Конструкция ШВП винтов - преимущества внутренних каналов рециркуляции
Рециркуляция шариков ШВП по внешней трубе создает шум, замедляет шарики и вызывает их заклинивание. Внешние каналы также являются причиной утечки смазки. Система внутреннего возврата шариков не только решает эти проблемы, но и предоставляет множество других преимуществ.
Ходовые винты — это одни из самых распространенных устройств линейного движения, благодаря их низкой стоимости и надежности. Последние решения современного машиностроения способны придать винтам предельную точность с погрешностью ниже 1 мкм. Именно по этой причине подобные винты могут быть найдены в линейном приводе для станков, аэрокосмических системах управления, направляющих и множестве промышленных устройств.
Однако ходовые винты имеют крайне ограниченные возможности. Скольжение между резьбой вала и гайкой создает большую силу трения. Как результат, КПД ходовых винтов не достигает даже 50%. К тому же, трение генерирует тепло, которое ограничивает скорость вращения до нескольких сотен оборотов в минуту. Кроме того, из-за трения резьбы образуется люфт.
В некоторых случаях, например — приведения в действие и грубого позиционирования, эффективность не так важна, и можно допустить люфт. Однако для других работ, в машиностроении с высокими нагрузками, эти ограничения являются критическими. При низком КПД требуется использовать намного бóльшие приводные двигатели, для устранения люфта нужно использовать высокоточное сервоуправление. Любая попытка устранить люфт путем предварительной загрузки вызывает еще бóльшее трение, вследствие чего КПД опускается ниже 30%.
Помещение шариковых подшипников внутрь гаечного узла, вместе с предварительной загрузкой для поддержания контакта, позволяет преодолеть подобные недостатки винтов, - КПД поднимается выше 90% и проблемы люфта не возникает. Добавление подшипниковых опор в конструкцию стало новой веткой истории и развития винтов ШВП.
Заклинивание шариков в рециркуляционных каналах
Одним из главных вызовов в конструкции винтов ШВП становится рециркуляция шариков. Исторически, в самых распространенных вариантах конструкций винтов ШВП использовались каналы (трубки), которые выступали за пределы гайки и обеспечивали обратный путь шариков внутрь нее. Однако каждый раз, в конце канала, шарик меняет направление качения. Это вызывает большие потери на трение, а также провоцирует заклинивание шариков в трубе.
Еще один из недостатков — рециркуляция шариков требует много смазки. Отверстие, через которое канал входит или выходит из корпуса гайки, довольно сложно уплотнить. Как итог, ШВП с внешним возвратным каналом имеют тенденцию протекать, а их обслуживание является весьма грязным и дорогостоящим занятием.
Кроме того, внешние возвратные каналы обычно несовместимы с вращающимися гайками. Причина кроется в том, что возвратные трубы создают асимметричные радиальные силы при вращении гайки. Радиальные силы вызывают вибрацию и неустойчивость на высоких скоростях.
За последнее десятилетие основной областью применения винтов ШВП стали станки с ЧПУ. Одним из ключевых показателей производительности шарико-винтовых передач является скоростной коэффициент DN, равный диаметру вала (мм), умноженного на максимальную скорость вращения винта (об/мин). Шариковые винты с внешними возвратными трубами имеют ограничение DN до 70 000. Мало того, заглушки, необходимые для направления шариков по возвратному каналу, подвержены поломкам.
Внутренние каналы рециркуляции
Некоторые компании используют иные инженерных подходы для создания внутренней рециркуляции шариков. Главный принцип - следовать естественной траектории. Таким образом эти виды рециркуляции основаны на тангенциальном изменении траектории качения (по касательной). Подобный метод сводит к минимуму требуемые силы, что приводит к повышению КПД и надежности. Также благодаря отсутствию ходов наружу, смазка не покидает гайку.
Есть один исторический аргумент против системы внутренней рециркуляции - она несовместима со скоростными передачами, и сложна в производстве в промышленных масштабах. В конце концов пришли к выводу, что внешняя рециркуляция удобнее, так как требует всего лишь отверстие в гайке и изогнутую трубку. В последнее время для упрощения производства внутренней системы рециркуляции, из стали или латуни фрезеруются внутренние перенаправляющие заглушки (дефлекторы), или прессуются пластиковые.
Системы внутренней рециркуляции делятся на шесть категорий: «ручей-в-ручей», линейная система и 2 вариации системы возвратных каналов в корпусе гайки - «торцевая крышка» и «Z-дефлектор»
«Ручей-в-ручей»
Система возвратных каналов «ручей-в-ручей» - это наиболее широко используемый вид рециркуляции шариков. «Ручей-в-ручей» использует дефлекторы-заглушки чтобы приподнять шарики над внешним диаметром винта, и направить их на следующий (или предыдущий) виток. Каждый дефлектор, таким образом, обслуживает один замкнутый на 360 градусов виток винта.
Дефлекторы сделаны из металла или пластика, и установлены заподлицо в корпус гайки. Заглушки-дефлекторы расположены симметрично, чтобы поддерживать баланс радиальных сил. Подобная конструкция очень компактна и имеет самый маленький диаметр гайки из всех категорий систем возвратных каналов. Подобная система подойдет для маленьких шариков, а также с коэффициентом соотношения диаметра и шага не более 0.5. Скоростной коэффициент (DN) может быть вплоть до 120 000.
Система линейного возврата
Линейная система возвратных труб — это вариация дефлекторов «ручей-в-ручей». Фактически линейная система состоит из нескольких дефлекторов, расположенных и разработанных как единая часть конструкции. Они полностью помещаются в гайку, что исключает необходимость отверстий.
Эта система была разработана для аэрокосмической отрасли, поскольку здесь предъявляются повышенные требования к точности и надежности компонентов. Ни одно из этих действий не требует предварительной загрузки, поэтому данная система — отличная замена старым, устаревшим конструкциям. Линейный возврат имеет множество преимуществ, особенно подходящих для аэрокосмической индустрии:
- он создает более высокую грузоподъемность на единицу длины гайки, поэтому можно использовать короткие и легкие гайки
- он легче в плане сборки по сравнению с самостоятельными шариковыми дефлекторами, поскольку в гайке нет отверстий, а также меньше деталей
- в отличие от обычной системы канального возврата, линейный возврат не требует дополнительного оборудования для рециркуляции, а утечки смазки
- невозможны
Система возвратных каналов в корпусе гайки
Торцевая крышка
Изначально система возвратных каналов в гайке была разработана для высоких скоростей с большим шагом. Шарики скатываются с винта, проникают в корпус гайки через отверстие в дефлекторе, и возвращаются обратно на беговую дорожку через накладку на другом конце гайки.
Данная конструкция обычно используется с коэффициентом соотношения диаметра и шага не более 0.5, а также с гайками с двумя или более стартовыми каналами для высокой грузоподъемности короткой гайки. Крышка чаще всего сделана из пластика, что делает конструкцию легче и помогает снизить шум при работе с винтом на 50%. К тому же, увеличенная длина крышек делает гайку более вместительной.
Торцевые крышки можно использовать на винтах с диаметром вала от 5 до 20 мм и шагом от 2 до 30 мм. Они способны выдерживать вплоть до 5 циркуляционных каналов, что увеличивает динамическую грузоподъемность до 30 кН и более.
Эта система возврата удерживает ускорение более 1 g. В результате основным применением системы являются устройства, требующие скорость более 2 м/с.
Z-Deflector
«Z-Deflector» - это одна из разновидностей системы возвратных каналов в корпусе гайки. Ее конструкция была разработана для винтов с каналами, заполненными шариками без зазоров. На подобных валах невозможно навинтить гайку на винт так, чтобы шарики остались на месте. Поэтому специалисты техники устанавливают гайку на вал без шариков, а после помещают их через отверстие в гайке и, наконец, прикрепляют «Z-Deflector».