В машиностроении очень широко применяются механические передачи, которые передают движение от двигателя к исполнительному механизму с изменением силовых и кинематических параметров, а в других случаях преобразуют один вид движения в другой. Наиболее распространены механические передачи, у которых входной и выходной валы (звенья) совершают вращательное движение. В зависимости от назначения исполнительного механизма используются зубчатые, червячные, ременные передачи, цепные передачи и другие. Реже используются механические передачи для преобразования вращательного движения входного звена в поступательное движение выходного звена. Среди них доминируют винтовые передачи, о которых и пойдет речь.
Фото: Влад Некрасов, Коммерсантъ
Фото: Влад Некрасов, Коммерсантъ
С древних времен человек хотел получать выигрыш в силе, что привело к изобретению рычага и винтовой передачи, которая известна по меньшей мере более двух тысяч лет. В те времена она применялась для выжимания оливкового масла и вина. По мере развития человеческого общества винтовая передача модернизировалась и дошла до наших дней. С уверенностью можно сказать, что и в дальнейшем она будет применяться, так как основным ее достоинством является простота конструкции — она состоит из двух деталей: винта и гайки, технология изготовления которых хорошо отработана. Винтовая передача имеет и другие достоинства, но и целый ряд недостатков, причина которых заключается в том, что между винтом и гайкой реализуется трение скольжения. Отсюда низкий КПД, быстродействие, ресурс и т. д.
Чтобы преодолеть эти недостатки, надо было разработать винтовую передачу, в которой реализуется трение качения. В конце XIX века инженеры изобрели шариковинтовую передачу (ШВП, см. рис.).
В ней трение качения достигается за счет того, что между винтом (1) и гайкой (2) размещены промежуточные детали (шарики (4)), которые при работе передачи катятся по винтовым поверхностям винта и гайки, а в конце пути по специальному каналу (3) (каналу возврата) возвращаются в начальное положение. ШВП стали применять в высокотехнологичных изделиях. Однако и они имели целый ряд недостатков, поэтому разработка новых конструкций винтовых передач качения продолжалась.
В середине ХХ века была изобретена роликовинтовая передача (РВП, см. рис.). Она имеет сложную конструкцию, кинематику и целый ряд особенностей.
РВП состоит из многозаходных винта (1) и гайки (2), между которыми в отверстиях двух сепараторов (3) установлены резьбовые ролики (4), имеющие на своих концах наружные зубчатые венцы (А). Наружные зубья венцов (А) на роликах зацепляются с внутренними зубьями втулок (5), закрепленных в гайке (2). Указанные зубчатые зацепления синхронизируют работу роликов и не позволяют им выкатиться из гайки.
При работе РВП винт вращается, гайка перемещается вдоль оси винта, а ролики совершают сложное движение (переносное и относительное). Совместно с сепараторами они вращаются вокруг оси винта, при этом каждый ролик вращается вокруг собственной оси. В своем сложном движении ролик обкатывается по гайке, а в точке взаимодействия с винтом суммарная линейная скорость ролика равна линейной скорости винта. Таким образом, реализуется трение качения, но оно возможно только при определенном соотношении средних диаметров резьбы винта, роликов и гайки и их числа заходов, что является одной из особенностей РВП.
Резьбовые детали РВП имеют специальную резьбу с углом профиля Все резьбовые поверхности этих деталей закалены до высокой твердости (не ниже 60 HRCэ). Для предотвращения нежелательных кромочных контактов сопрягаемых витков резьбы деталей РВП витки резьбы роликов выполняют выпуклыми фасонными, а витки резьбы винта и гайки — треугольными (см. рис.).
Профиль витка резьбы: а — винта; б — ролика; в — гайки
Начальная точка контакта между сопрягаемыми витками ролика и винта, ролика и гайки расположена на средних диаметрах резьбы этих деталей. Значит, эти точки (диаметры) определяют передаточное число РВП, и в этих точках происходит передача нагрузки с одной детали на другую. Отсюда в РВП номинальными диаметрами резьбовых деталей являются средние диаметры их резьбы, что является особенностью РВП.
В РВП передача нагрузки с винта на гайку осуществляется через N роликов (силовых потоков). Для повышения нагрузочная способность, жесткости и точности РВП значение N выбирают близким к максимально возможному значению. Отсюда РВП является многопоточным механизмом, и для более равномерного распределения нагрузки по потокам (роликам) точность изготовления резьбовых деталей очень высокая. Например, разноразмерность роликов по среднему диаметру резьбы для одной РВП не должна превышать 1… 4 микрометров в зависимости от шага резьбы Р и типоразмера передачи.
Количество сопрягаемых витков винта и ролика, которые участвуют в передаче нагрузки, достигает нескольких сотен. Через такое же количество сопрягаемых витков нагрузка передается с роликов на гайку. То есть РВП относятся к механизмам с многочисленными избыточными связями, силовые расчеты которых затруднены.
РВП имеют и другие особенности, а также присущие им достоинства и недостатки. Если РВП сравнивать с ШВП, то они, имея примерно одинаковые КПД и кинематическую точность, превосходят ШВП: по нагрузочной способности в три раза, по осевой жесткости в полтора раза, по допускаемой частоте вращения винта в два и более раз, по долговечности до 30 раз, по величине диапазона изменения передаточного числа в десятки раз и т. д. Отсюда в настоящее время РВП выглядят наиболее перспективными преобразователями вращательного движения в поступательное.
Кроме того, количество различных конструкций РВП достаточно велико, все они обладают различными свойствами. Значит, для заданных условий работы можно выбрать рациональную конструкцию РВП.