Калькуляторы
Преднатяг ШВП: полная таблица значений
| Диаметр винта (мм) | Шаг (мм) | Класс точности | Тип преднатяга | Величина преднатяга (Н) | Крутящий момент холостого хода (Н·м) | Осевая жесткость (Н/мкм) | Рекомендуемое применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 12 | 4 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 100-180 | 0.08-0.15 | 45-70 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 180-300 | 0.15-0.25 | 70-100 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 300-450 | 0.25-0.35 | 100-130 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 150-250 | 0.12-0.20 | 65-90 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 250-400 | 0.20-0.32 | 90-120 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 400-600 | 0.32-0.48 | 120-150 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 200-350 | 0.16-0.28 | 85-110 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 350-500 | 0.28-0.40 | 110-140 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 500-700 | 0.40-0.56 | 140-180 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки | |||
| 16 | 5 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 120-220 | 0.12-0.22 | 60-90 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 220-380 | 0.22-0.38 | 90-120 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 380-550 | 0.38-0.55 | 120-150 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 180-300 | 0.18-0.30 | 80-110 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 300-500 | 0.30-0.50 | 110-140 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 500-800 | 0.50-0.80 | 140-180 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 250-400 | 0.25-0.40 | 100-130 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 400-650 | 0.40-0.65 | 130-170 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 650-950 | 0.65-0.95 | 170-220 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки | |||
| 20 | 5 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 150-280 | 0.15-0.28 | 75-110 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 280-450 | 0.28-0.45 | 110-150 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 450-700 | 0.45-0.70 | 150-190 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 250-400 | 0.25-0.40 | 100-140 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 400-700 | 0.40-0.70 | 140-180 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 700-1000 | 0.70-1.00 | 180-230 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 350-550 | 0.35-0.55 | 130-170 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 550-850 | 0.55-0.85 | 170-220 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 850-1200 | 0.85-1.20 | 220-280 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки | |||
| 25 | 5/10 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 200-350 | 0.20-0.35 | 90-130 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 350-600 | 0.35-0.60 | 130-180 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 600-900 | 0.60-0.90 | 180-220 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 300-500 | 0.30-0.50 | 120-160 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 500-800 | 0.50-0.80 | 160-210 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 800-1200 | 0.80-1.20 | 210-270 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 400-700 | 0.40-0.70 | 150-200 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 700-1100 | 0.70-1.10 | 200-260 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 1100-1600 | 1.10-1.60 | 260-330 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки | |||
| 32 | 5/10 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 300-500 | 0.30-0.50 | 120-170 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 500-800 | 0.50-0.80 | 170-220 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 800-1200 | 0.80-1.20 | 220-280 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 400-700 | 0.40-0.70 | 150-220 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 700-1100 | 0.70-1.10 | 220-280 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 1100-1600 | 1.10-1.60 | 280-350 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 600-900 | 0.60-0.90 | 200-260 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 900-1400 | 0.90-1.40 | 260-330 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 1400-2000 | 1.40-2.00 | 330-400 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки | |||
| 40 | 10 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 500-800 | 0.50-0.80 | 160-220 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 800-1300 | 0.80-1.30 | 220-280 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 1300-2000 | 1.30-2.00 | 280-350 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 700-1200 | 0.70-1.20 | 200-280 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 1200-2000 | 1.20-2.00 | 280-350 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 2000-3000 | 2.00-3.00 | 350-450 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 1000-1600 | 1.00-1.60 | 250-330 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 1600-2500 | 1.60-2.50 | 330-420 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 2500-3800 | 2.50-3.80 | 420-550 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки | |||
| 50 | 10/20 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 800-1300 | 0.80-1.30 | 200-280 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 1300-2000 | 1.30-2.00 | 280-350 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 2000-3000 | 2.00-3.00 | 350-450 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 1000-1800 | 1.00-1.80 | 250-350 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 1800-2800 | 1.80-2.80 | 350-450 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 2800-4000 | 2.80-4.00 | 450-580 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 1500-2500 | 1.50-2.50 | 320-420 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 2500-3800 | 2.50-3.80 | 420-550 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 3800-5500 | 3.80-5.50 | 550-700 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки | |||
| 63 | 10/20 | C7 (IT7) | Лёгкий (T1) | 1200-2000 | 1.20-2.00 | 250-350 | Маломощное оборудование, малые нагрузки |
| Средний (T2) | 2000-3000 | 2.00-3.00 | 350-450 | Общепромышленное применение | |||
| Тяжёлый (T3) | 3000-4500 | 3.00-4.50 | 450-580 | Повышенная жесткость, производительность | |||
| C5 (IT5) | Лёгкий (T1) | 1500-2500 | 1.50-2.50 | 320-420 | Прецизионное оборудование, малые нагрузки | ||
| Средний (T2) | 2500-4000 | 2.50-4.00 | 420-550 | Точное оборудование, режим средних нагрузок | |||
| Тяжёлый (T3) | 4000-6000 | 4.00-6.00 | 550-700 | Прецизионное оборудование, режим высоких нагрузок | |||
| C3 (IT3) | Лёгкий (T1) | 2000-3500 | 2.00-3.50 | 400-520 | Высокоточное оборудование, низкие нагрузки | ||
| Средний (T2) | 3500-5500 | 3.50-5.50 | 520-680 | Высокоточное оборудование, средние нагрузки | |||
| Тяжёлый (T3) | 5500-8000 | 5.50-8.00 | 680-850 | Высокоточное оборудование, высокие нагрузки |
| Условия эксплуатации | Температурный диапазон (°C) | Тип преднатяга | Корректировка преднатяга | Срок службы относительно базового (%) | Особенности выбора смазки |
|---|---|---|---|---|---|
| Нормальные условия | 15-35 | Стандартный | Без корректировки | 100 | Стандартная консистентная или жидкая смазка ISO VG 68-100 |
| Низкотемпературные | -20 до +15 | Уменьшенный на 10-15% | Компенсация теплового расширения | 90-95 | Низкотемпературная смазка с пониженной вязкостью ISO VG 32-46 |
| Высокотемпературные | 35-80 | Увеличенный на 15-20% | Учет теплового расширения | 80-90 | Высокотемпературная смазка с повышенной вязкостью ISO VG 150-220 |
| Высокоскоростные | 15-50 | Уменьшенный на 10-20% | Снижение нагрева от трения | 85-95 | Синтетическая смазка с противозадирными присадками |
| Высокие нагрузки | 15-50 | Увеличенный на 20-30% | Повышение жесткости | 75-85 | Противозадирные смазки с EP присадками |
| Вертикальная установка | 15-35 | Увеличенный на 15-25% | Компенсация осевой нагрузки | 90-95 | Смазка с повышенной адгезией |
| Прецизионное позиционирование | 20-25 (контролируемая) | Средний или тяжелый | Термостабилизация | 90-100 | Прецизионная смазка с улучшенными демпфирующими свойствами |
| Вибрационные нагрузки | 15-50 | Тяжелый | Увеличение до 30% | 70-80 | Смазка с присадками, улучшающими демпфирование |
1. Введение в преднатяг шарико-винтовых пар
Преднатяг (или предварительный натяг) шарико-винтовой пары (ШВП) – это контролируемое усилие, создаваемое между шариками, винтом и гайкой для устранения осевого зазора и повышения жесткости механизма. Правильно подобранный преднатяг является одним из ключевых факторов, определяющих эксплуатационные характеристики ШВП в станках с ЧПУ, координатно-измерительных машинах, промышленных роботах и других прецизионных механизмах.
Преднатяг в ШВП выполняет несколько важных функций:
- Устраняет осевой люфт (зазор) между элементами пары
- Повышает осевую жесткость системы
- Увеличивает точность позиционирования
- Снижает уровень вибраций при работе
- Улучшает плавность хода и динамические характеристики
- Обеспечивает постоянный контакт между шариками и дорожками качения
В то же время, чрезмерный преднатяг может привести к негативным последствиям:
- Повышенному крутящему моменту холостого хода
- Увеличению потребляемой мощности привода
- Ускоренному износу компонентов
- Повышенному нагреву и температурным деформациям
- Снижению срока службы ШВП
Поэтому выбор оптимальной величины преднатяга является важной инженерной задачей, требующей учета множества факторов, включая назначение системы, рабочие нагрузки, требуемую точность, скорость перемещения и условия эксплуатации.
2. Типы и методы создания преднатяга
Существует несколько основных методов создания преднатяга в шарико-винтовых парах, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и области применения.
2.1 Двойная гайка (Double Nut)
Наиболее распространенный метод создания преднатяга заключается в использовании двух гаек, между которыми устанавливается регулировочная проставка (шайба) определенной толщины. При стягивании гаек создается осевое усилие, которое передается через шарики на дорожки качения, создавая преднатяг.
Преимущества:
- Возможность точной регулировки величины преднатяга путем изменения толщины проставки
- Высокая осевая жесткость
- Возможность регулировки или восстановления преднатяга в процессе эксплуатации
- Широкий диапазон регулировки преднатяга
Недостатки:
- Увеличенная длина сборки
- Более высокая стоимость из-за использования двух гаек
- Сложность сборки и регулировки
Величина преднатяга при использовании двойной гайки рассчитывается по формуле:
где:
- F - сила преднатяга (Н)
- δ - осевое смещение, создаваемое проставкой (мм)
- K - осевая жесткость одной гайки (Н/мм)
2.2 Увеличенные шарики (Oversized Balls)
В этом методе используются шарики с диаметром, превышающим номинальный зазор между винтом и гайкой. В результате создается натяг, обеспечивающий постоянный контакт шариков с дорожками качения.
Преимущества:
- Компактная конструкция (одна гайка)
- Более низкая стоимость по сравнению с двойной гайкой
- Простота сборки
- Отсутствие необходимости в регулировке после изготовления
Недостатки:
- Фиксированная величина преднатяга, определяемая на этапе изготовления
- Невозможность регулировки в процессе эксплуатации
- Меньшая осевая жесткость по сравнению с системой двойной гайки
- Ограниченный срок службы с сохранением начального преднатяга
Для обеспечения требуемого преднатяга диаметр шариков выбирается по формуле:
где:
- Dшар - требуемый диаметр шариков (мм)
- Dном - номинальный диаметр шариков (мм)
- F - требуемый преднатяг (Н)
- n - количество шариков в контакте
- Kконт - жесткость контакта шарика с дорожкой качения (Н/мм²)
2.3 Смещение витков (Offset Leads)
В этом методе в одной гайке создаются две зоны с незначительно отличающимся шагом винтовой линии. Это создает преднатяг за счет смещения точек контакта шариков в разных зонах.
Преимущества:
- Компактная конструкция (одна гайка)
- Хорошее соотношение жесткости и стоимости
- Отсутствие необходимости в регулировке после изготовления
- Равномерное распределение нагрузки
Недостатки:
- Сложность изготовления
- Фиксированная величина преднатяга, определяемая на этапе изготовления
- Невозможность регулировки в процессе эксплуатации
- Чувствительность к температурным изменениям
Смещение шага винтовой линии рассчитывается по формуле:
где:
- Δp - смещение шага (мм)
- F - требуемый преднатяг (Н)
- p - шаг резьбы (мм)
- Kос - осевая жесткость гайки (Н/мм)
- rшар - радиус дорожки шариков (мм)
2.4 Регулируемый преднатяг с проставкой
Этот метод является модификацией метода двойной гайки, где вместо фиксированной проставки используется регулируемый механизм, позволяющий изменять величину преднатяга в процессе эксплуатации.
Преимущества:
- Возможность регулировки преднатяга без разборки узла
- Компенсация износа в процессе эксплуатации
- Адаптация к различным режимам работы
- Оптимизация характеристик для разных условий эксплуатации
Недостатки:
- Сложность конструкции
- Высокая стоимость
- Увеличенные габариты
- Необходимость в периодической проверке и регулировке
Важно отметить, что все методы создания преднатяга требуют высокой точности изготовления и сборки. Даже незначительные отклонения могут привести к существенному изменению фактического преднатяга и, как следствие, характеристик ШВП.
3. Выбор величины преднатяга
Выбор оптимальной величины преднатяга ШВП является сложной инженерной задачей, требующей учета множества факторов и компромиссных решений.
3.1 Факторы, влияющие на выбор преднатяга
Требуемая осевая жесткость - один из ключевых параметров, определяющих величину преднатяга. Чем выше требуется жесткость системы, тем больший преднатяг необходимо обеспечить. Однако зависимость жесткости от преднатяга нелинейная и описывается приближенной формулой:
где:
- K - результирующая осевая жесткость (Н/мкм)
- K0 - базовая жесткость без преднатяга (Н/мкм)
- a - коэффициент, зависящий от конструкции ШВП
- Fпр - величина преднатяга (Н)
Рабочие нагрузки - величина и характер нагрузок, действующих на ШВП в процессе работы, существенно влияют на выбор преднатяга. При высоких динамических нагрузках требуется больший преднатяг для предотвращения возникновения зазоров и обеспечения стабильной работы.
Требуемая точность позиционирования - чем выше требования к точности, тем больший преднатяг обычно требуется. Для прецизионных систем с точностью позиционирования в единицы микрон и ниже обычно выбирают средний или тяжелый преднатяг.
Скорость перемещения - при высоких скоростях вращения винта повышенный преднатяг приводит к значительному увеличению трения, нагреву и износу. Для высокоскоростных систем обычно выбирают легкий или средний преднатяг.
Требуемый срок службы - повышенный преднатяг снижает ресурс ШВП из-за увеличения контактных напряжений и износа. Для систем с требуемым длительным сроком службы выбирают более легкий преднатяг.
Температурные условия эксплуатации - при значительных колебаниях температуры происходит изменение фактического преднатяга из-за теплового расширения компонентов. Это необходимо учитывать при выборе начального преднатяга.
Ориентация установки - для вертикально установленных ШВП обычно требуется больший преднатяг для компенсации влияния веса подвижных частей и предотвращения самопроизвольного опускания.
В зависимости от величины преднатяга различают три основных типа:
- Легкий преднатяг (T1) - обеспечивает минимальный момент холостого хода, подходит для высокоскоростных применений с низкими нагрузками
- Средний преднатяг (T2) - компромиссный вариант, обеспечивающий баланс между жесткостью, точностью и сроком службы
- Тяжелый преднатяг (T3) - обеспечивает максимальную жесткость и точность, применяется в прецизионных системах с высокими нагрузками
3.2 Расчет и измерение преднатяга
Существует несколько методов определения и контроля преднатяга ШВП:
Метод измерения крутящего момента холостого хода - один из наиболее распространенных методов косвенного определения преднатяга. Зависимость момента холостого хода от преднатяга приближенно описывается формулой:
где:
- M - момент холостого хода (Н·м)
- μ - коэффициент трения
- Fпр - величина преднатяга (Н)
- dш - диаметр шариков (мм)
- α - угол подъема винтовой линии (°)
- φ - угол трения (°)
Метод измерения осевого смещения - применяется при использовании метода двойной гайки. Измеряется осевое смещение гаек при их затяжке, и по известной жесткости рассчитывается преднатяг.
Метод прямого измерения силы - используется специальное измерительное оборудование для непосредственного определения усилия преднатяга в процессе сборки.
Для практического выбора преднатяга обычно используются таблицы и рекомендации производителей ШВП, учитывающие диаметр винта, шаг, класс точности и предполагаемое применение (см. Таблицу 1).
Требуется определить преднатяг для ШВП диаметром 25 мм, шагом 5 мм, класса точности C5, используемой в прецизионном фрезерном станке.
Исходные данные:
- Требуемая осевая жесткость: 200 Н/мкм
- Максимальная скорость перемещения: 15 м/мин
- Максимальная осевая нагрузка: 5000 Н
Решение:
- По таблице 1 для ШВП диаметром 25 мм, класса точности C5, и требуемой жесткости 200 Н/мкм, выбираем средний преднатяг (T2).
- Диапазон преднатяга для данных условий составляет 500-800 Н.
- Учитывая значительную осевую нагрузку (5000 Н) и высокую требуемую жесткость, выбираем значение ближе к верхней границе - 700 Н.
- Проверяем соответствие крутящего момента холостого хода: при выбранном преднатяге он составит примерно 0.7 Н·м, что приемлемо для данной системы.
Таким образом, рекомендуемый преднатяг для данной ШВП составляет 700 Н.
4. Влияние преднатяга на характеристики ШВП
4.1 Осевая жесткость
Осевая жесткость является одной из наиболее важных характеристик ШВП, особенно для прецизионных систем. Жесткость определяет величину упругой деформации (смещения) при приложении осевой нагрузки.
Зависимость жесткости от преднатяга имеет нелинейный характер. При увеличении преднатяга от нуля жесткость сначала растет быстро, затем рост замедляется. Эмпирически установлено, что жесткость пропорциональна кубическому корню из величины преднатяга:
Это означает, что для удвоения жесткости требуется увеличить преднатяг в 8 раз, что не всегда практически реализуемо из-за ограничений по моменту холостого хода и сроку службы.
Осевая жесткость системы с преднатягом также зависит от конструкции гайки и метода создания преднатяга:
- Система с двойной гайкой обеспечивает наибольшую жесткость
- Система с увеличенными шариками обеспечивает промежуточную жесткость
- Система со смещением витков обычно имеет наименьшую жесткость при том же значении преднатяга
4.2 Точность и плавность хода
Преднатяг существенно влияет на точность позиционирования и плавность хода ШВП. Основные аспекты этого влияния:
Устранение мертвого хода - преднатяг полностью устраняет осевой люфт (мертвый ход), что критически важно для прецизионных систем позиционирования.
Повышение динамической жесткости - преднатяг увеличивает демпфирование системы, снижая амплитуду колебаний при динамических нагрузках и ускорениях.
Компенсация неравномерности шага - преднатяг позволяет частично компенсировать погрешности шага винта за счет усреднения положения шариков.
Снижение влияния внешних факторов - система с преднатягом менее чувствительна к внешним вибрациям и случайным нагрузкам.
Однако чрезмерный преднатяг может негативно влиять на плавность хода из-за повышенного трения и возникновения микронеровностей на рабочих поверхностях в результате износа.
4.3 Срок службы
Преднатяг существенно влияет на срок службы ШВП. Увеличение преднатяга приводит к повышению контактных напряжений между шариками и дорожками качения, что ускоряет износ и сокращает ресурс.
Зависимость срока службы от преднатяга можно приближенно оценить по формуле:
где:
- L - фактический срок службы (млн оборотов)
- L0 - базовый срок службы без преднатяга (млн оборотов)
- F0 - номинальная динамическая грузоподъемность (Н)
- Fпр - величина преднатяга (Н)
- Fэкв - эквивалентная внешняя нагрузка (Н)
Из формулы видно, что при увеличении преднатяга срок службы снижается кубически, что необходимо учитывать при выборе величины преднатяга для систем с требуемым длительным сроком службы.
Для оптимизации срока службы при сохранении требуемых характеристик жесткости и точности рекомендуется:
- Выбирать минимально необходимый преднатяг, обеспечивающий требуемые характеристики
- Применять высококачественные смазочные материалы
- Обеспечивать эффективное охлаждение системы
- Предусматривать возможность регулировки преднатяга в процессе эксплуатации для компенсации износа
Важно помнить, что при эксплуатации ШВП с высоким преднатягом особое внимание следует уделять системе смазки и охлаждения, так как повышенное трение приводит к значительному нагреву и дополнительному снижению ресурса.
5. Установка и контроль преднатяга
Правильная установка и контроль преднатяга являются критически важными для обеспечения оптимальных характеристик ШВП. Рассмотрим основные методы и рекомендации.
Метод контроля крутящего момента - наиболее распространенный метод косвенного контроля преднатяга при сборке и эксплуатации. Процедура включает:
- Тщательная очистка и смазка всех компонентов ШВП перед сборкой
- Предварительная сборка гайки и винта
- Измерение начального момента холостого хода без преднатяга
- Создание преднатяга (затяжка гаек с проставкой, если используется система двойной гайки)
- Измерение итогового момента холостого хода с помощью динамометрического ключа или специального измерительного оборудования
- Сравнение измеренного момента с расчетным или рекомендуемым производителем значением
- При необходимости, корректировка преднатяга
Метод измерения осевого перемещения - применяется для систем с двойной гайкой и регулируемой проставкой:
- Сборка ШВП без создания преднатяга
- Установка индикатора осевого перемещения
- Последовательное затягивание гаек с контролем осевого смещения
- Расчет создаваемого преднатяга на основе измеренного смещения и известной жесткости гайки
Контроль с помощью датчиков силы - наиболее точный, но и наиболее сложный метод, требующий специального оборудования. Используется преимущественно в условиях лаборатории или при производстве высокоточных ШВП.
При установке и контроле преднатяга необходимо учитывать следующие рекомендации:
- Все измерения должны проводиться при стабильной температуре, близкой к рабочей
- Перед измерениями рекомендуется выполнить несколько полных оборотов винта для равномерного распределения смазки
- При измерении момента вращение должно осуществляться с постоянной низкой скоростью
- Для точных измерений следует использовать калиброванное оборудование
- После установки преднатяга необходимо зафиксировать регулировочные элементы для предотвращения самопроизвольного изменения преднатяга в процессе эксплуатации
Для контроля преднатяга в процессе эксплуатации могут применяться:
- Периодическое измерение момента холостого хода
- Мониторинг температуры ШВП (повышение температуры может свидетельствовать об изменении преднатяга)
- Контроль точности позиционирования и жесткости системы
- Анализ вибраций и шума при работе
В современных прецизионных системах все чаще применяются автоматические системы контроля и регулировки преднатяга, позволяющие оптимизировать характеристики ШВП в зависимости от режима работы и компенсировать износ в процессе эксплуатации.
6. Диагностика и устранение проблем
В процессе эксплуатации ШВП могут возникать различные проблемы, связанные с неправильным выбором или изменением преднатяга. Своевременная диагностика и устранение этих проблем позволяют сохранить работоспособность системы и продлить срок ее службы.
| Симптом | Возможная причина | Диагностика | Устранение |
|---|---|---|---|
| Повышенный шум при работе | Чрезмерный преднатяг, недостаточная смазка | Измерение момента холостого хода, анализ спектра шума | Уменьшение преднатяга, улучшение смазки |
| Вибрации и неравномерность хода | Недостаточный преднатяг, износ компонентов | Проверка осевого люфта, измерение амплитуды вибраций | Увеличение преднатяга, замена изношенных компонентов |
| Повышенный нагрев | Чрезмерный преднатяг, недостаточное охлаждение | Термометрия, измерение момента холостого хода | Оптимизация преднатяга, улучшение системы охлаждения |
| Снижение точности позиционирования | Недостаточный преднатяг, износ | Измерение осевой жесткости, проверка точности позиционирования | Регулировка преднатяга, замена изношенных компонентов |
| Повышенное потребление мощности привода | Чрезмерный преднатяг, заклинивание, загрязнение | Измерение момента холостого хода, проверка плавности вращения | Оптимизация преднатяга, очистка и смазка |
| Самопроизвольное изменение положения при вертикальной установке | Недостаточный преднатяг | Проверка устойчивости положения при отключенном приводе | Увеличение преднатяга |
| Постепенное снижение эффективности преднатяга | Износ компонентов, пластическая деформация | Периодический контроль момента холостого хода | Регулировка преднатяга, замена компонентов |
| Неравномерность момента по длине хода | Неравномерный износ, загрязнение | Измерение момента в различных положениях | Очистка, смазка, при необходимости замена компонентов |
Для предотвращения проблем, связанных с преднатягом, рекомендуется:
- Периодически проверять момент холостого хода и сравнивать его с начальным значением
- Строго соблюдать рекомендации производителя по смазке и обслуживанию
- Контролировать температуру ШВП в процессе работы
- При обнаружении изменений в характеристиках системы (повышение шума, вибраций, снижение точности) проводить диагностику и принимать меры по устранению проблем
- Для критически важных систем предусматривать возможность регулировки преднатяга без разборки узла
При диагностике проблем, связанных с преднатягом, необходимо учитывать, что сходные симптомы могут вызываться и другими причинами: несоосностью монтажа, изгибом винта, дефектами подшипников опор и т.д. Комплексная диагностика позволяет выявить истинную причину проблемы и принять эффективные меры по ее устранению.
7. Практические примеры
Задача: определить необходимый преднатяг для ШВП с диаметром 32 мм, шагом 10 мм, класса точности C5, установленной вертикально в станке с ЧПУ.
Исходные данные:
- Масса перемещаемого узла: 250 кг
- Максимальная скорость перемещения: 10 м/мин
- Требуемая точность позиционирования: ±0.01 мм
Решение:
- Рассчитаем осевую нагрузку от веса перемещаемого узла: F = m × g = 250 кг × 9.81 м/с² = 2452.5 Н
- Учитывая вертикальную установку, преднатяг должен быть достаточным для предотвращения самопроизвольного опускания. По таблице 2 для вертикальной установки рекомендуется увеличение преднатяга на 15-25%.
- По таблице 1 для ШВП диаметром 32 мм, класса точности C5, диапазон среднего преднатяга (T2) составляет 700-1100 Н.
- Учитывая корректировку для вертикальной установки, получаем: 1100 × 1.2 = 1320 Н
- Проверяем, что данный преднатяг обеспечивает требуемую жесткость для достижения заданной точности позиционирования.
Вывод: для данной вертикально установленной ШВП рекомендуется преднатяг 1300-1400 Н, что соответствует верхней границе среднего преднатяга с корректировкой для вертикальной установки.
Задача: определить толщину регулировочной проставки для создания преднатяга 900 Н в ШВП с двойной гайкой.
Исходные данные:
- Диаметр винта: 25 мм
- Шаг: 5 мм
- Жесткость одной гайки: 300 Н/мкм
Решение:
- Для системы с двойной гайкой связь между преднатягом, жесткостью и смещением описывается формулой: F = (δ × K)/2
- Выразим необходимое смещение: δ = (2 × F) / K = (2 × 900 Н) / (300 Н/мкм) = 6 мкм
- Таким образом, для создания преднатяга 900 Н необходимо обеспечить осевое смещение гаек на 6 мкм.
- С учетом конструктивных особенностей конкретной ШВП, рассчитываем толщину проставки, которая обеспечит требуемое смещение.
Вывод: для создания преднатяга 900 Н в данной ШВП толщина регулировочной проставки должна обеспечивать осевое смещение гаек на 6 мкм. При использовании стандартных проставок выбирается ближайшая подходящая или выполняется индивидуальная доработка проставки до требуемой толщины.
Задача: оценить снижение срока службы ШВП при увеличении преднатяга с 500 Н до 1200 Н.
Исходные данные:
- Динамическая грузоподъемность ШВП: 18000 Н
- Эквивалентная внешняя нагрузка: 3000 Н
- Базовый срок службы при преднатяге 500 Н: 25000 часов
Решение:
- Используем формулу для оценки срока службы: L = L0 × (F0 / (Fпр + Fэкв))3
- Для исходного преднатяга 500 Н: L1 = 25000 ч (задано в условии)
- Для нового преднатяга 1200 Н:
L2 = L1 × ((Fпр1 + Fэкв) / (Fпр2 + Fэкв))3
L2 = 25000 × ((500 + 3000) / (1200 + 3000))3
L2 = 25000 × (3500 / 4200)3
L2 = 25000 × 0.8333
L2 = 25000 × 0.578 = 14450 часов
Вывод: Увеличение преднатяга с 500 Н до 1200 Н приведет к сокращению расчетного срока службы ШВП примерно на 42% - с 25000 до 14450 часов. Это показывает значительное влияние величины преднатяга на долговечность системы и подчеркивает важность выбора оптимального значения преднатяга с учетом требуемого срока службы.
Задача: определить крутящий момент холостого хода для ШВП с преднатягом 600 Н.
Исходные данные:
- Диаметр винта: 20 мм
- Шаг: 5 мм
- Коэффициент трения: 0.003 (с качественной смазкой)
- Преднатяг: 600 Н
Решение:
- Рассчитаем угол подъема винтовой линии: α = arctan(p/(π·d)) = arctan(5/(π·20)) = arctan(0.08) = 4.57°
- Рассчитаем крутящий момент холостого хода по формуле: M = Fпр · (d/2) · tan(α + φ), где φ - угол трения
- Угол трения: φ = arctan(μ) = arctan(0.003) = 0.17°
- Крутящий момент: M = 600 · (20/2) · tan(4.57° + 0.17°) = 600 · 10 · 0.083 = 498 Н·мм = 0.5 Н·м
Вывод: Для данной ШВП с преднатягом 600 Н расчетный крутящий момент холостого хода составляет примерно 0.5 Н·м. Этот момент необходимо учитывать при выборе привода и расчете энергопотребления системы.
Каталог компонентов ШВП
Если вам требуется приобрести шарико-винтовые пары или комплектующие к ним, рекомендуем ознакомиться с нашим каталогом:
Компоненты ШВП
Дополнительные компоненты
Все представленные в каталоге компоненты изготовлены с соблюдением строгих стандартов качества и могут использоваться для создания прецизионных механизмов с оптимальным преднатягом в соответствии с рекомендациями, приведенными в данной статье.
Источники
- NSK Technical Journal "Precision Ball Screws for Industrial Machinery" (2023)
- THK "Ball Screw Technical Information and Application Examples" (2022)
- Hiwin Technologies Corp. "Ball Screw Technical Handbook" (2023)
- Steinmeyer "Precision Ball Screws - Engineering Data" (2021)
- SKF "Ball Screws - Installation and Maintenance Guide" (2022)
- PMI "Preload Adjustment Methods for High Precision Ball Screws" (2023)
- KESSLER "Ball Screw Preload: Effects on Performance and Life" (2021)
- Bosch Rexroth "Ball Screw Assemblies: Selection and Sizing" (2022)
- ISO 3408-1:2006 "Ball screws — Part 1: Vocabulary and designation"
- ISO 3408-3:2006 "Ball screws — Part 3: Acceptance conditions"
- ISO 3408-5:2006 "Ball screws — Part 5: Static and dynamic axial load ratings"
- Журнал "Современные технологии в машиностроении", статья "Оптимизация параметров преднатяга ШВП для прецизионных станков" (2022)
- Каталог компании "МИКРОН", раздел "Шарико-винтовые пары" (2023)
- Технический справочник "Детали машин и механизмов" под ред. В.И. Анурьева (2022)
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и представляет собой обобщение информации из технической литературы и инженерной практики. Приведенные таблицы, расчеты и рекомендации следует рассматривать как общие справочные данные, которые требуют уточнения для каждого конкретного случая.
Автор не несет ответственности за возможные ошибки, неточности и последствия, вызванные применением информации, содержащейся в данной статье. Для ответственных конструкций и механизмов настоятельно рекомендуется проведение полноценных инженерных расчетов специалистами и консультации с производителями шарико-винтовых пар.
При проектировании и эксплуатации систем с шарико-винтовыми парами необходимо руководствоваться актуальными нормативными документами, техническими условиями и рекомендациями производителей оборудования.
© 2025. Все права защищены. Воспроизведение или распространение данного материала без указания источника запрещено.
