Дудников
В.С.
Днепропетровский
национальный университет
ВПЛИВ КУТА КОНТАКТУ НА НАВАНТАЖУВАЛЬНУ ЗДАТНІСТЬ КУЛЬКОВИХ
ГВИНТОВИХ ПЕРЕДАЧ
З аналізу даних каталогів [1-3]
виходить, що навантажувальна здатність кулькових гвинтових передач (КГП)
зменшується зі збільшенням кроку різьблення, але при цьому росте ККД. Таким
чином, можна було б зробити оптимізацію КГП по сукупності цих двох параметрів.
Однак, з огляду на й так досить високий ККД у порівнянні з передачами
гвинт-гайка тертя ковзання вважаємо таку оптимізацію недоцільної й тому далі
будемо розглядати КГП із мінімально можливими з погляду міцності й технології
виготовлення кроками.
Розглянемо вплив кута контакту αк
на геометричні параметри гвинта й гайки, а також на напружено-деформований
стан, навантажувальну здатність і довговічність КГП. На рисунку 1 наведена
схема відносного розташування деталей КГП при осьовому навантаженні.

Рисунок 1 – Схема відносного розташування
деталей КГП при осьовому навантаженні
На рис. 1:
d0 – діаметр розташування центрів кульок. У
всіх каталогах він позначає номінальний діаметр КГП. Є стандартизований ряд
діаметрів d0;
dш
– діаметр кульок;
d1
– зовнішній діаметр гвинта;
d –
діаметр по дну канавки гвинта;
D –
діаметр по дну канавки гайки;
dk
– діаметр розташування точки контакту кульки з канавкою гвинта;
Dk
– діаметр розташування точки контакту кульки з канавкою гайки;
D1
– внутрішній діаметр гайки;
δ – радіальний зазор між гвинтом і гайкою;
Δ – радіальний зазор у ланцюзі гвинт-гайка-
кулька;
С – осьовий зазор;
R – радіус профілю жолоба гайки;
r – радіус профілю жолоба гвинта;
αk – кут контакту.
З рисунка 1 видно, що
;
;
;
;
; (1)
; (2)
;
.
Прирівнюючи (1) і (2), маємо
Розв'язавши
рівняння відносно
, одержуємо
(3)
Цей вираз відрізняється від відомого в
літературі [4] виразу кута контакту
:
(4)
Однак з виразу (3) краще видно, що
реальні значення кута
сильно
залежать від точності виконання п'яти елементів: D, d, dш, R, r.
Кожний із цих елементів має допуск на виготовлення, а тому реальні їхні розміри
можуть коливатися в межах мінімального й
максимального розмірів.
Розглянемо для приклада передачу
[1,3]
з номінальним діаметром
і
кроком
. Маємо
,
,
,
,
,
,
.
Для визначення
величини осьового зазору С використаємо формулу з [4]
.
З
урахуванням формули (1) перетворимо її до виду
.
Як видно, величина С також сильно залежить від
допусків розмірів D, d, dш, R, r.
У
таблиці 1 наведені результати розрахунків кута
й
осьового зазору С для різних сполучень допусків на виготовлення розмірів, які
їх визначають.
Таким
чином, теоретичний номінальний кут контакту
=44,9°. До речі, кут
підтримується всіма відомими виробниками КГП. З урахуванням
допусків на виготовлення кут
може
змінюватися в межах від
до
.
Таблиця 1 − Вплив допусків виготовлення
|
Сполучення
діаметрів |
|
С, мм |
|
|
|
44,900° |
0,1833 |
1 |
|
|
40,999° |
0,1856 |
1,075 |
|
|
46,062° |
0,1917 |
0,980 |
|
|
45,117° |
0,2033 |
0,996 |
|
|
47,156° |
0,1914 |
0,962 |
|
|
36,508° |
0,1660 |
1,186 |
|
|
38,856° |
0,1563 |
1,125 |
|
|
39,236° |
0,1846 |
1,116 |
|
|
41,674° |
0,1742 |
1,061 |
Виникає питання, як зміна кута
відбивається на пружно-деформованому стані елементів КГП і її
навантажувальній здатності, довговічності.
Навантаження, що діє на одну кульку по
нормалі до поверхні контакту, визначається за формулою [5]
![]()
де
– осьове навантаження на КГП;
– кількість кульок в одному замкнутому
ланцюжку робочої частини різьблення;
К – коефіцієнт
нерівномірності навантаження кульок (звичайно приймають К=0,63…0,7);
–
кількість замкнутих робочих ланцюжків;
– кут
підйому різьблення на середньому діаметрі ![]()
![]()
Очевидно, що за інших рівних умов
навантаження на кульку при різних значеннях кутів
співвідносяться як
![]()
Звідси виходить, що зі збільшенням кута
навантаження на кульку зменшується. Зменшення ж навантаження
спричиняє зменшення контактних напруг і, отже, збільшення
довговічності.
З погляду цієї позиції розроблювачі КГП
зацікавлені в максимально можливому збільшенні кута контакту
.
Така ж залежність збільшення осьової
вантажопідйомності з ростом кута
спостерігається й у радіально-упорних кулькових підшипників [6].
При збільшенні кута
з 12°
до 36° осьова вантажопідйомність збільшується в 2,85 рази. В упорних
підшипниках, як відомо,
.
У таблиці 1 наведені дані про
співвідношення навантажень на кульку при різних значеннях кута
стосовно розрахункового навантаження при
.
Максимальне та мінімальне навантаження
відрізняються в 1,232 рази. З огляду на те, що довговічність пропорційна
навантаженню в третьому ступені [5], то з урахуванням допусків на виготовлення
можливий розкид довговічності КГП в 1,87 рази.
На рисунку 2 наведені кути напіврозхилу
жолобів на гайці та гвинті.
Визначимо величини кутів напіврозхилу
жолобів на гайці та гвинті. З рисунку 2 видно, що
![]()
;
![]()
.
Глибина
жолоба на гвинті
![]()
Глибина
жолоба на гайці
![]()
Ідеальний
зазор між гвинтом і гайкою
![]()
Доцільно вирівняти по величині кути
. Для цього необхідно збільшити діаметр
, тобто збільшити глибину жолоба на гвинті
.
![]()
.
При
цьому радіальний зазор
зменшиться до величини
![]()
а глибина жолоба
збільшиться до величини
![]()
тобто стане такою, як на гайці.

Рисунок 2 –
Визначення кутів
Зіставляючи рисунки 1 і 2, видно, що
кут контакту
може
бути істотно збільшений аж до кута
. Реально, у розглянутому прикладі, з
урахуванням ширини плями контакту шарика з жолобами гвинта та гайки можна
прийняти
, тобто
.
Для збільшення
відповідно до формули (4) необхідно збільшити радіальний зазор
і
визначити його за формулою
.
У нашому випадку при ![]()
;
;
;

![]()
;
;
![]()
![]()
![]()
При
навантаження на шарик становить 75% від навантаження при
, що приводить до збільшення довговічності в
2,359 рази.
У дужках зазначені значення діаметрів
при
. Як видно, діаметр
збільшується, а діаметр
, навпаки, зменшується.
Таким чином, вище був показаний
позитивний вплив збільшення кута контакту
на
напружено-деформований стан КГП, її навантажувальну здатність і довговічність.
Для збільшення кута
запропоновано збільшити радіальний зазор Δ у ланцюзі
гвинт-кулька-гайка. Запропонований метод збільшення кута
не
викликає ніяких технологічних труднощів і не вимагає зміни відпрацьованих
технологічних процесів виготовлення деталей КГП, тобто є технологічним.
Література:
1
СТП2–0222337–345–85.
Детали передачи винт-гайка качения. Конструкция и исполнительные размеры. –
Взамен СТП 345–77; Дата введения 1985–07–26. – Д.: КБЮ, 1985. – 71 с.
2
Шариковинтовые
приводы, концевые опоры и корпуса гаек. Bosh Rexroth (Star)
[Електроний ресурс]. – Режим доступа: < http:
// www. promsnab.info/bosch.html >.
– 127 с.
3
Шариковые винтовые передачи ОМВ
с предварительным натягом. ОАО „Микрон” [Електроний ресурс]. – Режим доступа:
< http: // www. engineercatalogues.narod.ru/html/ball screws. html >.
– 21 с.
4
Кестельман, В.Н.
Механизмы управления самолетом / В.Н. Кестельман, А.В Федоров. – М.:
Машиностроение, 1987. – 792 с.
5
Веселков, Р.С. Детали
и механизмы роботов: Основы расчета, конструирования и технологии производства:
/ Р.С. Веселков, Т.Н. Гонтаровская, В.П. Гонтаровский и др.; Под ред. Б.Б.
Самотокина. – К.: Вища шк., 1990. – 343 с.
6
Бейзельман, Р.Д.
Подшипники качения. / Р.Д. Бейзельман, Б.В. Цыпкин, Л.Я. Перель. М.:
Машиностроение, 1975. – 572 с.