CC BY
57
УДК 621.8
И.В. Шинаков, канд. техн. наук, доц., (4922)47-99-24, mtf@vlsu.ru (Россия, Владимир, ВлГУ),
А.В. Жданов, канд. техн. наук, доц., (4922)47-99-24, mtf@vlsu.ru (Россия, Владимир, ВлГУ)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗУБЧАТОГО ЗАМЫКАНИЯ В ПЛАНЕТАРНЫХ РОЛИКОВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМАХ
Приведены результаты исследования, которые позволили спроектировать и изготовить планетарный ПРМ с зубчатым замыканием для мехатронного рулевого привода многоцелевого самолета.
Ключевые слова: планетарный роликовинтовой механизм, поступательное перемещение, кинематическая передаточная функция, зубчатое замыкание.
Планетарные роликовинтовые механизмы (ПРМ) поступательного перемещения имеют широкие кинематические возможности (большой диапазон кинематической передаточной функции (КПФ), высокие значения редукции, КПД, возможность самоторможения для некоторых схем), высокую точность, нагрузочную способность и жесткость, поэтому широко используются в мехатронных приводах различного назначения. Ряд схем ПРМ обеспечивают стабильную КПФ - это механизмы, выпускаемые известными фирмами «SKF» (Швеция), «INA» (Германия) под торговой маркой «Transroll», у которых значение КПФ может быть определено по формуле Sx = zi • px = const, где px - шаг резьбы, мм; zi - число заходов на 1м звене - винте. Конструктивной особенностью передач «Transroll» является равенство чисел заходов на 1-м (винте) и 3-м звене (гайка), т.е.
z1= z3 ^ 3.
Рис. 1/Роликовинтовой механизм:
1 - сепаратор; 2 - зубчатый венец; 3 - шпонка; 4 - ролик; 5 - стакан; 6 - гайка; 7 - штифт$ 8 - кольцо; 9 - крышка; 10 - винт
Наиболее большой класс ПРМ разработан для случая г1 ^ z3, однако
механизмов (п - коэффициент редукции) [1]. Для приводов с обратной связью данная нестабильность не является критической, т.к. не превышает 6 %, однако для высокоточных устройств необходимо предложить пути обеспечения стабильной КПФ ПРМ.
Стабильность КПФ РВМ можно достигнуть несколькими способами:
1) бором геометрических параметров механизма;
2) созданием принципиально новых схем передач [1];
3) введением дополнительного зубчатого зацепления.
Последний способ будет подробнее рассмотрен ниже. Замкнутые
ПРМ представляют собой механизмы, в которых на звенья накладываются дополнительные кинематические связи в виде планетарных зубчатых замыканий. Это обеспечивает жесткое сопряжение между звеньями без проскальзывания и стабильную передаточную функцию для поступательного перемещения выходного звена.
Замкнутые ПРМ можно классифицировать по нескольким признакам:
1. По типу планетарной передачи, включаемой в состав ПРМ (данная классификация эквивалентна количеству центральных колес). Классификация аналогична представ[2]: передачи типа 2К - Н и передачи типа 3К.
2. По степени замыкания: а) ПРМ с полным замыканием; б) ПРМ с неполным замыканием звеньев. В механизмах первой группы замыкаются все три резьбовые звена (винт, ролик и гайка), т.е. на всех резьбовых элементах дополнительно нарезаны зубья. В механизмах второй группы с неполным замыканием возможны два варианта: когда замыкаются ролик-гайка и винт-ролик.
3. По конструктивным особенностям обеспечения зубчатого замыкания. Различают введение зубчатого замыкания на основных (резьбовых) элементах (винт, ролик, гайка) и вспомогательных элементах (сепаратор, корпус). При этом введение зубчатой нарезки возможно на опорный винт опорную гайку. Замыкание через корпус возможно для роликов на гайку и корпус, а также для сепаратора.
В соответствии с принятой классификацией для ПРМ возможны 5 вариантов дополнительных зубчатых замыканий между звеньями. Ниже рассматриваются все эти случаи.
Вариант 1. Все три звена ПРМ - винт, ролики и гайка - снабжаются зубчатыми венцами, у которых начальные поверхности совпадают со средними диаметрами соответствующих резьб. Замыкающая кинематическая цепь, необходимая для получения степени подвижности механизма W = 1, состоит из зубчатых колес z 4 и z5, из которых первое сблокировано с роли-
передача переходит в класс фрикционных
ком, а второе - со стойкой. Все зубчатые зацепления образуют планетарный механизм с одним входным и двумя выходными звеньями. Вопрос о том, какое из трех звеньев - винт 1, гайку 3 или водило Н (сепаратор роликов) - сделать ведущим, следует решать с учетом КПД планетарного механизма. Звеном, ведущим осевую полезную нагрузку, в принципе, может быть как винт 1, так и гайка 3.
Конструктивные особенности механизма, выполняемого по варианту 1, следующие: на выходном звене необходим широкий зубчатый венец соответствующий длине хода этого венца; выходное звено должно совершать вращательное движение, что видно из эпюр окружных скоростей; это требует применения упорных подшипников между перемещаемым объектом и выходным звеном. Кинематика механизма, выполненного по варианту 1, может быть двух типов:
а) ведущее звено - водило, а выходное - винт 1, гайка 3 и ролики 2 - не должны иметь осевого перемещения относительно стойки;
б) ёедущее звено - гайка 3, выходное - винт 1, гайка и ролики не имеют осевого перемещения относительно стойки.
При любом ведущем звене могут быть найдены передаточные отношения, необходимые для определения функции положения и условия неподвижности звеньев относительно друг друга. Подбор числа зубьев должен производиться согласно условиям соосности зубчатых венцов. При этом предполагается, что зубчатые венцы изготовлены с коэффициентами суммы смещений = 0. Таким образом, при четырех неизвестных
г2,23,24, г5 есть три уравнения, поэтому задача о выборе чисел зубьев имеет множество решений.
Вариант 2. Зубчатыми венцами снабжаются все три звена, но винт или гайка фиксируются от поворота. В этом варианте зубчатые венцы и сепаратор-водило Н - образуют рядный планетарный механизм с опорным колесом 23 при невращающейся гайке 3 или колесом 21 при невращаю-щемся винте 1. В первом случае (вариант а) ведущим может быть водило Н или винт 1, во втором - водило Н или гайка 3 (вариант б). Конструктивные особенности механизма: на выходном звене необходим широкий зубчатый венец, соответствующий длине хода; выходное звено не совершает вращательного движения, что исключает применение упорных подшипников между перемещаемым объектом и выходным звеном. Для подбора числа зубьев необходимо использовать условия соосности и чистого качения средних цилиндров резьб. Таким образом, если задаться одним из 2, то остальные два определятся однозначно, то есть задача будет иметь единственное решение.
Вариант 3. Зубчатыми венцами снабжены ролики 2 и гайка 3. Для данного случая замыкающая кинематическая цепь, необходимая для получения степени подвижности W =1, состоит из дополнительных зубчатых ко-
лес на гайке 24 и водиле - сепараторе 2н и блока колес 25 и 26, вращающегося в неподвижной опоре. Все зубчатые зацепления образуют так называемый замкнутый дифференциальный механизм. Ведущим звеном может быть гайка 3, водило Н или блок колес 25 и г6. КПФ и условие опорного сопряжения определяются в предположении, что винт 1 не вращается, т.е. Ф1 = 0. Числа зубьев колес при введении зубчатого замыкания должны удовлетворять четырем условиям: соосности, чистого качения ролика по гайке, чистого качения ролика по винту и условию, получающемуся из рассмотрения эпюр окружных скоростей звеньев. Четыре уравнения при пяти неизвестных 23,24,25,26 и 2н дают множество решений. Конструктивные особенности варианта 3: отсутствие зубчатого венца на выходном звене; отсутствие вращения выходного звена; не исключается применение блока колес 25 и 2 5 с внутренними зубчатыми колесами.
Вариант 4. Зубчатые венцы выполняются на роликах и винте. Замыкающая кинематическая цепь состоит из дополнительных зубчатых колес на винте 24 и водиле-сепараторе 2н и блока колес 25 и 25 с неподвижной осью вращения. Все зацепления образуют замкнутый дифференциальный механизм. Ведущим звеном может быть винт 1 или блок колес 25 и
2 6. Передаточная функция и условие опорного сопряжения определяются в
предположении, что выходное звено - гайка 3 - не вращается, то есть Ф3 = 0.
Числа зубьев колес должны удовлетворять условиям соосности, качения роликов по винту, качения роликов по гайке. Конструктивные особенности механизма аналогичны варианту 3.
Вариант 5. Зубчатые венцы выполняются либо на роликах 2 и гайке
3, либо на роликах 2 и винте 1 . Поскольку винт 1 и гайка 3 фиксируются от вращения, то ведущим звеном может быть только водило Н. В качестве выходного звена принимается то, которое не имеет зубчатого зацепления с роликами 2. Данный вариант отличается конструктивной простотой в сравнении со всеми остальными, но неизбежно скольжение резьбовых поверхностей роликов 2 и выходного звена со скоростью, близкой к наибольшей окружной скорости ролика.
Кинематические характеристики ПРМ с различными вариантами зубчатого замыкания звеньев сведены в таблицу. По формулам, представленным в ней, были рассчитаны значения КПФ для всех вариантов зубчатого замыкания. На рис. 2 и 3 представлены графики зависимости КПФ от отношения диаметров к винта и роликов. Анализ данных зависимостей показывает, что с увеличением значений к передаточная функция ПРМ возрастает. При сравнении КПФ замкнутой и незамкнутой передач видно, что для замкнутых типов ПРМ КПФ меньше от 1,7 до 8 раз в зависимости от варианта зубчатого замыкания. Введение зубчатого замыкания в ПРМ приводит к смене направления движения передачи. Так, для 3-го и 4-го вариан-
тов 5Х < 0, т.е. передача двигается в направлении, противоположном исходному.
Кинематические параметры РВП при различных вариантах зубчатого замыкания звеньев приведены в таблице.
Кинематические параметры РВП при различных вариантах ___________зубчатого^ замыкания звеньев_______________
Ва- ри- ант Входное (ведущее) звено Выходное звено Не- вра- щаю- щееся звено КПД по отношению к перемещению входного звена Условие опорного сопряжения
1 Винт 1 Гайка 3 нет 23 (і31 — /И1 ) — 21(1 — 1 ) 21 (і1 — 1) — 22(і2И — 1) = 0
Водило# Гайка 3 нет г3(/зі - 1)- гх{іи 1 —1)
2 Винт 3 Винт 1 нет 21 (і13 — іИ3 ) — г3(1 — і3И ) 23(і3І — 1 — г2 (і2И — 1 = 0
Водило# Винт 1 нет 21 (і1І — 1) — 23 (/3И —1)
3 Винт 1 Гайка 3 Гайка 3 — Чі 1 — 21(1 — іИ1 ) 23(і3І — 1 — 22(І2И — 1 = 0
Водило# Гайка 3 Гайка 3 — г3 — г1 (і1И — 1)
4 Гайка 3 Винт 1 Винт 1 — 21іІ 3 — г3(1 — і3И ) /1 2 (22 — 23 ) — 2 2 ~ 0
Водило# Винт 1 Винт 1 — г1 — г3 (/3И — 1)
5 Водило# Винт 1 Винт 1 Гайка 3 г3 — г1 /І 2 (2 2 — 23 ) — 2 2 = 0
Водило# Гайка 3 г1 — г3 /1 2 (2 2 — 21 ) — 2 2 = 0
Отношение диаметров, к Н—Н вариант 1 (1-3)
-----вариант 1 (Н-3)
X X в ариант 2 (3-1) вариант 2 (Н-1)
Н—Н в ариант 3 (1 -3) вариант 3 (Н-3)
“ Ф"' вариант 4 (3-1)
О О в ариант 4 (Н-1)
----- вариант 5 (Н-1 и Н-3)
РВМ без замыкания
Число зубьев (заходов), х1
----- вариант 1 (1-3)
-----вариант 1 (Н-3)
X X в ариант 2 (З-1)
----- вариант 2 (Н-1)
Н—Н в ариант З (1 -3)
О О вариант 3 (Н-3)
" Ф"' вариант 4 (3-1)
□ □ в ариант 4 (Н-1)
----- вариант^ (Н-1 и Н-3)
Рис. 2. Зависимость КПФ Рис. 3. Зависимость КПФ от
от отношения диаметров к отношения числа зубьев винта
Проведенные исследования позволили спроектировать и изготовить планетарный ПРМ с зубчатым замыканием для мехатронного рулевого привода многоцелевого самолета по первому варианту зубчатого замыкания. Благодаря наличию прямозубой нарезки винт 1 и гайка З вместе с роликами 2 образуют планетарную передачу, в которой передаточная функция стабильна. Дополнительная геометрическая связь исключает влияние колебаний коэффициентов трения в кинематических парах на величину передаточной функции. Технические характеристики полученной передачи: КПФ - 0,25 мм/об (при шаге резьбы px = 1 мм), рабочая осевая нагрузка на привод - 7 кН (кратковременная статическая нагрузка - 30 кН); ход - 80 мм; габариты - D=50 мм, L=200 MM. Полученный ПРМ обеспечивает стабильную КПФ во всем диапазоне рабочих ходов.
Список литературы
1. Морозов В.В. Роликовинтовые механизмы. Кинематические характеристики: монография. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2005. 78 с.
2. Планетарные передачи: справочник; под ред. В.Н. Кудрявцева, Ю.Н. Кирдяшева. Л.: Машиностроение, 1977. 536 с.
I. Shinakov, A. Zhdanov
Security gear fault in planetary rolikovintovyh mechanisms
The results of the study, which enabled to design and manufacture planetary PBM with serrated closure for mechatronic steering drive multipurpose aircraft are proposed.
Keywords: planetary rolikovay screw mechanism, the translational movement, the kinematic transfer function, cog-circuiting.
Получено 07.04.10
УДК 612.873-82:621.225.001.24
В.В. Прейс, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
В.В. Сальников, асп., (4872) 33-24-38, preys@klax.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ДВУХШТОКОВОГО СИЛОВОГО ГИДРОЦИЛИНДРА ДЛЯ ГРУЗОПОДЪЕМНИКА ЭЛЕКТРОПОГРУЗЧИКОВ
Рассматриваются теоретические и практические аспекты оптимизации параметров и оценки надежности двухштокового силового гидроцилиндра для грузоподъемников вилочных электропогрузчиков.
Ключевые слова: электропогрузчик, грузоподъемник, надежность, качество, оптимизация параметров, гидроцилиндр.
Задача выбора типа и оптимальных параметров силового гидроцилиндра для грузоподъемника вилочного электропогрузчика наряду с экономическими аспектами связана с безопасностью управления электропо-
98
