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

Функциональное предназначение и устройство

Как ранее было отмечено, шарико-винтовая пара применяется для передачи усилия и преобразования вращения в поступательное движение. Устройство характеризуется наличием нескольких элементов:

Стержень с винтовыми канавками.
Гайка с подходящей резьбой и размером.

Наибольшее распространение получили варианты исполнения, характеризующиеся резьбой с полукруглым профилем. Шариковые винтовые пары довольно просты в исполнении, что определяет их надежность и длительный срок эксплуатации.

Устройство шарико-винтовой передачи

Применение ШВП

Шарико-винтовые пары используются в различном оборудовании, требующем преобразовать вращение привода в поступательное движение определенного узла. Они востребованы в металлургической сфере, машиностроении, автопроме, авиастроении, ракетостроении, пищевой отрасли и легкой промышленности.

На основе таких элементов создаются линейные ШВП модули, содержащие корпус из металла, измерительные компоненты, сервоприводы и устройства автоматического управления. Они используются для оснащения станков с ЧПУ и лазерных 3D принтеров. К качеству этих комплектующих выдвигаются высокие требования, т.к. от них зависит скорость обработки, плавность хода, эффективность работы оборудования, точность позиционирования и повторяемости операций.

Принцип работы

Винтовая пара характеризуется довольно простой конструкцией, которая работает следующим образом

На момент вращения гайки шарики перекатываются по созданным каналам.
Шарики способны поступательно перемещать гайку, выталкивая из резьбы. При этом есть перепускной канал, за счет которого происходит возращение шариков в исходное положение.
Перемещение шарика происходит по замкнутому контуру, который находится внутри гайки.
Наибольшее распространение получили варианты исполнения шарико винтовые передач, в которых канал возврата соединяется два соседних витка.

Встречаются самые различные варианты исполнения рассматриваемой конструкции. Они выбираются в зависимости от условий эксплуатации и предназначения. Примером можно назвать то, что в станкостроительстве используется шариковая винтовая передача с трехконтурной гайкой. Для этого создается специальный вкладыш, для которого создается окно овальной формы. Для снижения трения и повышения показателя КПД применяются сразу три вкладыша, размещаемые под углом 120 градусов относительно друг друга.

Схема ШВП

Обслуживание ШВП, регулировка преднатяга

Шариковая винтовая передача (ШВП)— популярное и полезное конструктивное решение. Компактная, надёжная конструкция, применяемая везде, где требуется точность перемещения исполнительных механизмов. Например, перемещение стола фрезерного станка по трём координатам. Но со временем пара винт-гайка изнашивается, появляются осевые и радиальные люфты и даже подклинивание. В результате страдает качество обрабатываемой поверхности: как геометрия, так и шероховатость. Для технического обслуживания, регулировки ШВП её необходимо разобрать и затем собрать обратно, контролируя преднатяг, т.е. зазор между телами качения, гайкой и винтом. Сделать это совсем непросто, но, если знать тонкости, справиться может каждый.

Разборка

Одна из причин неудовлетворительной работы ШВП — некачественная сборка производителя. Это касается ШВП китайского производства. Проверять качество сборки нужно сразу после покупки, не устанавливая ШВП на станок. Для этого нужно извлечь пылезащитные кольца, установленные с каждой стороны гайки и попробовать расшевелить ряд шариков в крайних контурах гайки. Должен появиться зазор шириной с диаметр одного шарика. Так и должно быть для нормальной работы ШВП. Но иногда шариков просто банально не хватает (в контуре есть место для ещё 2-х шариков), что приведёт к очень быстрому износу ШВП. Чтобы проверить или обслужить внутренний контур с шариками, гайку нужно снять. Делается это простой скруткой к ближайшему концу винта. Шарики не должны выпасть, они удерживаются внутри канавок на смазке. Извлечь их можно с помощью пинцета подходящего размера.

Промывка, смазка, регулировка преднатяга

Теперь гайку необходимо промыть от мелкой стружки, продуктов износа. Щедро нанести с помощью шприца смазку типа литола, циатим 201 на поверхности канавок. Если причина обслуживания ШВП — люфт, и конструкция гайки цельная, нужно подобрать шарики диаметром на один размер больше в ряду размерности шариков производителя. Важно: шарики должны быть из одной упаковки (одной серии). Если гайка сборная, подобрать (уменьшить) толщину регулировочного кольца между половинками гайки.

Сборка

Уложить шарики пинцетом в канавки, начиная со среднего (внутреннего) контура, пока контур не замкнется и последний шарик извлечь. Уложить шарики в крайние контуры по такому же принципу. Вставить в гайку пластиковую втулку-приспособление (обычно идет в комплекте с гайкой). Назначение втулки — удерживать шарики в канавках по мере продвижения винта внутри гайки. При отсутствии втулки её можно изготовить самим на токарном станке, это простая деталь. Приставить винт и начать вкручивать его в гайку. По мере продвижения винта, он будет выталкивать втулку из гайки. Если при продвижении винта почувствуется сопротивление, подклинивание, его нужно откатить назад и снова продолжить накручивание. По окончании проконтролировать преднатяг. Если всё устраивает, установить пылезащитные кольца гайки на место.

Быстроходные или скоростные ШВП

Современные станки и иное оборудование характеризуется высокой производительностью и универсальностью в применении. Как правило, усилие создается двигателем, который совершает вращательное движение. Для того чтобы преобразовать вращение в возвратно поступательное движение применяется винтовая передача. Обычное сочетание винта и гайки характеризуется менее высоким КПД, чем новые скоростные конструкции.

Быстроходная шариковая винтовая передача характеризуется следующими особенностями:

При изготовлении применяется материал, который характеризуется высокой износостойкостью. Слишком сильный износ приводит к потери точности.
Специальная шарико винтовая передача обеспечивает быстрое перемещение гайки.

Чаще всего скоростные ШВП устанавливаются на станки с ЧПУ. За счет их применения обеспечивается быстрое перемещение исполнительных органов.

Что такое ШВП?

Шарико-винтовая передача, сокращенно ШВП – это функциональный механизм, который преобразует вращение в линейное поступательное движение. Конструктивно он состоит из длинного винта и перемещающейся по нему шариковой гайки. Между их резьбовыми поверхностями находятся шарики. Они движутся по траектории в форме спирали, после чего по каналам гаечной резьбы и беговым дорожкам винта возвращаются в исходное положение.
Чаще всего концы винта фиксируются на подшипниковых опорах, а с движущимся узлом соединяется гайка. При вращении винта она прямолинейно движется по нему совместно с полезной нагрузкой. Но бывают и ШВП другой конструкции – с вращающейся гайкой. В таких моделях винт поступательно движется относительно гайки.

Классификация

При изготовлении шарико винтовой передачи могут применяться самые различные технологии. В зависимости от их особенностей выделяют следующие виды конструкций:

Катанные получаются при применении метода холодной катки. Как правило, подобная технология характеризуется меньшими затратами при ее применении. За счет этого соотношение цены и качества максимально высокое, то точность получаемых изделий низкая.
Шлифованные – прецизионные изделия, которые после нарезания резьбы и закалки подвергаются шлифованию. За счет этого обеспечивается высокая степень гладкости. Большинство изделий из этой группы характеризуется повышенной точностью. Однако, процесс закалки и шлифования определяет существенное повышение стоимости изделия.

Виды шарико-винтовой передачи

Провести классификацию также можно по конструктивным особенностям:

При изготовлении стандартной шарико винтовой пары применяются стандарты DIN.
Прецизионные получают путем применения технологии шлифования. Конструкция может состоять из одной или двух гаек, которые предварительно натягивают.
Есть варианты исполнения, полученные шлифованием, с сепаратором. Подобная конструкция характеризуется наличием конструкции, за счет которой обеспечивается возврат шариков в начальное положение.
Шарико винтовая передача с вращающейся гайкой имеет встроенный подшипник, который обеспечивает точное перемещение подвижного элемента.
В рассматриваемую категорию также включается шлицевой вал с втулками шарикового типа. Подобная шарико винтовая конструкция характеризуется компактностью и простотой монтажа.
Вариант исполнения консольного типа. Применяется в случае, когда требуется компактная передача.

Подобная классификация учитывается при выборе требуемой конструкции.

Технические характеристики ШВП

При выборе шарико-винтовой передачи учитываются ее основные характеристики. Как правило, они следующие:

Протяженность стержня. Характеристики ШВП для оборудования с ЧПУ характеризуются максимальной длиной около 2-х метров. Это связано с тем, что слишком длинное изделие может деформироваться при точечном воздействии.
Линейное скоростное передвижение – основной показатель, который стоит учитывать.
Диаметр и шаг винта также можно назвать важными показателями. Именно они определяют то, какая нагрузка может оказываться.
Точность изделия, которая варьирует в пределе от С1 до С10.

Технические характеристики ШВП

Можно встретить также табличную информацию, которая применяется для определения основных характеристик.

Установка передачи

Выбор ШВП можно провести в процессе разбора конструкции и эскизного проектирования. Перед установкой винтореечной шариковой передачи проводится расчет:

Величины хода стола.
Необходимое усилие, которое должно быть на винте.
Выбирается наиболее подходящая длина винта.
Точность определяет, нужно ли проводить установку шарико винтовой передачи, полученного путем шлифования или холодного проката.
Определяются конструктивные особенности гайки: возврат шариков в исходное положение, нужен ли подшипник, какой должна быть гайка. Примером можно назвать то, что конструкция с одинарной гайкой обходится намного дешевле, но вариант исполнения с двойной более износостойкий.
Уточняется, должен ли надежно фиксироваться свободный конец.
Определяется то, как шарико винтовая передача соединяется с корпусом.

Шарико-винтовая передача перед установкой

После выбора подходящего варианта исполнения шарико-винтовой передачи проводится ее установка. Крепление может проводится при применении винтов и заклепок или путем сварки.

Область применения

Основные характеристики определяют широкое распространение ШВП. Примером можно различные узлы автомобилей и станки. Более наглядным применением ШВП можно назвать нижеприведенные случаи:

Изготовление привода станков ЧПУ. Современные варианты исполнения обладают несколькими линейными приводами. Примером можно назвать случай, когда станок Tornos имеет 14 управляемых осей.
КАМАЗ и некоторые другие автопроизводители применяют подобную рейку при изготовлении рулевого механизма. За счет этого упрощается процесс изменения положения тяжелых колес, которые отягощены грязью.
При производстве принтера и другого типографического оборудования устанавливается подобная рейка.

Шарико-винтовая передача на станке с ЧПУ

Как ранее было отмечено, в качестве основного источника усилия устанавливается двигатель. Вращение преобразуется рейкой в возвратно-поступательное движение, которое весьма распространено.

Преимущества ШВП перед остальными видами передач

Преимуществ у ШВП довольно много. Подобная конструкция характеризуется следующими достоинствами:

Низкий коэффициент трения, который достигается за счет применения шариков.
Более высокое значение КПД. Если сравнивать другие аналоги, которые могут передавать поступательное движение, то они существенно уступают. У многих вариантов исполнения ШВП имеет показатель КПД на уровне 90%.
Скольжение отсутствует по причине применения канавок с шариками. За счет этого также существенно повышается длительность эксплуатации.
Простота обслуживания и ремонта. При необходимости можно быстро добавить масло в зону хода винта. Смазывающее вещество равномерно распределяется по поверхности, за счет чего повышается эксплуатационный срок.
Высокая скорость перемещения, которую можно достигнуть за счет использования специальных вариантов исполнения ШВП.
Сниженное требование к приводу по показателю мощности. Это связано с низким сопротивлением хода винта.

Однако есть и несколько существенных недостатков, которые должны учитываться при выборе привода. Примером можно назвать высокую вероятность обратного хода при установке винта под большим углом или вертикально. Этот недостаток связан с тем, что трение минимальное.

Рассматриваемую шарико-винтовую передачу не рекомендуется использовать при создании ручных подач. Кроме этого, негативным фактором можно назвать высокую стоимость изделия, так как оно состоит из нескольких точных элементов. Для обеспечения низкой степени износа поверхность подвергается закалке, за счет чего стоимость изделия также повышается.

Выбор ШВП. Важнейшие параметры.

В сегодняшней статье мы рассмотрим такой типовой для станков узел как ШВП (сокращенное название от слов: шариковинтовая передача, шариковинтовая пара, шариковинтовой привод или также от часто встречающихся вариаций написания «шарико-винтовая передача», «шариковая винтовая пара» и т.д.). Данный, часто незаменимый, элемент является довольно заурядным для инженера-конструктора с опытом проектирования станков, но весьма незаурядный для тех, кто первый раз с ним столкнулся. Мы рассмотрим ШВП со стороны человека, не имеющего специального образования в данной сфере, но желающего собрать для себя или может быть с коммерческими целями станок с ЧПУ. Мы не станем описывать общие принципы работы, расписывать и зарисовывать как перекатываются шарики в гайке, какой формы бывают эти самые гайки — всю эту информацию вы с лёгкостью найдете в сети. Рассмотрим параметры ШВП, непосредственно влияющие на качественные характеристики станка: скорость, точность, нагрузочная способность.

Трудно выделить главное, поэтому представим себя в роли покупателя, желающего приобрести столь важную и определяющую немалую часть технических характеристик станка деталь – ШВП. После беглого ознакомления с массой сайтов мы узнем, что определяющие параметры — диаметр и шаг этой самой шарико-винтовой передачи. У любого из продавцов найдем: ШВП 16х5 (к примеру) – длина такая то, тип гайки и … И вроде бы все понятно, но так ли просто? Для чего эти умудрённые опытом инженеры имеют столь серьезный вид выбирая ШВП? И так ли с нами честны продавцы, акцентируя внимание только на этих параметрах? Задуматься об этом вас заставит чертеж обычного ШВП. Он кстати, кликабельный (PDF-формат, 105 кБ).

В дальнейшем будем приводить лишь фрагменты для упрощения чтения и чтобы каждый раз не к полноразмерному PDF-документу. Это стандартный чертеж с массой нормируемых параметров, по которому осуществляется реальное производство. Важно отметить, что параметры гайки и винта тесно между собой связаны и связаны неразрывно. То есть переставив гайку на другой, вроде бы «такой же винт», вы уже получите несколько иные — но казалось бы вроде «такие же характеристики». Если же вы приобретаете изделие с неоговоренными аналогично иллюстрации параметрами или отдельно гайку и винт – задумайтесь, купили ли вы это для станка или вам нужен винтовой домкрат? Винт есть и там, и там.

Наверное нет смысла описывать геометрические параметры и допуски. У каждого в школе было черчение, а компенсировать пробелы в базовом образовании не является целью этой статьи, поэтому рассмотрим непосредственно характеристики (технические данные) указанные в табличной части. За исключением одного маленького значка – закрашенного наполовину кружочка.

Это зона переходного отпуска. Дорожки качения в этой зоне имеют меньшую твердость по отношению к остальной закаленной части. И этот тот предел, за который не рекомендуется перегонять гайку в процессе эксплуатации. Наличие этой части обусловлено технологическими процессами при обработке ШВП под подшипниковый узел. Длина этой части вариативна и зависит как от диаметра винта, так и от применяемой схемы отпуска. Вам важно лишь запомнить, что это конечная точка пути для торца гайки.

Далее по порядку и начнем непосредственно с обозначения.

4 – число заходов винта. Для потребителя эта информация не несет должным счетом ничего. Можно, конечно, порассуждать о том, что это повышает ремонтопригодность ШВП в последствии по отношению к примеру, к 2-м заходам винта, поскольку позволяет установить новую гайку на новые (неиспользовавшиеся) дорожки качения, но, во-первых, это зависит от конструктивных особенностей гайки, а во-вторых, как отмечалось ранее, соблюсти характеристики винт-гайка при установке новой непросто, хотя и возможно, если у вас изначально имелся полный чертеж. Если обобщить, то этот параметр (число заходов винта) скорее информационный.

R – говорит о правой резьбе. К слову сказать, левосторонняя используется не часто, и в основном там, где требуется обеспечить синхронное схождение – расхождение механизма без значительного усложнения кинематики.

20 – габарит винта. Величина, зачастую принимаемая за внешний диаметр винта, но не всегда ему на 100% соответствующая, особенно в накатных винтах. Отличия реального размера как правило невелики от габаритной величины, но могут быть критичны в точных механизмах – обращаем внимание.

20К3 – значения относящееся к гайке указывающие на габаритный размер винта (20), для которого предназначена, схему рециркуляции тел качения и число циркулирующих контуров (К3). Опять же, значения для конечного пользователя интересные мало, тем не менее определяющие некоторые технические параметры. В частности, максимально возможную скорость вращения винта, косвенно нагрузочные характеристики, а также шумовые.

FSCNW – сама гайка c уплотнением. В данном случае FSC: фланцевая, одинарная с кассетным типом рециркуляции. NW – уплотнение из синтетической резины. Стоит отметить, что весьма распространённым типом уплотнения является фторопластовое, однако уплотнением его можно назвать с натяжкой, поскольку в нем не обеспечивается плотность прилегания к профилю винта и соответственно необходимая герметизация внутренней части гайки. Учитывая тот факт, что одной из самых распространённых причин выхода из строя гайки является засорение каналов рециркуляции и их последующее выдавливание шариками — имеет смысл при выборе ШВП обратить самое пристальное внимание на уплотнение.

2380 – длина винтовой части.

2500 – общая длина винта.

0.05 – указывает на накопленную погрешность на 300 мм длины винтовой части. Т.е. эти цифры характеризуют непосредственно точность. В данном случае отклонение может составить до 50 микрон на каждые 300мм хода.

Более подробная информация по типам гаек, винтов их видам и конструктивным особенностям находится в каталогах производителей, которые, как правило, имеются в свободном доступе.

Теперь к табличной части. Рассмотрим ее по частям.

Как вы можете заметить некоторые строки незаполненные. Это данные предоставляемые клиентом при производстве ШВП под конкретные проектные требования. В нашем случае к ШВП специальных требований не было.

Support metod – fixed-fixed. Указывает на схему крепления ШВП в подшипниковых опорах – две фиксированные.

Critical speed – максимально допустимая частота вращения. Из этой величины мы легко можем посчитать предельную линейную скорость движения гайки умножив ее на шаг винта. В нашем случае 668х20 = 13 360 мм/мин. Важно знать, что эта величина зависит от диаметра винта, его длины и схемы фиксации в подшипниках. Если поменять тип подшипниковой опоры с одной стороны, то допустимые обороты будут другими.

V300p – накопленная погрешность на 300 мм длины винта. В нашем случае это 0,05 мм – наиболее типовое значение для станков общего назначения. На практике это говорит о том, что отклонение на 300-миллиметровой длине винта не превысит 50 микрон. Может показаться, что это много, но это отклонение от АБСОЛЮТНОЙ величины при 20ᴼС ±1ᴼС! Т.е. к примеру, вместо заданных 300 мм, в реальности, ось станка может пройти 300,05 мм. На сколько это будет критично – решать вам. Всегда можно купить ШВП с более высоким классом точности. Но нужно ли это реально? Высокие точности подразумевают и высокие точности остальных элементов системы, в том числе и непосредственно базы станка. Рассуждения на тему как создать ультрапрецизионный станок оставим на потом, а что касается типовых применений, то на наш взгляд данного класса точности ШВП более чем достаточно. В своих проектах мы используем именно этот класс точности.

ер – это максимальная общая погрешность винта на всей длине. По сути это расчетная величина равная длине винтовой части разделенной на 300 и умноженной на V300p. Носит скорее информационный характер для конкретного винта. В остальной части указываются общие точностные нормы (normal tolerance) для размеров, допуски по которым не указаны на чертеже.

Перейдем к наиболее информативной табличной части.

Для удобства геометрические параметры винта, указанные в таблице, представим в виде единой иллюстрации с обозначениями, указанными на английском и русском языках.

Пояснения на этом рисунке требует лишь одна величина – root diameter (R.D.) — это внутренний, еще называют – корневой, диаметр винта. Величина эта нужна для расчета критической скорости вращения. Зачастую критическую скорость считают по внешнему диаметру винта, что не совсем правильно.

Preload – предварительный натяг. Величина указывающая на эквивалентную нагрузку приложенную к гайке ШВП. Чем она больше, тем выше жесткость пары винт-гайка. Само наличие этого параметра указывает, на то что система беззазорная. Т.е. гайка не имеет свободного хода. Это крайне важно для станков построенных с использованием линейных направляющих. Несмотря на то, что даже хоббийные системы ЧПУ позволяют учесть люфт механической системы с целю его компенсации, работает это не так хорошо, как хотелось бы, а точнее не работает совсем. Причиной этого является увод механизма посредствам рабочего инструмента (фрезы к примеру) во время обработки детали. Забавно, что компенсация люфта в ЧПУ может довольно неплохо работать в системах, построенных на направляющих скольжения по схеме «ласточкин хвост». Опять же не будем углубляться в теорию почему так происходит, просто стоит запомнить, что в станках на направляющих качения винты должны быть с преднатягом. Сам по себе преднатяг вещь не бесплатная, т.к. для его обеспечения требуется соблюсти высокие точностные параметры для пары винт-гайка, а уж тем более для его нормирования в заданных пределах, как в нашем случае — 40 кг. Казалось бы, зачем нормировать? Берем с запасом! Однако не так все просто. Увеличение предварительного натяга ведет к сокращению срока службы ШВП, ведь как мы помним это эквивалент приложенной нагрузки, а значит даже без нагрузки от механизма, ШВП уже работает с нагрузкой. Дополнительно так же возрастает момент, требуемый даже для холостого вращения винта, что поведет за собой увеличение мощности привода. Исходя из многолетнего накопленного опыта для общепромышленного применения считаем наиболее оптимальным выбор натяга в 4-5% относительно динамической нагрузочной способности ШВП (как в нашем случае). В системах с ударной и жесткой вибрационной нагрузкой преднатяг стоит выбирать в диапазоне 7-10%. Ну и для систем требующих особой плавности хода – не более 2%. Описанное выше вовсе не говорит о том, что ШВП с зазором не имеют права на жизнь. Есть множество механизмов где зазор в разумных пределах вообще никак не скажется на результате работы, но в варианте построения станка, коим мы задались ранее, зазор не приемлем.

S.F. (starting force) – сила страгивания гайки (без нагрузки). Измеряется динамометром по касательной к окружности гайки при тяге за одно из крепежных отверстий. Выражается в килограммах силы. Если форма гайки отлична от круглой — например, квадратная, то точка приложения нагрузки дополнительно указывается на чертеже.

DRAG TORQUE – так же как и starting force указывает силу требуемую для страгивания (начала движения) гайки без нагрузки, только выражена в килограммах силы на сантиметр. Величина более удобная для применения в расчетной части, нежели S.F. Эти величины легко пересчитываются друг в друга, поэтому даже если указана одна из них, то это можно считать достаточным.

DIRECTION OF TURN – указывает на направление захода винта. В нашем случае «R» – правозаходний.

BACKLASH – указывает осевой люфт. У нас «0», а значит система с преднатягом.

CIRCUIT – число шариковых витков несущих нагрузку.

LEAD ANGLE – угол подъема винтовой канавки.

DYNAMIC (kgf) – динамическая нагрузочная способность винта в килограммах силы. Величина, при приложении которой ресурс винта составит 1 000 000 оборотов (c 90% вероятностью). Данная величина важна сугубо для расчетной части и не является рекомендуемой. Рекомендуемая эксплуатационная величина нагрузки на винт составляет 20-25% от динамической. В этом случае расчетный ресурс составит 64 — 125 миллионов оборотов (опять же с 90% вероятностью). Однако, в зависимости от конкретных условий работы, конструктор может использовать и другие величины прилагаемых нагрузок.

STATIC (kgf) – статическая нагрузочная способность винта в килограммах силы. Сила, при приложении которой остаточная деформация между шариком и дорожкой качения составит 0,0001х диаметр шарика. Как вы сами понимаете нагружать ШВП до этой величины не стоит, даже кратковременно.

В заключительной части таблицы содержится информация о материалах, твердости дорожек качения, кто чертил, кто проверил… Несомненной пользой, которую вы можете извлечь из данной таблицы является имя заказчика в графе CUSTR, на данном чертеже – KUGEL (Кюгель). Это имя клиента, разместившего заказ у завода производителя и соответственно, если вы покупаете ШВП у нашей компании, значит между вами и заводом-производителем всего одно звено, и оно официальное, что позволяет не сомневаться в качестве приобретаемой продукции. Купить ШВП по выгодной цене вы можете в соответствующих разделах нашего интернет-магазина:

Шлифованные ШВП

Накатные ШВП

ШВП для ремонтных нужд (для наиболее распространенных моделей станков)

Статьи

09 ноя 2020