Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Шарико-винтовая передача представляет собой прецизионный механизм преобразования вращательного движения в поступательное с использованием шариков в качестве тел качения. Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля, между которыми размещены шарики, обеспечивающие передачу усилия через контакт качения.
Преднатяг в шарико-винтовых передачах является одним из ключевых параметров, определяющих эксплуатационные характеристики механизма. Под преднатягом понимается предварительное нагружение шариковой цепи между винтом и гайкой, которое создает постоянное усилие в зоне контакта даже при отсутствии внешней нагрузки. Правильно подобранный преднатяг обеспечивает устранение осевого зазора, повышение жесткости системы и улучшение точности позиционирования исполнительного механизма.
Основное назначение преднатяга в ШВП заключается в устранении осевого люфта в паре винт-гайка и создании жесткой кинематической связи между вращающимся и поступательно движущимся элементами передачи. В передачах без преднатяга всегда существует технологический зазор между шариками и дорожками качения, который приводит к появлению мертвого хода при реверсе и снижению точности позиционирования.
Преднатяг выполняет следующие технические функции в шарико-винтовой передаче:
Во-первых, устранение осевого и радиального люфта обеспечивает отсутствие свободного хода гайки относительно винта, что критически важно для высокоточного оборудования. При наличии зазора каждое изменение направления движения сопровождается участком мертвого хода, равным величине суммарного зазора в системе.
Во-вторых, повышение осевой жесткости передачи достигается за счет предварительной деформации контактных зон шариков с дорожками качения. Жесткая система быстрее реагирует на управляющие воздействия и лучше противостоит внешним возмущениям.
В-третьих, стабилизация положения оси гайки относительно оси винта предотвращает радиальные смещения и перекосы, которые могут возникать в ненагруженной передаче. Это особенно важно при работе с длинными винтами, склонными к прогибу под действием собственного веса.
В-четвертых, усреднение периодических ошибок шага винта происходит благодаря тому, что преднатяг создает упругую деформацию в зоне контакта, которая компенсирует локальные отклонения профиля резьбы от номинального значения.
Существует несколько конструктивных методов создания преднатяга в шарико-винтовых передачах, выбор которых определяется требованиями к точности, условиями эксплуатации и технологическими возможностями производства. Каждый метод имеет свои особенности, преимущества и области рационального применения.
Конструкция одинарной гайки со смещением дорожек качения представляет собой техническое решение, при котором в одном корпусе гайки реализованы две независимые системы циркуляции шариков, смещенные относительно друг друга на определенную величину. Этот метод создания преднатяга обозначается термином offset и широко применяется в компактных прецизионных передачах.
Принцип работы основан на том, что при шлифовании внутренних канавок гайки им придается шаг, отличающийся от шага винта на малую величину δ. Для одной системы циркуляции шаг канавок делается немного больше номинального, для другой - немного меньше. При сборке гайки на винт обе системы шариков оказываются в предварительно нагруженном состоянии: одна система сжата, другая растянута.
Величина смещения δ определяет силу преднатяга и выбирается на этапе проектирования исходя из требуемой жесткости передачи. Типичные значения смещения составляют от 0.002 до 0.010 мм на один оборот резьбы. Увеличение смещения повышает преднатяг и жесткость, но также увеличивает момент трения и нагрев передачи.
Для ШВП с номинальным диаметром 25 мм и шагом 10 мм требуется создать преднатяг 3% от динамической грузоподъемности. При динамической грузоподъемности Ca = 30000 Н сила преднатяга составит:
Fпр = 0.03 × 30000 = 900 Н
Величина смещения δ подбирается экспериментально на этапе изготовления и обычно находится в диапазоне 0.003-0.006 мм для данного типоразмера.
Преимуществом конструкции со смещением является компактность гайки, так как не требуется установка дополнительных элементов. Гайка имеет те же габариты, что и гайка без преднатяга. Это особенно важно для малогабаритных передач, где пространство ограничено. Кроме того, отсутствие дополнительных деталей упрощает конструкцию и повышает надежность.
К недостаткам следует отнести невозможность регулировки преднатяга в процессе эксплуатации. Величина преднатяга задается при изготовлении и не может быть изменена без замены гайки. При износе дорожек качения преднатяг уменьшается, и восстановить его можно только заменой всей гаечной группы.
Конструкция двойной гайки с распорным кольцом является наиболее распространенным методом создания преднатяга в прецизионных шарико-винтовых передачах. Система состоит из двух отдельных гаек, размещенных в общем корпусе и соединенных через распорное кольцо определенной толщины. Каждая гайка имеет собственную систему циркуляции шариков и может работать независимо.
Принцип создания преднатяга основан на осевом смещении двух гаек относительно друг друга. Распорное кольцо, установленное между гайками, создает осевое расстояние между ними. При жесткой фиксации обеих гаек в корпусе возникают разнонаправленные силы: одна гайка стремится сместиться в одну сторону по резьбе винта, другая - в противоположную. Это создает состояние предварительного нагружения шариков в обеих гайках.
Величина преднатяга определяется толщиной распорного кольца и жесткостью контактов шариков с дорожками качения. Для увеличения преднатяга используется более толстое кольцо, для уменьшения - более тонкое. В процессе эксплуатации при износе дорожек преднатяг можно восстановить заменой кольца на более толстое.
Конструкция с двойной гайкой обеспечивает высокую осевую жесткость, так как нагрузка распределяется между двумя комплектами шариков. При действии внешней силы одна гайка работает на сжатие, другая - на растяжение, что создает эффективное сопротивление деформации. Это особенно важно для станков с ЧПУ, где требуется минимальная упругая деформация под нагрузкой.
Преимущества конструкции с двойной гайкой включают возможность регулировки и восстановления преднатяга, высокую осевую жесткость, надежность работы при переменных нагрузках. Недостатки - увеличенные габариты по сравнению с одинарной гайкой, более сложная конструкция, повышенная трудоемкость сборки.
Метод создания преднатяга путем подбора шариков увеличенного диаметра применяется преимущественно в передачах с готическим профилем резьбы, также называемым профилем типа стрельчатая арка. Особенность этого профиля заключается в том, что две грани канавки выполнены в виде дуг окружностей с центрами, смещенными относительно центра шарика, что обеспечивает контакт в четырех точках.
При использовании шариков номинального диаметра они свободно размещаются в канавках винта и гайки с небольшим зазором. Установка шариков диаметром на несколько микрометров больше номинального приводит к упругой деформации контактных зон и созданию предварительного натяга. Шарики как бы распирают канавки винта и гайки, создавая постоянное усилие контакта.
Увеличение диаметра шариков Δd относительно номинального значения определяется требуемой силой преднатяга. Типичные значения составляют:
Точное значение подбирается экспериментально с учетом жесткости материала и геометрии профиля.
Готический профиль резьбы характеризуется углом контакта шариков с дорожками качения около 40-45 градусов. Специально спроектированная форма канавок позволяет шарикам контактировать с поверхностями под оптимальным углом, обеспечивающим максимальную грузоподъемность при заданных габаритах передачи.
Преимущество метода подбора шариков состоит в простоте конструкции гайки и возможности точной регулировки преднатяга. При износе дорожек качения и снижении преднатяга достаточно заменить комплект шариков на шарики большего диаметра. Важным требованием является однородность партии шариков - разноразмерность шариков в одной передаче не должна превышать 0.001 мм согласно техническим требованиям.
Недостатком является повышенная чувствительность к точности профиля резьбы. Малые отклонения формы канавок от номинальной при использовании увеличенных шариков приводят к неравномерному распределению нагрузки между шариками и ускоренному износу. Кроме того, метод требует наличия набора калиброванных шариков различных диаметров для точной настройки.
Преднатяг оказывает комплексное влияние на эксплуатационные характеристики шарико-винтовой передачи. Правильно подобранная величина преднатяга обеспечивает оптимальный баланс между точностью, жесткостью, моментом трения и сроком службы передачи. Недостаточный преднатяг не обеспечивает устранение люфта, избыточный - приводит к повышенному износу и нагреву.
Влияние на люфт является наиболее очевидным эффектом преднатяга. В передаче без преднатяга существует осевой зазор, который проявляется как мертвый ход при изменении направления движения. Величина этого зазора может достигать 0.02-0.05 мм в зависимости от класса точности изготовления. Преднатяг полностью устраняет этот зазор, создавая постоянный контакт шариков с дорожками качения в обоих направлениях.
Влияние на момент холостого хода проявляется в увеличении сопротивления вращению винта. Преднатяг создает дополнительное усилие контакта шариков с дорожками, что увеличивает силы трения. Типичное увеличение момента холостого хода составляет 20-50% от значения для передачи без преднатяга. Это необходимо учитывать при выборе приводного двигателя.
Влияние на срок службы имеет характерную зависимость от величины преднатяга. При малом преднатяге срок службы определяется износом от ударных нагрузок при реверсе и наличием люфта. При оптимальном преднатяге достигается максимальный срок службы за счет устранения ударов и равномерного распределения нагрузки. При избыточном преднатяге срок службы снижается из-за повышенных контактных напряжений.
Осевая жесткость шарико-винтовой передачи определяется как отношение действующей осевой силы к осевому перемещению гайки относительно винта при условии, что винт не проворачивается. Эта характеристика критически важна для станков и прецизионного оборудования, так как определяет упругую деформацию передачи под нагрузкой и, следовательно, точность позиционирования.
Согласно ОСТ 2 Р31-5-89 и требованиям ГОСТ 7599-82, осевая жесткость нормируется для передач различных типоразмеров и классов точности. Для корпусных ШВП с двумя гайками значения осевой жесткости должны быть не менее указанных в нормативных таблицах. Для классов точности Т9 и Т10 жесткость не регламентируется. Для исполнения с одной гайкой жесткость также не регламентируется.
Конкретные значения осевой жесткости нормируются для передач различных типоразмеров и классов точности согласно ОСТ 2 Р31-5-89. Для корпусных ШВП с двумя гайками значения осевой жесткости должны быть не менее указанных в нормативных таблицах стандарта. Для классов точности Т9 и Т10 жесткость не регламентируется.
Зависимость жесткости от преднатяга описывается степенной функцией с показателем 2/3. Это означает нелинейный характер изменения жесткости при увеличении преднатяга. Для удвоения жесткости требуется увеличить силу преднатяга примерно в 2.8 раза. Данная закономерность обусловлена контактной природой деформации в зоне взаимодействия шариков с дорожками качения.
При измерении жесткости корпус гаечной группы и винт удерживают от проворота. На винт прикладывают осевую силу F, значение которой нормируется в зависимости от диаметра передачи. Измерение осевого перемещения производится с помощью датчиков линейного перемещения в трех равномерно расположенных по окружности точках. Среднее значение трех измерений используется для расчета жесткости.
Для ШВП диаметром 25 мм при приложении осевой силы F = 5000 Н измеренное перемещение составило 20 мкм. Осевая жесткость рассчитывается как:
K = F / δ = 5000 / 20 = 250 Н/мкм
Полученное значение соответствует нормативным требованиям для передачи с преднатягом.
Повышенная жесткость передачи с преднатягом обеспечивает ряд преимуществ в эксплуатации. Уменьшается упругая деформация под нагрузкой, что повышает точность позиционирования. Улучшается динамическая характеристика привода за счет повышения собственной частоты колебаний системы. Снижается чувствительность к внешним вибрациям и ударным нагрузкам.
Точность позиционирования в системах с шарико-винтовыми передачами определяется комплексом факторов, среди которых преднатяг играет ключевую роль. Наличие преднатяга устраняет люфт и повышает повторяемость позиционирования, что критически важно для станков с ЧПУ, робототехники и прецизионного оборудования.
В передаче без преднатяга погрешность позиционирования складывается из систематической составляющей, связанной с точностью изготовления винта, и случайной составляющей, обусловленной наличием зазора. При каждом подходе к заданной точке с разных сторон гайка занимает различное положение в пределах зазора, что приводит к разбросу координат.
Преднатяг устраняет случайную составляющую погрешности, обеспечивая однозначное положение гайки относительно винта независимо от направления подхода. Это повышает повторяемость позиционирования до уровня, определяемого только точностью изготовления резьбы винта и температурной стабильностью системы.
Для ШВП класса точности С5 с шагом 10 мм:
Без преднатяга: погрешность позиционирования ±0.012 мм, повторяемость ±0.008 мм
С преднатягом: погрешность позиционирования ±0.005 мм, повторяемость ±0.002 мм
Улучшение повторяемости составляет 4 раза, общей точности - 2.4 раза.
Преднатяг также усредняет периодические ошибки шага винта. Винт изготавливается с определенной точностью, и реальный шаг резьбы отличается от номинального значения на величину, зависящую от класса точности. При наличии преднатяга упругая деформация в контактной зоне компенсирует часть этих отклонений, сглаживая периодическую составляющую погрешности.
Стабилизация положения оси гайки относительно оси винта предотвращает радиальные биения, которые могут возникать в ненагруженной передаче из-за зазоров и дисбаланса. Это особенно важно при работе с высокими скоростями перемещения, когда центробежные силы и гироскопические моменты оказывают значительное влияние на кинематику системы.
Определение оптимальной величины преднатяга является важной задачей при проектировании систем с шарико-винтовыми передачами. Величина преднатяга должна обеспечивать требуемую жесткость и точность, при этом не приводя к чрезмерному износу и нагреву передачи. Существует эмпирическое правило 1/3 преднатяга, согласно которому сила преднатяга должна составлять примерно одну треть от ожидаемой рабочей нагрузки.
Расчет оптимального преднатяга выполняется по формуле:
Fпр = (1/3) × Fраб
где Fпр - сила преднатяга, Н; Fраб - максимальная рабочая нагрузка, Н
Пример: При рабочей нагрузке 6000 Н оптимальная сила преднатяга составит Fпр = 6000 / 3 = 2000 Н
Альтернативный подход основан на процентном соотношении преднатяга к динамической грузоподъемности передачи. Для прецизионных станков с ЧПУ рекомендуется, чтобы преднатяг составлял 3-8% от базовой динамической нагрузки Ca. Значения в нижней части диапазона используются для высокоскоростных применений, в верхней - для тяжелонагруженных передач с низкими скоростями.
При расчете преднатяга необходимо учитывать тепловое расширение винта. Рекомендуемое предварительное натяжение винта, компенсирующее тепловое расширение, составляет 0.02-0.03 мм на 1000 мм длины винта. Это значение учитывает нагрев винта при работе и изменение температуры окружающей среды. Для точных расчетов необходимо учитывать коэффициент линейного расширения материала винта и диапазон рабочих температур.
Графически зависимость срока службы ШВП от величины преднатяга имеет характерную колоколообразную форму с максимумом в районе оптимального значения. Как недостаточный, так и избыточный преднатяг приводят к сокращению срока службы. Недостаточный преднатяг не устраняет люфт полностью, что приводит к ударным нагрузкам при реверсе. Избыточный преднатяг создает повышенные контактные напряжения и ускоренный усталостный износ.
Производство и контроль качества шарико-винтовых передач в российской практике регламентируется отраслевым стандартом ОСТ 2 Р31-5-89 «Станки металлорежущие. ШВП. Технические условия». Согласно этому стандарту, качество материалов, обработки и сборки ШВП должно соответствовать ГОСТ 7599-82 «Станки металлообрабатывающие. Общие технические условия», а для поставок на экспорт - ОСТ2 Н06-1-86.
Радиальный зазор между винтом и гайкой до создания преднатяга для ШВП с полукруглым профилем нормируется в зависимости от номинального диаметра винта. Радиальный зазор измеряют при смещении собранной гайки в радиальном направлении под действием силы, превышающей силу тяжести гайки в 1.5-2 раза. Измерительный наконечник индикатора должен касаться наружной поверхности гайки.
По точностным параметрам ШВП разделяют на позиционные и транспортные. Позиционные ШВП позволяют произвести косвенное измерение осевого перемещения в зависимости от угла поворота и хода резьбы винта. В транспортных ШВП перемещения измеряют прямым методом с помощью отдельной измерительной системы, не зависящей от угла поворота винта.
Термообработка винтов производится согласно РТМ2 МТ11-1-81 с обеспечением твердости рабочих поверхностей на уровне 58-62 HRC. Для шариков степень точности должна соответствовать 20 по ГОСТ 3722-81. Разноразмерность шариков в одной передаче не должна превышать 0.001 мм, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки между телами качения.
Значения динамической Ca и статической C0a грузоподъемностей, а также минимальные и максимальные значения момента Txx холостого хода ШВП регламентируются для каждого типоразмера передачи. Момент холостого хода замеряют в контролируемой передаче, установленной в центрах стенда, при вращении винта с частотой 100 мин⁻¹.
Для эффективного применения шарико-винтовых передач с преднатягом необходимо правильно подобрать комплектующие и учесть особенности эксплуатации. Ниже представлены полезные материалы и каталоги компонентов ШВП.
Выбор подходящего винта зависит от требуемой нагрузки, точности и условий эксплуатации. Наиболее распространенные типоразмеры винтов ШВП серии SFU-R:
Полный каталог винтов представлен в разделе Винты ШВП.
Для создания преднатяга в шарико-винтовых передачах применяются специализированные гайки различных конструкций. В каталоге Гайки ШВП представлены одинарные и двойные гайки с возможностью регулировки преднатяга.
Для надежной фиксации гаек используются держатели для гаек ШВП, обеспечивающие точное позиционирование и предотвращающие проворачивание гайки.
Правильный выбор опорных элементов критически важен для обеспечения точности и долговечности передачи. В разделе Опоры ШВП представлены радиальные и радиально-упорные опоры различных типоразмеров.
Для углубленного изучения вопросов преднатяга и эксплуатации ШВП рекомендуем следующие технические материалы:
Компания Иннер Инжиниринг предлагает полный ассортимент компонентов для систем линейного перемещения. В каталоге ШВП представлены как отдельные компоненты, так и готовые комплекты для различных применений.
Для высокоточных применений рекомендуем рассмотреть продукцию ШВП Hiwin - мирового лидера в производстве прецизионных шарико-винтовых передач с гарантированным качеством и надежностью.
Преднатяг в ШВП представляет собой предварительное нагружение шариковой цепи между винтом и гайкой, которое создается конструктивными методами при сборке передачи. Преднатяг обеспечивает постоянный контакт шариков с дорожками качения винта и гайки, устраняя осевой зазор и повышая жесткость системы. Величина преднатяга подбирается исходя из требований к точности позиционирования, рабочих нагрузок и условий эксплуатации.
Существует три основных метода создания преднатяга: двойная гайка с распорным кольцом, одинарная гайка со смещением дорожек качения и подбор шариков увеличенного диаметра. Метод двойной гайки применяется в прецизионных станках и позволяет регулировать преднатяг заменой кольца. Одинарная гайка со смещением обеспечивает компактность конструкции. Подбор шариков используется для передач с готическим профилем резьбы.
Преднатяг существенно повышает точность позиционирования за счет устранения осевого люфта и повышения жесткости передачи. В передаче без преднатяга наличие зазора приводит к разбросу координат при подходе к заданной точке с разных сторон. Преднатяг обеспечивает однозначное положение гайки относительно винта, улучшая повторяемость позиционирования в 3-5 раз. Кроме того, преднатяг усредняет периодические ошибки шага винта за счет упругой деформации в зоне контакта.
Оптимальная величина преднатяга определяется по правилу 1/3, согласно которому сила преднатяга должна составлять примерно одну треть от максимальной рабочей нагрузки. Альтернативный подход основан на процентном соотношении к динамической грузоподъемности: для станков с ЧПУ рекомендуется 3-8% от базовой динамической нагрузки Ca. Меньшие значения используются для высокоскоростных передач, большие - для тяжелонагруженных систем с требованиями к максимальной жесткости.
Возможность регулировки преднатяга зависит от конструкции гайки. В передачах с двойной гайкой преднатяг регулируется заменой распорного кольца на более толстое или тонкое. При использовании подбора шариков преднатяг можно восстановить заменой комплекта шариков на шарики большего диаметра. В конструкции с одинарной гайкой со смещением дорожек качения преднатяг задается при изготовлении и не может быть отрегулирован без замены гайки.
Преднатяг значительно повышает осевую жесткость шарико-винтовой передачи, обычно в 2-3 раза по сравнению с передачей без преднатяга. Зависимость жесткости от преднатяга описывается степенной функцией с показателем 2/3, то есть для удвоения жесткости требуется увеличить преднатяг примерно в 2.8 раза. Повышенная жесткость обеспечивает меньшую упругую деформацию под нагрузкой, улучшает динамические характеристики привода и снижает чувствительность к внешним вибрациям.
Избыточный преднатяг приводит к ряду негативных последствий: повышенному моменту трения и увеличению нагрузки на приводной двигатель, ускоренному усталостному износу дорожек качения из-за высоких контактных напряжений, повышенному нагреву передачи и снижению КПД, сокращению срока службы передачи. Кроме того, избыточный преднатяг может вызвать проблемы с температурной стабильностью системы, так как тепловое расширение винта дополнительно увеличивает нагрузку.
Готический профиль резьбы, также называемый профилем типа стрельчатая арка, представляет собой конструкцию, при которой две грани канавки выполнены в виде дуг окружностей с центрами, смещенными относительно центра шарика. Такая геометрия обеспечивает контакт шарика с дорожкой качения в четырех точках под углом около 40-45 градусов. Готический профиль обеспечивает оптимальное распределение нагрузки, высокую грузоподъемность и позволяет создавать преднатяг подбором шариков увеличенного диаметра.
Наличие преднатяга можно проверить несколькими способами. Первый метод - проверка осевого люфта путем попытки сдвинуть гайку вдоль винта при зафиксированном от вращения винте. При правильном преднатяге люфт должен отсутствовать. Второй метод - измерение момента вращения винта, который должен быть выше, чем у передачи без преднатяга. Третий метод - измерение осевой жесткости под нагрузкой с использованием индикаторов перемещения. Точное значение преднатяга можно определить только специальными измерительными приспособлениями.
При использовании метода создания преднатяга подбором шариков увеличенного диаметра к шарикам предъявляются жесткие требования. Степень точности шариков должна соответствовать 20 по ГОСТ 3722-81. Критически важна разноразмерность шариков в одной передаче - она не должна превышать 0.001 мм. Все шарики должны быть из одной партии и одной серии производства. Материал шариков - закаленная подшипниковая сталь с твердостью не ниже 60 HRC. Поверхность шариков должна быть без дефектов, трещин и включений.
Данная статья носит исключительно информационный и ознакомительный характер. Информация предназначена для технических специалистов и инженеров, работающих в области проектирования и эксплуатации прецизионного оборудования. Автор не несет ответственности за любые последствия, возникшие в результате применения изложенной информации без должной проверки и адаптации к конкретным условиям эксплуатации. При проектировании ответственных узлов необходимо руководствоваться действующими нормативными документами, техническими условиями производителей оборудования и проводить необходимые расчеты с учетом реальных условий работы.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.