Материал: Расчет и конструирование станков. курсовое проектирование. Пачевский В.М., Старов В.Н

6.2 Передача винт-гайка качения

Шариковая винтовая передача (ШВП) представляет собой пару «винт-гайка» с телами качения шариками в винтовых канавках винта и гайки. Винтовые канавки служат дорожками качения и могут быть трапецеидального, прямоугольного или криволинейного профиля. Чаще всего применяется радиусный профиль позволяющий создавать конструкции ШВП с регулируемым натягом.

ШВП используют в приводах подач столов, суппортов, шпиндельных бабок, траверс станков всех типов (малых и средних размеров и некоторых, тяжелых с различными системами управления).

Положительные свойства ШВП таковы:

- высокая жесткость и беззазорность соединения винт-гайка;

- высокая точность за счет создания предварительного натяга;

- независимость силы трения от скорости, и малое трение покоя и, следовательно, плавность движения;

- низкие потери на трение и, следовательно, высокий к.п.д. – (0,9-0,95);

- малый крутящий момент на ходовом винте;

- возможность передачи больших усилий; малая изнашиваемость;

- высокая чувствительность к микроперемещениям.

К недостаткам ШВП относятся:

- отсутствие самоторможения; сложность изготовления;

- высокая стоимость; пониженное демпфирование; необходимость надежной защиты от стружки и пыли.

Отраслевыми стандартами регламентируются основные размеры ШВП для унифицированных передач с полукруглым профилем резьбовых канавок, основным шагом и трехвитковыми полугайками (табл. 11) .

Представленная в таблице величина F_a-осевая сила, действующая на 2,75 витка резьбы при долговечности N=1· 10⁶ оборотов. Радиус канавок превышает на 3-5 % радиус шарика, угол контакта шарика - 45⁰.

Устройство возврата шариков обеспечивает их перемещение по замкнутой траектории с помощью вкладыша, соединяющего два витка. Вкладыши вставляются в три окна корпуса гайки расположенные под углом 120⁰ 15¹ . В этом случае шарики разделены на три циркулирующие группы.

Натяг, исключающий осевой зазор, создается деформированием контактирующих тел с помощью второй полугайки, которая может смещаться относительно основной (рабочей) в осевом за счет сменных прокладок или поворотом относительно этой оси. В зависимости от величин натяга и внешней осевой силы нагрузка или распределяется на обе полугайки или нагружается только рабочая.

Если внешняя осевая нагрузка F_a и натяг F_H одинаковы, то нагружается рабочая полугайка и частично разгружается вторая. При F_a > 2,83 F_H происходит полная загрузка нерабочей полугайки. При внешней осевой нагрузке F_a < 2,83 F_H рабочая полугайка нагружена действительной осевой силой

F_aд = F_H+0,65F_a, а нерабочая F_aд = F_H-0,35F_a.

Для повышенной точности величину натяга рекомендуется принимать 10…15% динамической грузоподъемности винтовой передачи.

Материал винта и гайки должен обеспечить твердость рабочих поверхностей не менее 61 НRС. Для винтов используют стали ХВГ, 7ХГ2ВМ с объемной закалкой; стали 8ХВ, 8ХФ с индукционной закалкой; стали 20ХЗВМФ с азотированием.

Для гаек используются стали 9ХС, ШХ15, ХВГ с объемной закалкой и цементируемые стали 18ХГТ, 12ХНЗА и 12Х2Н4А. Шарики изготавливаются из хромистых коррозионно-стойких сталей, используемых в шарикоподшипниках.

По своему назначению ШВП разделяются на транспортные классов Т и позиционные классов П. В металлорежущих станках в механизмах подач применяются ШВП классов П различной точности.

ШВП выходят из строя в результате усталости поверхностных слоев шариков, гайки и винта, потери устойчивости винта, износа элементов передачи и, как следствие, снижения точности. Причины – превышение нагрузки на винт, низкая расчетная долговечность, значительный относительный перекос винта и гайки, плохая защита от загрязнений.

6.2.1 Проектный расчет швп

Исходными данными являются: общая длина винта, расчетная длина винта, способ установки винта на опорах, максимальное значение осевой нагрузки на передачу, максимальная частота вращения винта (гайки).

Определение линейных размеров винтов и способы установки винтов на опорах рассмотрены в разделе 6.1.

Для ШВП наиболее характерна установка винта на опорах с защемлением обоих концов. Короткие винты устанавливаются на одной опоре. Расчетная длина винта L при установке на двух опорах определяется как расстояние между серединами опор. Расчетная длина при установке на одной опоре – максимальное расстояние от середины корпуса гайки до середины опоры.

Предварительный номинальный диаметр для винтов определяется по следующим соотношениям: при длине винтов 0,7<L<1,0м d₀ = L/(20 … 25); при длине винта L>1,0 м. d₀ = L/(25 … 30). Диаметр опорных шеек для предварительного выбора подшипников принимается равным 0,8 d₀. Номинальный диаметр винта, условно принимается по расположению центров шариков.

Коэффициент трения в ШВП f = (57…85) · 10^-5, пренебрегая этим значением осевую нагрузку на винте можно определить по крутящему моменту на валу двигателя привода подач по упрощенной зависимости.

F_a= = , н, (76)

где Т – крутящий момент на винте, Н м;

Т_д – крутящий момент на валу двигателя, Н м;

- к.п.д. кинематической цепи от двигателя до винта (гайки); и - передаточное число кинематической цепи;

- шаг резьбы, мм;

Z₃ – число заходов винта (для ШВП определяется по числу витков в полугайке).

На основании полученных в первом приближении исходных данных и установленного типоразмера ШВП по каталогу определяются ее параметры. Примеры характеристик корпусных ШВП, состоящих из двух трехвитковых полугаек с обводными каналами, выполненными во вкладышах, приведены в таблицах .

Таблица 11 - Основные размеры ШВП

Таблица 12 - Параметры ШВП с основным шагом

Таблица 13 - Жесткость ШВП для различных типоразмеров

с основным шагом