Главная
Продукция
Универсальный калькулятор осевых нагрузок ШВП

Универсальный калькулятор осевых нагрузок ШВП

Комплексный расчет статических и динамических осевых нагрузок с учетом условий эксплуатации

Геометрические параметры ШВП

Диаметр винта (мм) Допустимые значения: 8-100 мм

Значение должно быть от 8 до 100 мм

Шаг резьбы (мм) Допустимые значения: 1-50 мм

Значение должно быть от 1 до 50 мм

Рабочая длина винта (мм) Допустимые значения: 100-5000 мм

Значение должно быть от 100 до 5000 мм

Параметры нагрузки и движения

Перемещаемая масса (кг) Допустимые значения: 0.1-10000 кг

Значение должно быть от 0.1 до 10000 кг

Ориентация ШВП Выберите из списка

Угол наклона (градусы) Допустимые значения: 1-89 градусов

Значение должно быть от 1 до 89 градусов

Максимальная скорость (мм/с) Допустимые значения: 1-2000 мм/с

Значение должно быть от 1 до 2000 мм/с

Ускорение (мм/с²) Допустимые значения: 10-20000 мм/с²

Значение должно быть от 10 до 20000 мм/с²

Параметры системы

КПД передачи (%) Допустимые значения: 50-98 %

Значение должно быть от 50 до 98 %

Коэффициент трения Допустимые значения: 0.001-0.1

Значение должно быть от 0.001 до 0.1

Предварительный натяг (Н) Допустимые значения: 0-5000 Н

Значение должно быть от 0 до 5000 Н

Условия эксплуатации

Рабочая температура (°C) Допустимые значения: -20 до 150 °C

Значение должно быть от -20 до 150 °C

Рабочий цикл (%) Допустимые значения: 10-100 %

Значение должно быть от 10 до 100 %

Условия окружающей среды Выберите из списка

Справочная информация и рекомендации

Рекомендации по выбору параметров ШВП

Соотношение диаметра и длины:

Для предотвращения потери устойчивости, отношение длины к диаметру не должно превышать 40:1

Выбор шага резьбы:

Для точного позиционирования выбирайте малый шаг (1-5 мм), для быстрого перемещения - больший шаг (10-20 мм)

Предварительный натяг:

Увеличение натяга повышает жесткость, но снижает КПД и ресурс

Влияние необязательных параметров на расчеты

КПД передачи:

Влияет на расчет крутящего момента и требуемой мощности привода. Снижение КПД ведет к увеличению необходимого крутящего момента и мощности привода.

Коэффициент трения:

Влияет на силу трения и, следовательно, на общую осевую нагрузку. Также влияет на самоторможение передачи и преобразование вращательного движения в поступательное.

Предварительный натяг:

Прямо влияет на статическую нагрузку, жесткость системы и точность позиционирования. Повышение натяга снижает ресурс, но увеличивает точность.

Рабочая температура:

Влияет на вязкость смазки и ресурс ШВП. При высоких температурах (>80°C) снижается срок службы и требуется специальная смазка.

Рабочий цикл:

Определяет соотношение времени работы под нагрузкой к общему времени. Влияет на эквивалентную нагрузку и оценку ресурса ШВП.

Условия окружающей среды:

Влияют на корректирующий коэффициент при расчете ресурса. Чистая среда увеличивает ресурс, загрязненная или влажная - уменьшает.

Рекомендации по эксплуатации

Смазка:

Рекомендуется использование смазки класса NLGI 2 для ШВП с периодичностью замены 500-1000 часов работы

Температурный режим:

Оптимальная температура эксплуатации: 15-40°C, при превышении 80°C требуется специальная смазка

Защита от загрязнений:

В запыленной среде рекомендуется установка гофрозащиты и регулярная очистка

Расчет ресурса

Базовая формула:

L = (C/F)³ × 10⁶, где C - динамическая грузоподъемность, F - эквивалентная нагрузка

Коррекция на температуру:

При T > 100°C: ft = 1 - 0.004 × (T - 100)

Коррекция на условия:

Чистая среда: +20%, Запыленная: -20%, Влажная: -10%

Рекомендуемый запас:

Для расчетного ресурса используйте запас не менее 2.5 для ответственных применений

Результаты расчета

Статическая осевая нагрузка:

— Н

Динамическая осевая нагрузка:

— Н

Эквивалентная осевая нагрузка:

— Н

Максимальный крутящий момент:

— Н·м

Критическая скорость вращения:

— об/мин

Требуемая мощность привода:

— Вт

Ожидаемый ресурс:

— млн. оборотов

Основные компоненты ШВП

Шариково-винтовая передача состоит из следующих основных компонентов:

Винт ШВП — стальной вал с высокоточной резьбой специального профиля, по которой перемещаются шарики
Гайка ШВП — содержит циркулирующие шарики и обеспечивает преобразование вращения в поступательное движение
Держатель для гайки — обеспечивает крепление гайки к подвижным частям механизма
Опоры ШВП — фиксируют винт и воспринимают радиальные и осевые нагрузки
Шарики — стальные или керамические сферы, передающие нагрузку между винтом и гайкой
Система рециркуляции — обеспечивает непрерывное движение шариков в гайке

Ведущие производители, такие как HIWIN и THK, предлагают широкий ассортимент ШВП различных типоразмеров и классов точности, в том числе прецизионные ШВП для особо ответственных применений.

Основные компоненты ШВП

Шариково-винтовая передача состоит из следующих основных компонентов:

Винт ШВП — стальной вал с высокоточной резьбой специального профиля, по которой перемещаются шарики
Гайка ШВП — содержит циркулирующие шарики и обеспечивает преобразование вращения в поступательное движение
Держатель для гайки — обеспечивает крепление гайки к подвижным частям механизма
Опоры ШВП — фиксируют винт и воспринимают радиальные и осевые нагрузки
Шарики — стальные или керамические сферы, передающие нагрузку между винтом и гайкой
Система рециркуляции — обеспечивает непрерывное движение шариков в гайке

Калькулятор осевых нагрузок шариково-винтовой передачи (ШВП) позволяет рассчитать ключевые параметры нагрузки и производительности ШВП на основе геометрических параметров, условий эксплуатации и характеристик движения. Данный документ объясняет принципы расчетов, используемых в калькуляторе, и их применение.

Что такое ШВП и зачем нужен расчет?

Шариково-винтовая передача (ШВП) — это механизм, преобразующий вращательное движение в поступательное (или наоборот) с минимальными потерями на трение. ШВП широко используются в станках, роботах, приводах подач и других прецизионных механизмах. ШВП состоит из винта, гайки, шариков и системы рециркуляции шариков. Ознакомиться с ассортиментом шариково-винтовых передач и комплектующих можно в нашем каталоге.

Правильный расчет осевых нагрузок ШВП критически важен для:

Выбора ШВП с подходящими параметрами для конкретной задачи
Предотвращения преждевременного износа или разрушения
Обеспечения требуемой точности и жесткости механизма
Оптимизации энергопотребления и снижения затрат
Прогнозирования ресурса работы механизма

Основные расчеты калькулятора

Рассмотрим основные формулы и методики расчета, используемые в калькуляторе:

1. Статическая осевая нагрузка

Статическая осевая нагрузка включает предварительный натяг, нагрузку от веса перемещаемой массы с учетом ориентации и силу трения:

F_ст = F_натяг + m × g × sin(α) + F_трения
где:
F_натяг — предварительный натяг, Н
m — перемещаемая масса, кг
g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²)
α — угол наклона (для вертикальной ШВП α = 90°, для горизонтальной α = 0°)
F_трения = m × g × μ — сила трения, где μ — коэффициент трения

2. Динамическая осевая нагрузка

Динамическая нагрузка учитывает дополнительную инерционную составляющую при ускорении или замедлении:

F_дин = F_ст + m × a
где:
a — линейное ускорение, м/с²

3. Эквивалентная осевая нагрузка

Учитывает соотношение времени работы ШВП под статической и динамической нагрузкой:

F_экв = √(F_ст² × (1 - DC) + F_дин² × DC)
где:
DC — рабочий цикл (доля времени под нагрузкой), от 0 до 1

4. Максимальный крутящий момент

Крутящий момент, необходимый для преодоления осевой нагрузки:

M = (F_дин × p) / (2π × η)
где:
p — шаг резьбы винта, м
η — КПД передачи

5. Критическая скорость вращения

Скорость вращения, при которой возникает резонанс винта:

n_кр = (π/2) × 60 × √(E × I / (ρ × A × L⁴))
где:
E — модуль упругости материала винта (для стали ≈ 210 ГПа)
I — момент инерции сечения винта
ρ — плотность материала (для стали ≈ 7850 кг/м³)
A — площадь поперечного сечения винта
L — рабочая длина винта, м

6. Требуемая мощность привода

Мощность, необходимая для обеспечения вращения винта с заданной скоростью под нагрузкой:

P = M × ω = M × (2π × n / 60)
где:
n — частота вращения, об/мин
ω — угловая скорость, рад/с

7. Ожидаемый ресурс

Расчетный ресурс ШВП в миллионах оборотов с учетом нагрузки и условий эксплуатации:

L = (C / F_экв)³ × 10⁶ × f_t × f_e
где:
C — динамическая грузоподъемность, Н
F_экв — эквивалентная осевая нагрузка, Н
f_t — температурный коэффициент
f_e — коэффициент условий эксплуатации

Примечание: Динамическая грузоподъемность С в калькуляторе приближенно рассчитывается на основе диаметра винта по формуле:
C ≈ 2.0 × d³ / 1000 [кН], где d — диаметр винта в мм

Практические примеры

Пример 1: Горизонтальная ШВП для малой нагрузки

Исходные данные:

Диаметр винта: 16 мм
Шаг резьбы: 5 мм
Длина винта: 400 мм
Перемещаемая масса: 30 кг
Максимальная скорость: 150 мм/с
Ускорение: 500 мм/с²

Результаты расчета:

Статическая осевая нагрузка: ≈ 201 Н
Динамическая осевая нагрузка: ≈ 216 Н
Максимальный крутящий момент: ≈ 0.19 Н·м
Критическая скорость: ≈ 5800 об/мин
Требуемая мощность: ≈ 35 Вт
Ожидаемый ресурс: ≈ 400 млн. оборотов

Пример 2: Вертикальная ШВП для средней нагрузки

Исходные данные:

Диаметр винта: 25 мм
Шаг резьбы: 10 мм
Длина винта: 800 мм
Перемещаемая масса: 150 кг
Максимальная скорость: 300 мм/с
Ускорение: 1200 мм/с²

Результаты расчета:

Статическая осевая нагрузка: ≈ 1693 Н
Динамическая осевая нагрузка: ≈ 1873 Н
Максимальный крутящий момент: ≈ 3.31 Н·м
Критическая скорость: ≈ 2400 об/мин
Требуемая мощность: ≈ 312 Вт
Ожидаемый ресурс: ≈ 125 млн. оборотов

Рекомендации по использованию калькулятора

Для получения наиболее точных результатов при использовании калькулятора следуйте этим рекомендациям:

Заполняйте все обязательные поля (отмеченные звездочкой) точными значениями
Обращайте внимание на единицы измерения — калькулятор ожидает ввода в определенных единицах
Учитывайте рекомендуемые значения из всплывающих подсказок для каждого параметра
Проверяйте отношение длины к диаметру — рекомендуется не превышать соотношения 40:1
При расчете реальных систем добавляйте запас 20-30% к требуемым значениям мощности и крутящего момента
Для ответственных применений рассчитанный ресурс следует делить на коэффициент безопасности 2.5-3
Выбирайте ШВП проверенных производителей — качество изготовления существенно влияет на реальные характеристики

После расчета параметров мы рекомендуем обратиться к каталогу для выбора конкретных компонентов ШВП от ведущих производителей: HIWIN или THK.

Важно! При выборе ШВП также необходимо учитывать требуемую точность позиционирования, условия эксплуатации, доступное пространство, стоимость и доступность компонентов, которые не учитываются в данном калькуляторе. Для получения квалифицированной консультации по выбору оптимальной конфигурации обратитесь к нашим специалистам.

Ограничения калькулятора

Калькулятор использует приближенные формулы и имеет следующие ограничения:

Не учитывает специфические особенности конкретных моделей ШВП от разных производителей
Приближенно рассчитывает динамическую грузоподъемность на основе диаметра винта
Не учитывает распределенные нагрузки и боковые силы
Не моделирует влияние изгиба винта на работу системы
Не рассчитывает тепловые эффекты при длительной работе
Не учитывает жесткость опор и их влияние на критическую скорость

Интерпретация результатов

Параметр	Интерпретация
Статическая осевая нагрузка	Должна быть меньше статической грузоподъемности ШВП. Используется для выбора компонентов и анализа при статических условиях.
Динамическая осевая нагрузка	Максимальная нагрузка при работе с ускорениями. Критична для выбора привода и расчета крутящего момента.
Эквивалентная осевая нагрузка	Усредненная нагрузка с учетом цикла работы. Используется для расчета ресурса ШВП.
Максимальный крутящий момент	Требуемый момент для двигателя. Должен быть меньше максимального момента выбранного двигателя.
Критическая скорость	Работа ШВП должна происходить на скоростях не более 80% от критической для предотвращения резонанса.
Требуемая мощность	Минимальная мощность привода для обеспечения работы системы. На практике рекомендуется выбирать двигатель с запасом 20-30%.
Ожидаемый ресурс	Теоретический ресурс в миллионах оборотов. Для перевода в часы работы: Часы = Ресурс × 10⁶ / (об/мин × 60).

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ: Данный калькулятор предоставляется исключительно в информационных целях и производит приближенные расчеты. Автор не несет ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования этого калькулятора, включая, но не ограничиваясь, финансовые потери, повреждение оборудования, травмы или иной ущерб. Результаты расчетов следует рассматривать как предварительную оценку, требующую дальнейшей верификации квалифицированными специалистами с использованием профессиональных методов расчета и с учетом специфики конкретной задачи и компонентов. Для ответственных применений настоятельно рекомендуется проконсультироваться с инженером-механиком или производителем ШВП.

Источники и литература

HIWIN Technologies Corp. Technical Information: Ball Screws. HIWIN, 2020.
THK Co., Ltd. Ball Screw Technical Information. THK, 2021.
NSK Ltd. Ball Screws: Precision Machine Components. NSK, 2019.
Mott, Robert L. Machine Elements in Mechanical Design. Pearson, 2018.
Barden P. The Use of Preloaded Ball Screws in Machine Tools. Journal of Manufacturing Processes, 2015; 17(3): 120-128.
ISO 3408-5:2006 Ball screws — Part 5: Static and dynamic axial load ratings and operational life.
Бушуев В.В. Основы конструирования станков. М.: Станкин, 2015.
Детали машин и основы конструирования / Под ред. М.Н. Ерохина. М.: КолосС, 2018.
Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2016.
Каталог шариково-винтовых передач: https://inner.su/catalog/shvp/

Для получения дополнительной информации о компонентах ШВП посетите наши разделы каталога:

Калькуляторы

Универсальный калькулятор осевых нагрузок ШВП

Универсальный калькулятор осевых нагрузок ШВП

Заказать товар