковая гайка с пуговицами имеет обработанный или литой возвратный механизм, который позволяет шарикам выходить из дорожки качения и перемещать одну резьбу, а затем снова входить в дорожку качения.

В шариковой гайке возврата торцевой крышки используется колпачок на конце шариковой гайки. Колпачок предназначен для захвата шариков из конца гайки и направления их в отверстия, просверленные поперек шариковой гайки. Дополнительный колпачок с другой стороны гайки направляет шарики обратно в дорожку качения.

Возвращающиеся шарики не подвергаются значительной механической нагрузке, а обратный путь может включать литые под давлением пластмассовые детали с низким коэффициентом трения .

Профиль резьбы

Для обеспечения надлежащего качения шариков, как в стандартном шарикоподшипнике, необходимо, чтобы при нагрузке в одном направлении шарик контактировал в одной точке с гайкой и в одной точке с винтом. На практике большинство шарико-винтовых пар имеют небольшой предварительный натяг, так что на шарик оказывается как минимум небольшая нагрузка в четырех точках, две из которых соприкасаются с гайкой, а две - с винтом. Это достигается за счет использования профиля резьбы, имеющего немного больший радиус, чем у шарика, при этом разница в радиусах остается небольшой (например, простая V-образная резьба с плоскими поверхностями не подходит), так что упругая деформация вокруг точки контакта допускает небольшую, но получить ненулевую площадь контакта, как и у любого другого подшипника качения. С этой целью резьба обычно обрабатывается как профиль «готическая арка». Если бы использовался простой полукруглый профиль резьбы, контакт был бы только в двух точках, на внешней и внутренней кромках, которые не выдерживали бы осевой нагрузки.

Предварительная загрузка

Чтобы устранить люфт и получить оптимальные характеристики жесткости и износа для конкретного применения, обычно применяется контролируемая величина предварительного натяга. В некоторых случаях это достигается за счет механической обработки компонентов, так что шарики плотно прилегают при сборке, однако это дает плохой контроль за предварительным натягом и не может быть отрегулировано с учетом износа. Чаще всего шаровую гайку конструируют как две отдельные гайки, плотно соединенные механически, с регулировкой либо путем поворота одной гайки относительно другой, создавая таким образом относительное осевое смещение, либо путем удерживания обеих гаек плотно вместе в осевом направлении и вращения. один относительно другого, так что его набор шариков смещается в осевом направлении для создания предварительного натяга.

Уравнения

${\ displaystyle T = {\ frac {Fl} {2 \ pi \ nu}}}$

с поворотным входным приводом обычным способом, или

${\ Displaystyle F = {\ гидроразрыва {2 \ pi \ nu T} {l}}}$

если линейная сила движет систему назад

Где крутящий момент, приложенный к винту или гайке, приложенная линейная сила, шаг шариковой винтовой пары и эффективность шариковой винтовой пары. ${\ Displaystyle {\ mathit {T}}}$${\ Displaystyle {\ mathit {F}}}$${\ displaystyle {\ mathit {l}}}$${\ displaystyle \ nu}$

Выбор используемого стандарта является соглашением между поставщиком и пользователем и имеет определенное значение в конструкции винта. В Соединенных Штатах ASME разработал стандарт B5.48-1977 под названием «Шарико-винтовые передачи».

Смотрите также

• Шариковый шлиц  - Тип подшипника линейного перемещения, который может передавать крутящий момент
• Домкрат  - механическое подъемное устройство, приводимое в действие поворотом ходового винта.
• Ходовой винт
• Роликовый винт
• Подшипник линейного перемещения
• Рециркуляционный шар  - Рулевой механизм автомобиля
• Линейный привод  - привод, создающий движение по прямой линии.

Рекомендации