Шарико-винтовая передача движения (швп): устройство, виды, принцип работы

Типы гаек ШВП

Шариковые гайки бывают:

По методу создания резьбы – катанные и шлифованные. В 1 случае резьба наносится по методу холодной накатки, а во 2-м – по технологии нарезки и многоэтапной шлифовки. Шлифованные изделия обеспечивают более высокую точность позиционирования, но и цена у них выше.
По типу конструкции – состоящие из 1-й или 2-х частей.
С фланцем и без фланца.
Подвижные и неподвижные – в зависимости от места крепления подвижного узла (на гайке или на винте).
С шагом резьбы в диапазоне 1,5–50 мм. При большом шаге резьбы выше скорость, но ниже точность позиционирования, и есть риск самопроизвольного движения гайки.
Разных классов точности – от С0 до С10, в зависимости от погрешности позиционирования гайки при ее движении вдоль винта (3,5–50 мкм).
По назначению – транспортные и прецизионные, в зависимости от обеспечиваемой точности позиционирования. Транспортные модели используются в прессах, подъемниках и другом оборудовании, не требующем высокоточного позиционирования. В остальных случаях, включая медоборудование и станки с ЧПУ, используются винты и гайки ШВП прецизионного типа.
В зависимости от рабочих условий – модели с зазором и с преднатягом. Для устранения зазора по оси, повышения жесткости и получения более точных перемещений ШВП с зазором собираются с предварительным натягом. Он реализуется использованием шариков увеличенного диаметра или установкой в общем корпусе 2-х гаек с дальнейшим осевым смещением и возможностью регулировки натяга.
По типу передачи шариков – стандартные, нестандартные и высокоскоростные. В стандартных гайках происходит внутренняя передача шариков в гнезде или рессоре передачи. В нестандартных моделях реализована наружная передача шариков в перепускном канале. Для высокоскоростных гаек характерна особая конструкция торцевых крышек, и шарики перекатываются по продольному аксиальному отверстию.
По размерам гайки ШВП бывают стандартной, миниатюрной и скоростной серии.

Типы гаек по способу создания предварительного натяга

Натяг при помощи проставки.

Для создания натяга между двух гаек вставляется регулировочная проставка нужной толщины. Изменением толщины проставки можно регулировать величину предварительного натяга. Этот способ создания натяга имеет длину примерно в 3,5-4,5 шага ШВП.

Предварительный натяг со смещением

— более компактный способ, чем при использовании двойной ходовой гайки, обеспечивает создание предварительного натяга за счет изменения шага резьбы гайки без использования регулировочной проставки. Этот способ создания натяга имеет длину примерно в 0,5 шага ШВП.

Создание предварительного натяга с постоянным давлением

обеспечивается установленной по центру гайки пружинной конструкцией. Этот способ создания натяга имеет длину примерно в 4 шага ШВП.

В остальных случаях натяг может регулироваться подбором шариков большего или меньшего диаметра.

Вращающаяся гайка

И в завершение отдельно остановимся на таком виде гайки, как вращающаяся гайка. Обычно вращается винт, а гайка закреплена на подвижных элементах станка, но в случае вращающейся гайки все наоборот – винт неподвижен, крутится гайка. В принципе это обычная гайка ШВП, но установленная в специальном корпусе через подшипники. Корпус крепится к деталям станка, а гайка вращается внутри него на подшипниках. Еще она имеет посадочное место, на которое устанавливается шкив, чтоб мотор мог крутить гайку через зубчатый ремень.

Вращающаяся гайка обычно применяется с длинными винтами, например там, где по каким-либо причинам не подходит реечный привод. Если раскрутить длинный винт до высоких оборотов, то его просто напросто размотает как скакалку, а станок будет трясти вплоть до убегания с места. Один их способов решения этой проблемы – вращающаяся гайка.

Стоит ли брать брендовые изделия?

Практика показала, что знаменитые производители также имеют процент бракованной продукции. Но он, конечно, гораздо ниже. Однако если понимать отличительные признаки некачественного товара, то можно покупать ШВП-аналоги. Проверенные фирмы могут предоставить товар не хуже брендовых и по точности и жесткости.

Однако часто эксперименты обходятся дороже затрат на оплату качественного товара при сложном техническом восстановлении процесса производства после ремонта. На маленький станок можно купить аналоги корейских или китайских компаний, но для массивного многоосевого управляющего центра требуется деталь надежная. Узнать о качестве любой продукции можно по отзывам покупателей.

Недоверие у потребителей вызывают новые фирмы-производители, не имеющие опыта в изготовлении такой продукции. Для оценки таких участников рынка прибегают к сравнению характеристик товара. Изначально в стоимость любой ШВП заложена минимальная цифра. Если товар дешевле, то он физически не может отвечать заявленным показателям. Поэтому погоня за экономией должна быть разумной.

Испытания на соответствие техническим условиям 3408-3

Измерение тормозного момента на нагружающем Δ T_p

Тормозной момент через нагружающий Tpr

Момент шарикового винта , который требуется чтобы повернуть для поворота шариковой гайки против винта (или наоборот) без внешней нагрузки

Возможные моменты трения из-за уплотняющего элемента не берутся во внимание.. Совокупный тормозной момент Tt. Момент который требуется чтобы повернуть шариковую гайку против шарикового винта (или наоборот) без внешней нагрузки, включая момент трения уплотняющих элементов

Момент который требуется чтобы повернуть шариковую гайку против шарикового винта (или наоборот) без внешней нагрузки, включая момент трения уплотняющих элементов

Совокупный тормозной момент T_t

Вариация момента

Значение колебаний предварительно определенного тормозного момента под предварительной нагрузкой. Положительное или отрицательное значение относительно среднего момента

Метод измерений

Предварительный натяг генерирует динамический момент трения между гайкой и резьбой в шарико-винтовой паре. Это измеряется путем перемещения шпинделя с резьбой на постоянной скорости, в то время как гайка удерживается специальным блокирующим устройством. Измеренная сила F используется для подсчета тормозного момента шпинделя с резьбой.

Средний крутящий момент T_p0	Общая длина
До 4000	От 4000 до 10000
40	(Длина резьбовой части/диаметр винта)≤40	–
ΔTpp (в % до T_p0)класс точности	ΔTpp (в % до T_p0)класс точности	ΔTpp (в % до T_p0)класс точности
от	до	1	3	5	7	1	3	5	7	3	5	7
0.2	0.4	± 30 %	± 35 %	± 40 %	± 50 %	–	± 40 %	± 40 %	± 50 %	± 60 %	–	–	–	–
0.4	0.6	± 25 %	± 30 %	± 35 %	± 40 %	–	± 35 %	± 35 %	± 40 %	± 45 %	–	–	–	–
0.6	1.0	± 20 %	± 25 %	± 30 %	± 35 %	± 40 %	± 30 %	± 30 %	± 35 %	± 40 %	± 45 %	± 40 %	± 45 %	± 50 %
1.0	2.5	± 15 %	± 20 %	± 25 %	± 30 %	± 35 %	± 25 %	± 25 %	± 30 %	± 35 %	± 40 %	± 35 %	± 40 %	± 45 %
2.5	6.3	± 10 %	± 15 %	± 20 %	± 25 %	± 30 %	± 20 %	± 20 %	± 25 %	± 30 %	± 35 %	± 30 %	± 35 %	± 40 %
6.3	10	–	–	± 15 %	± 20 %	± 30 %	–	–	± 20 %	± 25 %	± 35 %	± 25 %	± 30 %	± 35 %

Шариковые винтовые передачи (ШВП) SBC

Шариковая винтовая передача – наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами).

Функционально ШВП (шарико-винтовая передача) служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот). ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.

Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Каналы возврата выполняются в специальных вкладышах, которые вставляются в соответствующее окно гайки, по числу рабочих витков.

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте свой виток, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются в исходное положение на тот же или на соседний (в зависимости от конструкции) виток. Для передач с многозаходной резьбой применяется особый тип исполнения гайки.

Число рабочих витков в ШВП обычно составляет от 1 до 6. Большее число витков применяется только в сильно нагруженных передачах, например, тяжелых станков.

Основные достоинства шариковинтовой передачи:

малые потери на трение;
высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
размерное поступательное перемещение с высокой точностью;
высокое быстродействие;
плавный и бесшумный ход.

К недостаткам шариковинтовой передачи можно отнести:

сложность конструкции гайки;
ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности);
ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);
высокую стоимость (исполнения с шлифованным винтом).

Высокоточные ШВП (шарико-винтовые передачи) производства SBC

SBC Linear Co., Ltd (Сеул, Корея) – крупнейший азиатский производитель систем и компонентов линейных перемещений.

Продуктовая линейка компании включает рельсовые направляющие качения, цилиндрические линейные направляющие и линейные подшипники, линейные модули, системы роликовых направляющих и т. д. Отдельную товарную группу составляют высокоточные шлифованные ШВП и катаные ШВП, изготовленные по PSF-технологии.

SBC выпускает 4 серии шариковинтовых передач, которые различаются по конструкции гайки и шагу винта*, точности исполнения и доступным типоразмерам.

Серия STK. Диаметр винта – от 16 до 80 мм. Стандартный шаг винта – 5 мм (с увеличением диаметра винта возрастает до 10 мм и до 15 мм). Прецизионная фланцевая гайка. Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия SLK. Диаметр винта – от 16 до 62,5 мм. Фланцевая гайка с шагом от 10 до 40 мм в зависимости от типоразмера. Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия ZG. Диаметр винта – от 16 до 80 мм. Безфланцевая гайка с метрической резьбой по внешней поверхности. Стандартный шаг винта – 5 мм (с увеличением диаметра винта возрастает до 10 мм и до 15 мм). Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия MBS. Диаметр винта – от 6 до 12 мм. Фланцевая гайка с коротким шагом (от 1 до 5 мм). Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Максимальная длина винта для всех ШВП – 6 метров. Винты поставляются с предварительно обработанными концами (на выбор предлагаются несколько стандартных типов высокоточной обработки). Для нестандартных решений возможна обработка концов по ТЗ заказчика.

Для монтажа ШВП в машину или механизм предусмотрен достаточно большой выбор концевых опор, в т. ч. на подшипниках.

Все данные для расчета технических параметров и методика подбора ШВП для конкретных условий приведены в каталоге продукции.

ШВП (шарико-винтовые передачи) производства SBC рекомендованы к использованию в следующих отраслях промышленности:

точное машиностроение;
станкостроение;
приборостроение;
медицинская техника;
подъемно-транспортное оборудование;
научное и лабораторное оборудование;
упаковочное оборудование;
оборудование для пищевой промышленности;
оборудование для химической промышленности.

*Шаг винта – перемещение по оси (в мм), которое гайка совершает за один оборот.

Документация по ШВП

ШВП, опоры, обработка концов 07.02.2021

Типы рулевых механизмов

Устройство рулевого механизма различается в зависимости от способа преобразования крутящего момента. По этому параметру выделяют червячный и реечный виды механизмов. Существует еще винтовой тип, принцип работы которого схож с червячной передачей, но он имеет больший КПД и реализует большее усилие.

Червячный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Этот рулевой механизм является одним из «устаревших» устройств. Им оснащены практически все модели отечественной «классики». Механизм применяется на автомобилях с повышенной проходимостью с зависимой подвеской управляемых колес, а также в легких грузовых автомобилях и автобусах.

Схема червячного редуктора

Конструктивно устройство состоит из следующих элементов:

рулевой вал;
передача «червяк-ролик»;
картер;
рулевая сошка.

Пара «червяк-ролик» находится в постоянном зацеплении. Глобоидальный червяк представляет собой нижнюю часть рулевого вала, а ролик закреплен на валу сошки. При вращении руля ролик перемещается по зубьям червяка, благодаря чему вал рулевой сошки также поворачивается. Результатом такого взаимодействия является передача поступательных движений на привод и колеса.

Рулевой механизм червячного типа имеет следующие преимущества:

возможность поворота колес на больший угол;
гашение ударов от дорожных неровностей;
передача больших усилий;
обеспечение лучшей маневренности машины.

Изготовление конструкции достаточно сложное и дорогое – в этом главный ее минус. Рулевое управление с таким механизмом состоит из множества соединений, периодическая регулировка которых просто необходима. В противном случае придется заменять поврежденные элементы.

Реечный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Механизм “шестерня-рейка” Рулевой механизм реечного типа считается более современным и удобным. В отличие от предыдущего узла, это устройство применимо на транспортных средствах с независимой подвеской управляемых колес.

В реечный рулевой механизм входят следующие элементы:

корпус механизма;
передача «шестерня-рейка».

Шестерня устанавливается на рулевом валу и находится в постоянном зацеплении с рейкой. В процессе вращения рулевого колеса рейка перемещается в горизонтальной плоскости. В результате соединенные с ней тяги рулевого привода также перемещаются и приводят в движение управляемые колеса.

Механизм «шестерня-рейка» отличается простотой конструкции и высоким КПД. К ее преимуществам также можно отнести:

меньшее количество шарниров и тяг;
компактность и невысокая цена;
надежность и простота конструкции.

С другой стороны, редуктор этого типа чувствителен к ударам от неровностей дороги – любой толчок от колес передастся на руль.

Винтовой редуктор

Устройство винтового редуктора Особенностью этого механизма является соединение с помощью шариков винта и гайки. За счет чего наблюдается меньшее трение и износ элементов. Механизм состоит из следующих элементов:

вал рулевого колеса с винтом
гайка, перемещаемая по винту
зубчатая рейка, нарезанная на гайке
зубчатый сектор, с которым соединена рейка
рулевая сошка

Винтовой рулевой механизм применяется в автобусах, тяжелых грузовых автомобилях и в некоторых легковых автомобилях представительского класса.

https://www.youtube.com/watch?v=5rMIudOvxeY

Производство винтов ШВП

Высокая точность позиционирования двух элементов, находящихся в паре, определяет возникновение серьезных трудностей с их производством. Радиальный зазор между винтом может стать причиной появления люфта. Рассматривая изготовление отметим нижеприведенные моменты:

Самое точное шарико-винтовое устройство производится путем шлифования. Поверхность подобным образом может обрабатываться исключительно при применении специального оборудования.
В некоторых случаях производство винта проводится при применении технологии наката. Подобный вариант исполнения винта характеризуется более низкой стоимостью, но точность довольно велика.

В интернете и других источниках можно встретить требуемые схемы для изготовления рассматриваемой пары. При этом чертеж изготавливается с учетом установленных стандартов

Сложность процесса производства определяет то, что нужно уделять внимание исключительно продукции известных компаний

Типы передач для поступательного движения

Встречается довольно большое количество различных устройств, которые могут применяться для преобразования передаваемого усилия. Большое распространение получили следующие варианты:

Кривошипно-шатунные может применяться для преобразования вращения в возвратно-поступательное движение и наоборот. В качестве основных элементов применяется кривошипный вал, ползун, шатун и специальный элемент кривошипа. Для расчета момента и других параметров могут использоваться различные формулы. В качестве основного элемента также могут использовать коленчатый вал, который имеет одну или несколько ступеней. Они получили весьма широкое распространение, к примеру, двигатели или насосы, сельскохозяйственная техника. При изготовлении основных деталей, как правило, применяется сталь с высокой коррозионной стойкостью.
Кулисные конструкции получили весьма широкое распространение, так как усилие передается без шатуна. В подобном случае ползун напоминает кулису, в которой делается специальное отверстие. На момент вращения кривошипного вала кулиса двигается вправо и налево. В некоторых случаях вместе кулисы применяется стержень с насаженной втулкой. Для обеспечения контакта применяется прижимная пружина. Существенно повысить качество работы устройства можно за счет установки ролика на конце устройства.
Кулачковые варианты исполнения применяются для преобразования вращательного перемещения в возвратно-поступательное. Основным элементом конструкции можно назвать кулачки, а также стержень, криволинейный диск. Для направления положения стержня устанавливается втулка, которая характеризуется весьма высокой точностью позиционирования. Снизить степень трения поверхности можно за счет ролика. В некоторых случаях вместо стержня устанавливается касающийся рычаг. Основные параметры могут быть рассчитаны самостоятельно. Механизм возвратно-поступательного движения рассматриваемого типа применяется в самых различных случаях, к примеру, в механизированном оборудовании.
Шарнирно-рычажные устройства устанавливаются в том случае, если нужно сменить направление движение в какой-либо части устройства. Примером можно назвать ситуация, когда вертикальное перемещение следует перенаправлять в горизонтальное. Кроме этого, в некоторых случаях нужно провести увеличение или уменьшение хода.

Приведенная выше информация указывает на то, что встречается просто огромное количество различных вариантов исполнения механизмов. Выбор проводится по самым различным критериям, которые должны учитываться.

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.

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.

Допускаемая экономия

Для сохранения бюджета используется дробление ШВП на детали. ЧПУ-станки всегда являются полностью разборными для замены самой мелкой запчасти. Однако перед проведением демонтажных работ следует ознакомиться с предложениями на рынке.

Если существует возможность поставки отдельной запчасти, что встречается нечасто, то можно извлечь деталь. Однако бывает дешевле купить ШВП полностью, чтобы обеспечить заводскую точность подгонки составляющих и сохранить гарантию на продукцию.

Бывает, что ШВП уже имеет запас прочности, который часто так и не используется. Поэтому допускается устанавливать подшипниковые пары заниженной жесткости. Но если продавец посчитает условия работы узла неудовлетворительными, то он может не дать гарантию либо снизит сроки ее действия.

Системы рециркуляции шариков

Важным конструктивным элементом можно назвать систему рециркуляции шариков. Она отличается следующими характерностями:

Шарики меняют собственное положение в каналах резьбы гайки и специализированных дорожках для бега винта. При этом они отличаются верными размерами. Во время изготовления шариков применяется сталь с большим уровнем стойкости к износу. В другом случае может возникнет люфт, который плохо проявится на эксплуатационных качествах шарико-винтовой передачи.
Если не применять специализированную систему, то в конце хода шарики просто бы выбегали из конструкции наружу. Собственно поэтому при разработке конструкции постоянно применяются системы возврата.
Внешняя система представлена железной трубкой, которая соединяет входное и отверстие для выхода. Система внутреннего типа предоставлена каналами, нарезаемыми вблизи винта.

В наши дни обширное распространение получил вариант выполнения, при котором движение шариков закольцовано. Благодаря этому обеспечиваются самые лучшие условия эксплуатации устройства.

Возможности шприцевания и систем смазок

Шприцевание – это обработка консистентными (густыми) смазками при помощи рычажно-плунжерного шприца. Спецсмазка для ШВП, линейных подшипников – Mobilux EP 2 реализуется в удобной расфасовке – в шприцах по 20 г. В некоторых случаях удобен большой медицинский шприц с капиллярной трубкой.

На различных предприятиях сформированы различные подходы. Графитовой и молибденовой смазкой одна фирма прессует раз в месяц. А в ежедневном уходе используют МС-1000, смазку для подшипников DEPO. Доступные варианты – Mobil-XHP222 (его продажа – в автомагазинах), LGHP 2 и NLGI2.

Высококачественным маслом для обработки направляющих Mobil Vactra Oil (с классом вязкости ISO 32),смазывают и узлы станков. Оно устойчиво к окислению, имеет хорошую фильтруемость, поддерживая устойчивый поток жидкости в системе. Масла серии Mobil используют при контакте с чугуном, сталью, в сочетаниях неметаллических материалов.

Существует специальное устройство – система смазки станка чпу, которая предназначена для принудительной централизованной подачи смазки в ШВП или направляющие. Каждый смазанный узел имеет длительный срок эксплуатации.

Реализуются готовые комплекты для систем подачи смазки – ZLPM1-S1, ZLPM2-S1. В них рекомендуют использовать жидкое масло, имеющее вязкость 30-46. Со станком, который смазывается при помощи систем – можно браться за выполнение любых задач.

Резьба и расчет

Кроме того, что существует несколько видов системы, имеется также несколько типов резьбы для гайки и винта. Если необходимо обеспечить наименьшее трение между деталями, то используется прямоугольный вид

Однако тут очень важно отметить, что технологичность этого типа соединения довольно низкая. Другими словами, нарезать такую резьбу на резьбофрезерном станке невозможно

Если сравнивать прочность прямоугольной и трапецеидальной резьбы, то первая значительно проигрывает

Из-за этого распространение и использование прямоугольной резьбы в винтовой передаче сильно ограничено

Если сравнивать прочность прямоугольной и трапецеидальной резьбы, то первая значительно проигрывает. Из-за этого распространение и использование прямоугольной резьбы в винтовой передаче сильно ограничено.

По этим причинам, основным типом, который используется для устройства передаточных винтов, стала трапецеидальная резьба. У того типа имеется три вида шага – мелкий, средний, крупный. Наибольшую популярность заслужила система со средним шагом.

Расчет винтовой передачи сводится к расчету передаточного соотношения. Формула выглядит следующим образом: U=C/L=pd/pK. С – это длина окружности, L – ход винта, p – шаг винта, K – число заходов винта.