Передачи винт-гайка качения

В настоящее время наряду с обычными винтовыми парами (с трением скольжения) широко применяют передачи винт-гайка качения. К передачам винт-гайка качения относятся шариковиитовые и роликовинтовые передачи.

Шариковинтовые передачи (ШВП). Шариковинтовая передача состоит из винта, гайки и комплекта шариков. Шарики циркулируют по каналу, соединяющему первый и последний витки резьбы гайки. Существуют различные конструкции, различающиеся профилем, способом возврата шариков и др.

Шариковинтовые передачи имеют малые потери мощности на трение качения, позволяющие получать КПД механизма до 0,9, в отличие от механизмов винт-гайка с трением скольжения, КПД которых 0,25−0,5 при однозаходных резьбах. Передачи обеспечивают высокую точность и равномерность движения. Причем характерен малый износ рабочих винтовых поверхностей ходового винта и гайки, что поддерживает стабильность геометрических параметров в процессе эксплуатации. Возможность работы ШВП без смазочного материала позволяет надежно применять ее в широком диапазоне температур и в вакууме.

Особенность конструкции ШВП состоит в том, что между гайкой и винтом размещаются тела качения (шарики).

Рис. 4.52.

Рис. 4.53.

и усилия от винта к гайке передаются через эти тела, которые перемещаются в винтовых канавках, выполненных на винте и в гайке. Обычно диаметр шариков равен 0,6 шага винта. В настоящее время в ШВП различного назначения применяются криволинейные профили винта и гайки (рис. 4.53, а), прямолинейные (рис. 4.53,6) и комбинированные (рис. 4.53,е) профили. Наиболее распространен полукруглый профиль канавок с радиусом на 3−5% больше радиуса шарика (см. рис. 4.53, а, где В — винт, Г — гайка, - угол контакта).

Конструкция гайки ШВП существенно отличается от конструкции гаек передачи винт-гайка с трением скольжения. Это связано с тем, что она должна обеспечивать непрерывную замкнутую циркуляцию шариков в процессе работы. Для этого она включает в себя устройство возврата шариков. Канал возврата шариков, соединяющий два соседних витка резьбы, выполнен в виде специального вкладыша, который вставлен в окно гайки (рис. 4.54). Во вкладыше имеется канавка, которая направляет шарики с впадины одного витка во впадину соседнего, куда они попадают, переваливаясь через выступ резьбы витка. Часто в гайке делается три независимо циркулирующие группы шариков, а гайка имеет три окна, расположенных под углом 120°. Могут быть и другие конструкции канала возврата.

Ходовые винты, гайки и шарики ШВП должны иметь для обеспечения контактной прочности и выносливостивысокую твердость поверхности винтовых канавок и достаточно малую шероховатость поверхности, подвергающейся термообработке .

Материалы шариковинтовых передач. Винты изготавливают из сталей ХВГ и 7ХГ2ВМ с объемной закалкой, 8ХВ — с закалкой при индукционном нагреве, 20ХЗМВ -.

Рис. 4.54.

с азотированием поверхности, 12ХНЗА — с цементированием поверхности. Для гаек применяют стали марок 9ХС, ШХ15 с объемной закалкой и цементируемые стали 18ХГТ, 12ХНЗА, 18ХНВА и др. Шарики обычно изготавливают из стали ШХ15, ШХ15СГ. Твердость поверхности шариков должна быть не ниже

Порядок расчета

Расчет ШВП состоит из проектировочного и проверочного.

Проектировочный расчет включает определение винта из условия устойчивости:

Проверочный расчет содержит:

• • повторную проверку стержня винта на устойчивость, если менялись параметры винта после проектировочного расчета;
• • проверочный расчет стержня винта на прочность при сложном напряженном состоянии. Этот расчет аналогичен расчету передачи винт-гайка скольжения. Отличие в определении суммарного расчетного вращающего момента у винта Г, который включает не только расчетный вращающий момент , но и момент от трения в опорах :

где - коэффициенты трения качения соответственно в ШВП и подшипниках, мм;  — момент трения ненагруженного подшипника, Нмм;  — наружный и внутренний диаметры подшипника, мм,  — угол контакта (см. рис. 4.53), - диаметр шариков ШВП, мм.

Проверка ШВП па контактную прочность проводится аналогично проверке подшипников качения по статической и динамической грузоподъемности.

Статическая грузоподъемность связана со статическим нагружением, при котором па беговых дорожках винта и гайки не допускается появление ямок, препятствующих в дальнейшем движению шарика. Нагрузка, действующая на шарик:

(4.78).

где  — расчетная осевая нагрузка;  — количество шариков; I- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между шариками; - угол подъема витков резьбы.

Условие обеспечения статической грузоподъемности ШВП:

(4.79).

где  — допустимая нагрузка на шарик. Приближенные значения приведены в табл. 4.15.

Таблица 4.15

Диаметр шарика d, мм.	[Fп], Н.	[Fд], Н.

Проверка ШВП на динамическую грузоподъемность проводится следующим образом.

Определив по формуле (4.78) и выбрав допустимую динамическую нагрузку на шарик из табл. 4.15, проводят проверку передачи на работоспособность. Разрушение в этом случае носит усталостный характер и приводит к выкрашиванию на контактных поверхностях.

Условие обеспечения динамической грузоподъемности:

(4.80).

Бо?льшие значения нагрузок в табл. 4.15 соответствуют большему предварительному натягу, создаваемому при устранении зазоров. соответствует ресурсу оборотов винта, при меньшем ресурсе можно увеличить величину допустимой нагрузки на шарик до .

Роликовинтовые передачи (РВП). Эти передачи аналогичны ШВП, но в качестве промежуточных тел качения применяют резьбовые ролики. Угол подъема резьбы на роликах равен углу подъема резьбы на гайке, поэтому при планетарном движении они не выскакивают из гайки. Возможны разные углы подъема резьб.

Роликовинтовые передачи имеют высокий КПД и обладают бо? льшими, чем ШВП, несущей способностью и жесткостью. Роликовинтовые передачи с короткими резьбовыми роликами используют при малых скоростях и высоких нагрузках, с длинными резьбовыми роликами — при малых и высоких скоростях и высоких нагрузках. Возможно перемещение гайки за оборот винта на 0,1−3 шага резьбы. Схема РВП приведена на рис. 4.55, где 1 — гайка, 2 вит, 3 — резьбовые ролики. Резьбовые ролики удерживаются с помощью сепаратора или специального устройства.

Рис. 4.55.