Передачи винт—гайка качения

Передачи винт—гайка качения широко применяются в механизмах ДА, например в механизмах изменения стреловидности крыла, в стыковочных устройствах КА, в металлорежущих станках. Основное применение имеют шариковинтовые передачи (рис. 11.7 — шариковая пара винт—гайка с пакетом регулировочных прокладок: 1 — полугайка;

Рис. 11.7.

2 — винт). Они состоят из винта и гайки со специальными винтовыми канавками (рис. 11.8), в которых перемещаются шарики. Скорость перемещения этих шариков отличается от скорости ведущего и ведомого звеньев, поэтому для обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части резьбы в гайке должны быть соединены возвратным каналом. Шариковинтовые передачи (ШВП) применяются для рабочих нагрузок от сотен до сотен тысяч ньютонов. Средние диаметры винтов в этих передачах 10… 100 мм, диаметры шариков от 3 до 10 мм.

В ШВП различного назначения применяются криволинейные профили резьбы винта и гайки (рис. 11.8, а, б), прямолинейные (рис. 11.8, в) и комбинированные (рис. 11.8, г). Для силовых ШВП, применяемых в ЛА, рекомендуются полукруглые профили с двухточечным контактом и углом контакта а_к = 45° (рис. 11.8, а). Прямолинейный профиль резьбы (треугольный, трапецеидальный, рис. 11.8, в) является наиболее технологичным, но значительно уступает по нагрузочной способности криволинейному. Это объясняется тем, что допускаемая нагрузка на шарик, находящийся в желобе с профилем в виде дуги окружности, более чем в 3 раза выше допускаемой нагрузки на шарик, лежащий на плоской поверхности трапецеидального или треугольного профиля. Прямолинейный профиль резьбы применяется в ШВП для восприятия небольших осевых нагрузок, например в измерительных устройствах.

а) б) в) г).

Рис. 11.8.

Высокий КПД, надежность ШВП в значительной степени зависят от конструкции и качества изготовления перепускного канала. Каналы должны быть просты в изготовлении и допускать регулировку элемента, на;

Рис. 11.9 правляющего шарики из резьбо вой канавки в возвратный канал; иметь плавный переход резьбовой канавки в возвратный канал; обеспечивать минимальный путь возврата шарика при малом числе поворотов.

Наиболее рациональной является конструкция, в которой возврат шариков осуществляется с помощью специальных вкладышей i, вставленных в окна гайки по диагонали и соединяющих соседние витки резьбы (рис. 11.9). Обычно в гайке предусматриваются три вкладыша, которые располагаются под углом 120°, при этом шарики разделены на три независимо циркулирующие группы.

Для повышения осевой жесткости передачи и точности позиционирования гайки предусматривается возможность предварительного натяга путем взаимного смещения полугаек с помощью прокладок (см. рис. 11.7), либо путем взаимного поворота полугаек с их последующей фиксацией. При использовании профиля «стрельчатая арка» предварительный натяг обеспечивается подбором диаметра шариков.

Нагрузочная способность и долговечность ШВП определяются твердостью контактирующих поверхностей резьбы винта и гайки. Она должна быть не ниже 60 HRC₃. В случае поверхностного упрочнения (азотирования, объемной закалки или закалки ТВЧ) толщина слоя должна быть достаточной для восприятия высоких контактных напряжений.

Винты изготовляются из сталей ХВГ и 7ХГ2ВМ с объемной закалкой, 8ХВ с закалкой при индукционном нагреве и 20ХЗМВФ с азотированием поверхности. Для гаек применяются стали марок 9ХС, ШХ15 с объемной закалкой и цементируемые стали 18ХГТ, 12ХНЗА, 18ХНВА и др. Шарики обычно изготавливаются из стали 111X15, ШХ15СГ. Твердость поверхности шариков должна быть не ниже 63 HRC₀.

Расчет шариковинтовой передачи При проектировочном расчете из условия устойчивости определяется внутренний диаметр резьбы винта d_v

и в соответствии с техническим заданием подбираются параметры передачи (D_pw, D_w, г, Н_т, I) [15, 26].

Проверочный расчет силовых ШВП существенно отличается от расчета передач винт—гайка скольжения, так как для них необходимо провести расчеты на контактную выносливость и статическую контактную прочность.

Работоспособность и долговечность ШВП в основном зависит от контактной выносливости и статической контактной прочности их элементов (винтовых канавок, винтов, гаек и шариков).

Проверку ШВП по критерию контактной выносливости и статической контактной прочности проводят аналогично проверке упорно-радиальных шарикоподшипников. При этом используется зависимость, связывающая ресурс L в миллионах оборотов винта (или гайки) с осевой нагрузкой F_a:

где С_а — динамическая грузоподъемность — такая нагрузка, при которой винт или гайка ШВП совершают 1 млн оборотов до разрушения (табл. 11.2); а_х — коэффициент, связанный с Таблица 11.2.

вероятностью безотказной работы (табл. 11.3); а₂₃ = 0,5…2 — коэффициент свойств материалов и условий работы, повышающийся при использовании сталей электрошлаковой и вакуумной выплавки, у которых а₂₃ = 1,4; 1,7; К_т = 1…1,2 — коэффициент точности передачи (растет с повышением точности).

Ресурс ШВП в часах определяется по формуле.

Из зависимости (11.21) следует, что с возрастанием допускаемой нагрузки на элементы ШВП уменьшается ресурс, поскольку большая нагрузка может привести к разрушению и появлению опасных деформаций рабочих поверхностей витков и шариков. Для предотвращения этих явлений нагрузку F_a ограничивают статической грузоподъемностью С_а0:

Под статической грузоподъемностью С_а0 понимают такую статическую нагрузку, при действии которой возникает общая остаточная деформация шариков и винтовых канавок в наиболее нагруженной точке контакта, равная 0,0001 диаметра шарика.

Следует иметь в виду, что F_a это осевая нагрузка, действующая на гайку с тремя вкладышами, т. е. с тремя замкнутыми витками шариков.

При малых величинах D_pw возможен и другой вариант приближенного расчета [24]. Определяется нагрузка, действующая на шарик:

где F_a — расчетная осевая нагрузка, г — число шариков, X — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между шариками (X = 0,7…0,8), |/ — угол подъема витков резьбы (у = 2…5°).

Условия обеспечения статической грузоподъемности ШВП F_n < [F_n], где [F_n] — допускаемая нагрузка на шарики. При;

ближенные значения [F_n] приводятся в табл. 11.4. Большие значения ["F_n] в табл. 11.4 соответствуют большему предварительному натягу, [F_d] соответствует ресурсу N = 10⁶ оборотов винта. При меньшем ресурсе N_p можно увеличить величину допустимой нагрузки на шарик до [F_d]_p = [F_d]3jN/N_p, F_n < [F_d],

Проверочные расчеты винта на прочность и продольную устойчивость проводятся аналогично методике, приведенной в разд. 11.3. Однако при определении крутящего момента 7 приложенного к винту, для определения осевой нагрузки следует учитывать момент трения в шарикоподшипниках винта Г_оп, который по величине сравним с моментом трения в резьбе ШВП Т_в. Тогда

где Т_в = F_a tg (у + v_K)D_pJ2; Г_оп = Т₀ + 1,5k’F_ad'₀/D'_w; ф^ = = arctg k/(D_w cos а_к) — приведенный угол трения качения; k = 0,001…0,015 мм — коэффициент трения качения в ШВП; k' = 0,005…0,007 мм — коэффициент трения качения в шарикоподшипниках винта; Т₀ = 0,004id'₀F_a — момент трения ненагруженного шарикоподшипника, Н • мм; d'₀ = (?>' + d')/2 — средний диаметр шарикоподшипника; D_w — диаметр шарика шарикоподшипника; d D' — внутренний и наружный диаметры подшипника.

При преобразовании вращательного движения в поступательное КПД ШВП определяется по формуле (11.19) с заменой ф' на ф'. Так как ф' «у, то КПД шариковой передачи даже при малых углах подъема винтовой линии достигает 80…90%.

У ШВП, работающих при значительных нагрузках, деформации его элементов наряду с трением качения вызывают трение скольжения. В этом случае действительные значения.

Рис. 11.10.

КПД будут ниже на 6…8%. Влияние трения скольжения на КПД тяжелонагруженного ШВП можно учесть с помощью коэффициента k_c: у'_к1 = k_cy'_K. Величина k_c зависит от нагрузки и твердости контактирующих тел, k_c*= 1,5…3.

Условие самоторможения в ШВП имеет вид.

Расчеты ШВП с параметрами, указанными в табл. 11.2, показывают, что большинство ШВП являются несамотормозящимися.

В качестве примера на рис. 11.10, а показана шариковинтовая передача, применяющаяся в узле изменения стреловидности крыла современного сверхзвукового самолета (рис. 11.10, б). Движение к вращающемуся винту 6 передается от конического двухпоточного редуктора через зубчатую цилиндрическую передачу 2, понижающую частоту вращения винта. С помощью винтовой резьбы и шариков 4 вращение винта в ней преобразуется в поступательное перемещение гайки 5. Непрерывность циркуляции шариков обеспечивается перепускным каналом 3, выполненным в гайке. Узлом крепления 7 гайка связана с крылом самолета. Винт в корпусе ШВП 1 фиксируется радиальными 9 и радиально-упорными 10 шарикоподшипниками. Для предохранения пары винт— гайка от загрязнения в конструкции ШВП предусмотрен защитный кожух 8.

Роликовинтовые передачи (РВП). Эти передачи аналогичны ШВП, но в качестве промежуточных тел качения применяются 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 большей, чем ШВП несущей способностью и жесткостью. РВП с короткими резьбовыми роликами используются при малых скоростях и высоких нагрузках, РВП 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. 11.11, где 1 — гайка, 2 — винт, 3 — резьбовые ролики. Резьбовые ролики удерживаются с помощью сепаратора или специального устройства с зубчатым зацеплением.