Что такое шариковый винт?

Глава 1:  Шариковый винт

Шариковые винты представляют собой механические линейные приводы, которые состоят из вала винта и гайки, содержащих шарик, который перекатывается между соответствующими винтовыми канавками. Основная функция шариковых винтов — преобразовывать вращательное движение в линейное. Шариковые гайки используются для передачи усилий на стационарную или динамическую нагрузку с высокой точностью и воспроизводимостью.

Уникальным элементом шариковых винтов являются катящиеся шарики в винтовой канавке, которые уменьшают механический контакт внутри узла винта и заменяют трение скольжения трением качения. Этот механизм значительно снижает создаваемое трение, что приводит к высокоэффективному преобразованию мощности. Эффективность винтов измеряется их способностью преобразовывать мощность, используемую для приложения вращательного усилия, в преодолеваемое линейное расстояние.

 

Шариковые винты имеют более сложную конструкцию и компоненты и кажутся более громоздкими, чем другие типы винтов. Они дороже, чем другие типы винтов, но их преимущества и возможности перевешивают их стоимость.

Глава 2: Компоненты шарикового винта

Основными компонентами шариковых винтов являются вал винта, гайка и шарикоподшипники (или шарики). Мы обсудим их важные характеристики и их влияние на эксплуатацию.

 

Вал винта

Вал винта — это компонент шарикового винта, на который воздействует вращательная сила, позволяющая ему вращаться вокруг своей оси; это преобразуется в линейное движение. Мощность для вращения вала обеспечивается двигателем, который расположен на его конце.

Вал винта представляет собой длинный цилиндрический вал, имеющий непрерывную канавку, называемую шариковой канавкой, которая проходит по спирали по всей длине вала, что называется резьбой винта.

Шариковая канавка служит каналом для шарикоподшипников качения. Профиль шариковой канавки шарикового винта может представлять собой дугу полукруга или готическую дугу. Полукруглый дугообразный профиль сформирован из одной дуги, в то время как готический дугообразный профиль имеет оживальную форму, образованную из двух дуг. Два профиля пазов отличаются точками контакта, которыми они соприкасаются с шаром.

Шариковый винт идентифицируется как правый шариковый винт, если канавка прослеживается по часовой стрелке вокруг вала винта и наклоняется вправо. Это левый шариковый винт, если канавка проходит против часовой стрелки и наклоняется влево.

 

Технические характеристики вала винта:

Номинальный диаметр

Номинальный диаметр — это максимальный диаметр вала винта без учета шарикоподшипников.

Диаметр окружности шарика

Диаметр окружности шарика (или диаметр окружности шага) — это межцентровое расстояние двух противоположных шариков, измеренное, когда шарикоподшипники соприкасаются с канавками.

Диаметр корня

Диаметр стержня — это расстояние между самой нижней частью канавки и самой нижней частью противоположной канавки. Это минимальный диаметр вала винта.

 

Номинальный диаметр, диаметр окружности шарика и диаметр основания используются при расчете эксплуатационных характеристик и выборе размера винта.

Шаг

Шаг — это осевое расстояние между двумя соседними резьбами.

Ведущий

Свинец — это линейное расстояние вдоль оси винта, которое преодолевается за один полный оборот винта (3600). Это важная спецификация шарикового винта, которая определяет линейный ход, скорость и грузоподъемность.

По мере увеличения хода шариковых винтов увеличивается пройденное линейное расстояние и увеличивается частота вращения. Однако количество шариков, размещенных вокруг вала винта, уменьшается, что также приводит к снижению грузоподъемности.

 

Начать

Начало — это количество независимых спиралей, которые проходят вокруг вала винта. Винты обычно имеют одно, два или четыре начала. Ход винта эквивалентен количеству начал, умноженному на шаг. Винты с одинарным пуском являются наиболее распространенными. В винтах этого типа ход эквивалентен шагу.

Несколько пусковых винтов используются, когда требуется быстрое линейное перемещение для меньшего числа оборотов и винтов с высокой нагрузочной способностью. Это устраняет последствия использования более высоких выводов. Например, в винтах с двойным запуском ход равен удвоенному шагу; это означает, что пройденное расстояние по оси равно двум шаговым единицам за один полный оборот винта. Чем больше число пусков, тем большее линейное расстояние преодолевается за один оборот

 

Гайка

Гайка шарикового винта представляет собой цилиндр, в котором находится шарикоподшипник и его система рециркуляции. Шариковые канавки также присутствуют на внутренних поверхностях гайки, которые совпадают с канавками вала винта.

 

Технические характеристики шариковой гайки:

Схема

Контур относится к замкнутому контуру в системе рециркуляции шариковой гайки. Многозаходные шариковые гайки имеют два или более независимых замкнутых контура. Они способны выдерживать более тяжелые нагрузки, чем одноконтурные шариковые гайки.

Повернуть

Оборот цепи относится к числу оборотов, которые совершает шарик перед рециркуляцией в контуре. Соотношение между оборотом и контуром зависит от метода рециркуляции шарикового винта.

Система рециркуляции шариков в гайке позволяет «перерабатывать» шарики в процессе работы, возвращая их в исходную точку цепи. Дефлекторы, возвратные трубки и торцевые крышки — это устройства, используемые для подачи шарика обратно в исходное положение.

Шарикоподшипники

Шарикоподшипники, или шарики, являются наиболее заметным компонентом шариковых винтов, который перемещается между зазором гайки и валом. Они составляют компонент, предназначенный для уменьшения трения, создаваемого гайкой и движущимся винтом; это трение было бы слишком большим, если бы в узле винта не было шариков. Шарики обычно изготавливаются из стали.

 

Шарик соприкасается с валом винта и гайкой. Точки соприкосновения шарика между валом винта и гайкой различаются профилем канавок двух компонентов, в которых шарик соприкасается. Распространенными профилями пазов являются готическая дуга и дуга окружности:

Готический дугообразный профиль.

Это наиболее распространенный профиль паза. Он состоит из двух пересекающихся дуг. При таком профиле шарик имеет две точки соприкосновения с валом винта и две точки соприкосновения с гайкой.

Дугообразный профиль полукруглой формы.

Этот профиль паза имеет форму полукруга. При таком профиле шарик имеет одну точку контакта с валом винта и одну точку контакта с гайкой.

 

Радиус дуги в обоих профилях немного больше, чем у используемого шарика. При такой конструкции зазор между шариком и гайкой неизбежен. Этот зазор нежелателен, поскольку вызывает люфт. Этого можно предотвратить, предварительно нагрузив шариковый винт.

Уплотнение — это второстепенный компонент шарикового винта, который защищает весь узел шарикового винта. Он сохраняет эффективность шарикового винта, предотвращая попадание загрязняющих веществ и посторонних материалов в зазор между шариком и гайкой; он также сохраняет смазку узла шарикового винта.

Глава 3: Точность шариковых винтов

Высокоточный и прецизионный шариковый винт имеет минимальную погрешность хода. Погрешность хода представляет собой разницу между теоретическим и фактическим расстоянием, пройденным гайкой при вращении вала винта. Это зависит от точности изготовления шариковых канавок, компактности и точности настройки узла. Это значение может варьироваться от одного вывода к другому.

 

Предварительная загрузка, смазка и повышение точности монтажа — вот методы, используемые для повышения точности хода шариковых винтов.

Предварительная загрузка

Предварительная нагрузка — это приложение осевого усилия к шарикам и канавкам вала винта и гайки для придания им компактности. Целью предварительной нагрузки является повышение жесткости и устранение люфта узла шарикового винта. Люфт — это потеря движения, вызванная зазором между шариком и направляющими для гайки и винта. Это может нарушить точность и повторяемость, которые необходимы для точного позиционирования.

Механизм предварительного нагружения определяет, имеет ли шариковый винт одинарную или двойную шариковую гайку. Механизмы предварительного нагружения, обычно используемые в сборках шариковых винтов, следующие:

Предварительная загрузка распорки.

При предварительном натяжении распорки между двумя шариковыми гайками вставляется распорка для достижения желаемого предварительного натяга. Распорка прикладывает усилие к смежным сторонам двух шариковых гаек; это усилие передается гайке и канавкам. Этот метод используется для установки большого предварительного натяга.

 

Предварительное нагружение пружины

При предварительном натяжении  пружина помещается между двумя шариковыми гайками, которые передают предварительную нагрузку. Усилия натяжения прикладываются к двум смежным сторонам шариковых гаек за счет усилия пружины.

 

Предварительная нагрузка смещенного вывода.

Во время механической обработки для создания канавок создается смещение в выступе, который находится в середине контура рециркуляции. Поскольку не требуются распорки или пружины, он более компактен, чем механизмы с двойной гайкой. Однако этот механизм предварительного натяга создает более длинные выводы, которые снижают грузоподъемность шарикового винта.

 

Слишком большая предварительная нагрузка на шарик.

Предварительная нагрузка создается при сборке более крупных шарикоподшипников. Шарики большого размера обеспечивают более компактную конструкцию за счет увеличения площади контакта шариков с канавками. Однако этот механизм обеспечивает наименьший предварительный натяг и подходит для применений, где точность не столь важна.

 

Важно оптимизировать величину предварительного натяга в шариковых винтах и поддерживать ее в процессе эксплуатации. Большой предварительный натяг требует большего крутящего момента и может вызвать чрезмерное выделение тепла.

Смазка

Смазка важна для шариковых винтов. Она предотвращает преждевременный выход из строя шарикового винта и повышает его производительность за счет снижения коэффициента трения и сведения к минимуму выделения тепла в результате движения компонентов шарикового винта. Масла и пластичные смазки обладают охлаждающим эффектом. Нагрев вызывает тепловое расширение компонентов и отрицательно влияет на точность работы шарикового винта.

Постоянное трение металлических деталей при плохой смазке вызывает истирание — форму абразивного износа, которая вызывает разрыв металлической поверхности на микроскопическом уровне. Истирание является обычным явлением для резьбы гаек и болтов, крепежных деталей с резьбой и резьбовых вставок, включая шариковые винты. Это отрицательно сказывается на функциональности шарикового винта.

Повышение точности монтажа

Крепление — это способ опоры шарикового винта во время его работы. Чтобы получить преимущества от точности хода, обеспечиваемой шариковым винтом, он должен иметь точное крепление. Неправильный монтаж вызывает шум, вибрацию, ошибки позиционирования и может привести к разрушению материала и ускоренному износу при непрерывной эксплуатации. Неисправности установленных вспомогательных компонентов, таких как подшипники, муфты и кронштейны с гайками, должны быть немедленно проверены и исправлены для сохранения точности монтажа.

 

Глава 4: Типы шариковых винтов

Шариковые винты могут быть классифицированы в зависимости от механизма их рециркуляции шариков. Механизмы рециркуляции шариков подразделяются на системы внутренней и внешней рециркуляции.

Внутренняя рециркуляция шариков

В системе внутренней рециркуляции шариков шарики при рециркуляции остаются на корпусе гайки. Поскольку внешние выступы отсутствуют, шариковые гайки с такой системой возврата более компактны. Они также производят меньше шума и вибрации, чем внешние системы, поскольку рециркуляция происходит только внутри корпуса гайки. Типы шариковых винтов, подпадающих под эту классификацию, следующие:

Шариковые винты дефлекторного типа

Дефлекторы используются для подъема шариков по диаметру вала винта и направления шариков обратно в соседнюю канавку, которая служила их отправной точкой. На каждый оборот должен приходиться один дефлектор, перекрывающий путь шарика. Следовательно, количество витков всегда равно количеству контуров для внутренних систем возврата шарика.

Данная конструкция используется для применений, требующих тонких выводов. Он имеет компактные размеры, которые подходят для узлов с небольшим зазором.

Когда для возврата шарика используются трубки или колпачки, они могут быть сконструированы таким образом, чтобы создавать несколько независимых контуров, расположенных рядом друг с другом.

 

Шариковые винты с торцевой крышкой

Торцевые крышки установлены для направления шариков через туннель внутри шариковой гайки; это возвращает их в исходную точку. Такая конструкция идеально подходит для применения шариковых винтов с высоким содержанием свинца, поскольку они выдерживают усилие, создаваемое быстро движущимися шариками.

 

Внешняя рециркуляция шариков

В системе внешней рециркуляции шариков шарик при рециркуляции выходит за пределы корпуса гайки. Эта система может поддерживать сборку шариковых винтов с мелким ходом и широкий диапазон диаметров вала винта. Он подходит для массового производства и более экономичен, чем системы внутренней рециркуляции. Однако механизм рециркуляции сильно влияет на общий размер шарикового винта.

Единственный тип шарикового винта, в котором используется внешняя система рециркуляции шариков, — это шариковый винт с возвратной трубой.

Другая классификация шариковых винтов основана на способе изготовления шариковых канавок:

Заземляющая резьба винта

Заточная резьба винта изготавливается методом истирания. Заготовка вала расположена горизонтально, и чрезвычайно твердая абразивная фреза вырезает металл для образования канавок. Полученная поверхность канавок более гладкая, чем у свернутого винта. Шариковые винты, изготовленные с использованием этого метода, обладают высокой точностью, но стоят дороже и изготавливаются медленно.

 

Возвратные шариковые винты трубчатого типа

Шарики проходят через внешнюю трубку, выступающую из стенки шариковой гайки. Возвратная трубка направляет шарики обратно в исходную точку. На концах возвратной трубки закреплены пальцы, которые направляют шарики при входе в возвратную трубку и выходе из нее. Длина возвратной трубки поддерживается кронштейном для крепления трубки. Узел возвратной трубки прост в установке и демонтаже.

 

Свернутый винт

Накатанная винтовая резьба изготавливается методом холодной деформации. Вал неразрезной заготовки пропускается через вращающиеся штампы для формирования канавок. Большая пластическая деформация заготовки приводит к получению высокопрочного винтового вала. Он экономичнее и проще в изготовлении, чем заземляющий винт. Однако получаемая поверхность шероховатая, что снижает эффективность и износостойкость шарикового винта из-за более высокого трения, с которым он сталкивается.

 

Тип шарикового винта также можно отличить по способу предварительной загрузки, который обсуждался в предыдущей главе.

Глава 5: Сравнение шариковых винтов и ходовых винтов

 

Ходовые винты, как и шариковые винты, служат для тех же целей, что и механические линейные приводы, которые преобразуют вращательное движение в линейное. Однако эти винты отличаются по многим аспектам. В этой главе перечислены их различия, а также плюсы и минусы каждого типа.

Режим работы

Ключевое различие между шариковыми винтами и ходовыми винтами заключается в их способе передачи нагрузок. В шариковых винтах используются шарикоподшипники качения и рециркуляции в шариковых канавках винта и гайки. Ходовые винты имеют более глубокую винтовую резьбу на валу винта и соответствующую гайку, которая скользит друг с другом.

Эффективность

Ходовые винты обычно не достигают эффективности преобразования крутящего момента шариковых винтов (около 90%). Потери мощности из-за трения являются одной из причин низкого КПД. Шариковые винты устраняют трение скольжения, создаваемое металлическими ходовыми винтами. Трение, действующее на компонент шарикового винта, представляет собой трение качения, которое относительно меньше по сравнению с трением скольжения.

Материал

Ходовые винты выпускаются из полимерных материалов, покрытых материалами с самосмазывающимися свойствами, такими как политетрафторэтилен (PTFE), силикон и графит; они создают меньшее трение. Шариковые винты изготавливаются из материалов с высокой жесткостью, таких как нержавеющая сталь.

Мощность

Шариковые винты обладают большей грузоподъемностью, чем ходовые винты. Ходовые винты подходят и более экономичны для низких и средних нагрузок.

Требования к питанию

Шариковые винты обычно имеют двигатели меньшего размера, потому что они потребляют меньше энергии, чем ходовые винты.

Дизайн

Ходовые винты имеют более простую и компактную конструкцию, чем шариковые винты. Они более настраиваемы, чем шариковые винты. Они самоблокирующиеся и не требуют тормозных систем. Между тем, для шариковых винтов необходимы тормозные механизмы, исключающие движение назад. Сложная конструкция шариковых винтов увеличивает их стоимость.

Применение

Шариковые винты используются в тяжелых условиях эксплуатации, требующих высокой скорости, высокой производительности, высокой точности и длительного срока службы. Они используются в системах точного позиционирования, в автомобильных системах рулевого управления, в электромобилях, в машинах, вырабатывающих энергию, таких как ветряные турбины, солнечные батареи и гидроэлектрическое оборудование, в авиационной технике и в качестве системы просмотра в процессе фотолитографии.

Между тем, ходовые винты используются для передачи грузов, где скорость и аккуратность не имеют первостепенного значения. Ходовые винты также лучше подходят для передачи грузов по вертикали. Они используются в медицинском оборудовании, оборудовании для пищевой промышленности и лабораторном оборудовании.

Техническое обслуживание

Шариковые винты сложнее в обслуживании, чем ходовые. Для поддержания их в идеальном состоянии требуется более частая смазка.

Шум

Шариковые винты производят больше шума, чем ходовые винты.

Подводя итог, можно сказать, что шариковые винты ценятся за их энергоэффективность, точность, прецизионность и грузоподъемность. Хотя они, по-видимому, обладают более совершенными характеристиками, чем ходовые винты, ходовые винты находят свое применение там, где они считаются более экономичными, чем шариковые винты.

Заключение

• Шариковые винты представляют собой тип механического линейного привода. Шариковый винт состоит из винта и гайки с соответствующими канавками и шарикоподшипниками, которые перемещаются между ними.
• Уникальным элементом шариковых винтов являются шарикоподшипники, которые повышают энергоэффективность за счет минимизации трения при перемещении шарика и гайки. Конструкция шариковых винтов обеспечивает высокую точность при эксплуатации.
• Вал винта — это компонент, на который передается вращательное усилие. Это длинный цилиндрический корпус с шариковыми канавками.
• Шаг и ход — две взаимосвязанные характеристики шариковых винтов. Шаг относится к расстоянию между двумя последовательными резьбами, в то время как ход — это линейное расстояние, пройденное за один полный оборот. Шариковый винт с большим ходом имеет более высокую скорость вращения при работе, но меньшую грузоподъемность.
• Начало — это количество независимых резьб, которые проходят вокруг вала винта. Многократный запуск устраняет последствия наличия больших выводов.
• В гайке расположены шарикоподшипники и механизм их рециркуляции.
• Контур — это количество замкнутых контуров в системе рециркуляции. Оборот — это количество оборотов, которые совершает шарик перед рециркуляцией.
• Точность шариковых винтов повышается за счет предварительной нагрузки, смазки и повышения точности монтажа.
• Предварительная нагрузка — это приложение силы для уплотнения конструкции шарикового винта во избежание люфта. Это достигается с помощью прокладки или пружины между двумя гайками, с помощью шариков большого размера или путем смещения выступа.
• Шариковым винтам необходима смазка, чтобы избежать теплового расширения и истирания.
• Вспомогательные компоненты, поддерживающие шариковый винт, должны быть установлены точно для повышения точности.
• Шариковые винты классифицируются в соответствии с механизмом рециркуляции, методом изготовления резьбы и методом предварительного натяга.
• ШВП обладают более высокой эффективностью, быстродействием, точностью и грузоподъемностью, что делает их полезными в широком спектре промышленных применений.
• Использование ходовых винтов является более экономичным вариантом для применения при низких и средних нагрузках и в тех областях применения, где точность и грузоподъемность не являются серьезными проблемами.