CC BY
155
УДК 621.833
ПРЕЦИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕЛАМИ КАЧЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРИВОДАХ НАВЕДЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В.С. Янгулов, А.Н. Грицута*
Томский политехнический университет *Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск E-mail: [email protected]; alexgritsuta@gmail .com
Проведён обзор и анализ прецизионных механических передач с промежуточными телами качения. Определены основные виды передач, которые могут быть использованы в редукторах приводов систем наведения оптических устройств. Сделан вывод о перспективности использования механических передач с промежуточными телами качения в редукторах приводов наведения в оптических устройствах нового поколения.
Ключевые слова:
Волновая передача, червячная передача, шариковинтовый механизм, волновая винтовая передача, промежуточные тела качения, шарикоподшипниковый винтовой механизм, редуктор.
Key words:
Harmonic drive, worm gear, ball screw drive, wave screw gear, intermediate rolling body, ball-bearing screw mechanism, reducer.
В приборах лазерной локации и астрофотографии используют редукторные приводы наведения на объект, которые должны обладать высокой точностью и динамическими качествами [1]. Современные прецизионные редукторы обладают точностью позиционирования 3'.. .6' [2], что не в полной мере удовлетворяет современным требованиям.
Все виды классических передач обладают зазором в зацеплении, что приводит к люфту и погрешности наведения. Применяемые устройства для выборки зазора ведут к усложнению конструкции, налагают ограничения на диапазон поворота выходного вала привода и увеличивают массово-габаритные характеристики привода.
Применение в опорно-поворотных устройствах оптических приборов приводов с редукторами, в которых применяются передачи с промежуточными телами качения (НТК), позволит избежать выше перечисленных недостатков и внесет дополнительные преимущества в конструкцию устройства.
Большой объем работ по исследованию передач с НТК был проведен в Томском политехническом университете. Эти исследования базируются на результатах работ по созданию прецизионного редуктора с высокой долговечностью, которые проводились в ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск. В процессе исследований был разработан целый ряд новых конструкций передач с упругим натягом в зацеплении, что обеспечивает устранение зазоров и отсутствие люфта на длительный срок эксплуатации. Это подтверждается результатами наземных испытаний, приведённых в таблице, и многолетней практики использования данных передач в составе редукторов привода силового гиростабилизатора системы стабилизации и
Янгулов Владимир
Семёнович, канд. техн. наук, заведующий учебно-научным центром при кафедре точного приборостроения Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail:
[email protected] Область научных интересов: механические передачи с промежуточными телами в зацеплении повышенной
точности и долговечности. Грицута Алексей Николаевич, аспирант кафедры точного приборостроения Института неразрушающего контроля ТПУ, ведущий инженер-конструктор Института оптики атмосферы СО РАН, г. Томск. E-mail: [email protected] Область научных интересов: прецизионные передачи с промежуточными телами
качения.
ориентации космических аппаратов [3]. Теоретические исследования позволяют на стадии проектирования передач с высокой степенью достоверности обеспечить требования по точности, жёсткости, мёртвому ходу и долговечности [3].
Таблица. Результаты исследований редуктора
Параметры Расчёт Эксперимент
Погрешность перемещения выходного вала за один шаг двигателя, угл. сек. 2 1
Мёртвый ход выходного вала, угл. сек 2 1
Момент трогания, Нм 1,5 • 10-5 1,3 10-5
Податливость, угл. мин/Нм 0,60 0,53
Момент нагрузки, Нм 0,6 150
Частота вращения входного вала, об/мин 1000 6000
Одной из проблем для оптических приборов является то, что световой поток к приёмнику соосен с выходным звеном редуктора. В червячных передачах есть возможность выполнения червячного колеса таким образом, чтобы он обеспечивал большую апертуру соосного светового потока к приёмнику.
Основными передачами с ПТК, которые могут быть востребованы в точных редукторах приводов оптических систем, являются волновые передачи, червячные, передачи линейного перемещения, а также комбинации этих передач.
Волновые передачи с промежуточными телами качения (ВППТК) по кинематике являются аналогами волновых передач с гибким колесом [3]. Отличие передач в том, что гибкое колесо заменено составным, состоящим из обоймы с радиальными пазами, с размещёнными в них ПТК. В зависимости от направления перемещений ПТК их можно разделить на радиальные и осевые. В свою очередь они делятся на цилиндрические и торцевые. Схема радиальной цилиндрической передачи представлена на рис. 1.
12 3 4
Рис. 1. Волновая радиальная цилиндрическая передача с промежуточными телами качения
Эксцентричный генератор - 3 расположен внутри обоймы - 2, в радиальных пазах которой размещены ПТК - 4, контактирующие с зубьями жёсткого колеса - 1.
Разновидностью данного вида ВППТК является торцевая волновая передача, в которой рабочие поверхности генератора и жёсткого колеса выполнены на торцах дисков, обращённых друг к другу [4]. Такие передачи в СССР исследовались в Могилёвском машиностроительном институте (рис. 2). Примером зарубежных разработок может служить передача [3].
Рис. 2. Волновая торцевая передача с промежуточными телами качения
а б
Рис. 3. Осевая передача с телами качения: а) в сборе, б) разобранная
Передача состоит из соосных дисков - 1 и 2, на обращённых друг к другу торцах дисков выполнены профили зубчатого венца и генератора. Между дисками установлен диск - 4 с радиальными прорезями, в которых находятся шарики - 3. Диск - 4 выполняет функцию обоймы.
Пример волновой осевой цилиндрической передачи с ПТК приведен на рис. 3 [3]. Звенья передачи представляют собой соосные цилиндры - 1 и 5. На обращенных друг к другу поверхностях наружного и внутреннего цилиндров выполнены замкнутые периодические дорожки качения - 6 и 9. Промежуточный цилиндр - 2 является сепаратором и имеет продольные прорези - 4, в которых находятся тела качения - 7. Любой из цилиндров может быть входным, выходным или неподвижным звеном. Например, входным звеном - волновым генератором - является внутренний цилиндр - 5, выходным звеном - наружный цилиндр - 1, а неподвижным звеном - сепаратор - 2, соединенный с корпусом - 8. Конструкция передачи должна исключать взаимное смещение цилиндров - 1, 2 и 5 вдоль оси, поэтому в качестве опор
- 9 выбираются радиально-упорные подшипники.
При однопериодном волновом генераторе дорожка качения представляет собой косую канавку, многопериодный генератор имеет зигзагообразно изогнутую канавку с числом периодов, отличающихся от числа периодов второго звена.
Червячные передачи с ПТК (рис. 4) как и стандартные червячные передачи состоят из червяка - 1 и червячного колеса - 2, только зацепление осуществляется с помощью ПТК (в данном случае шариков) - 3 расположенных в профильных канавках между колесом и червяком [5]. Шарики, выходя из зацепления, обкатываются по внутренней поверхности
корпуса - 4. Круговая циркуляция ПТК может осуществляться как через канал сделанный с наружи корпуса или в его теле (рис. 5, а), так и через тело червяка (рис. 5, б).
Рис. 4. Червячная передача с промежуточными телами качения.
а б
Рис. 5. Варианты исполнения возвратного канала циркуляции шариков: а) в корпусе, б) через червяк
Ещё одной из передач со скрещивающимися валами, является червячная передача с ПТК [6], представленная на рис. 6. Передача содержит червяк - 1 с винтовой нарезкой, в витках которой размещены рабочие шарики - 2 и сепараторные шарики - 3. Рабочие шарики - 2 контактируют с зубьями червячного колеса - 4, а сепаратные шарики - 3 меньшего размера, чем рабочие шарики, выполняют функцию сепаратора. Шарики удерживаются в витках червяка неподвижным корпусом - 5, в котором выполнен канал - 6 для перехода шариков из одного конца зацепления в другой. В корпусе имеется прорезь для обеспечения контакта зубьев колеса с рабочими шариками червяка.
5 2
Рис. 6. Червячная передача с промежуточными телами качения
Шариковинтовые механизмы (ШВМ) (рис. 7) - наиболее распространённый тип передач, в которых ПТК - 3 выполняют функцию катков, расположенных между витками винта
- 1 и гайки - 2, что существенно снижают потери мощности на трение [7]. Циркуляция шариков, как правило, происходит через внешний возвратный канал - 5. Между шариками могут быть расположены сепараторы - 4, которые исключают трение между шариками, в значительной степени повышают рабочие характеристики.
1
5
Рис. 7. Шариковинтовой механизм
Предварительный натяг в зацеплении достигается путем осевого смещения витков гайки относительно витков вала (рис 8, а) или за счет того, что размер шариков несколько больше, чем размер канавок; это обеспечивает появление четырех точек контакта (рис 8, б). Люфт между гайкой и винтом в обоих случаях отсутствует.
Большой вклад в исследования винтовых передач и ШВМ в частности внёс А.И. Турпаев [8]. В последние десятилетия их серийный выпуск начали многие зарубежные фирмы. Этому способствовало интенсивное развитие робототехники.
Среди передач с ПТК следует отметить волновые винтовые передачи. Для пояснения волновой винтовой передачи на рис. 9 показана конструктивная схема передачи и поперечное сечение А-А [9].
Рис. 8. Способы получения предварительного натяга в ШВМ: а) гайка со смещенным шагом витков (контакт по двум точкам; б) шарики с увеличенным диаметром (контакт по четырем точкам).
Волновая винтовая передача работает следующим образом. При вращении генератора -4 от привода (не показан) шарики - 3 под его воздействием совершают поступательные перемещения в отверстиях обоймы - 2 к поверхности винтовой канавки винта - 1 до контакта с ней, обеспечивая обкатку гибкой гайки по винту. С учётом разницы средних диаметров винтовых поверхностей винта - 1 и гибкой гайки, состоящей из обоймы - 2 и шариков - 3, корпус - 5 будет перемещаться с редуцированной скоростью при неподвижном винте - 1. При неподвижном корпусе - 5 выходным звеном передачи будет винт - 1.
А-А
123456 123 4 5 6
Рис. 9. Волновая винтовая передача
Передаточное число волновой винтовой передачи с многозаходными винтовыми канавками винта и гайки (рис. 10) определяется отношением разности числа заходов винтовых канавок подвижного и неподвижного звеньев передачи к количеству заходов подвижного звена:
7,
и =------1--,
7 - 7
71 7 2
где 71 и 72 - число заходов винтовых канавок подвижного и неподвижного звеньев передачи, соответственно [10].
А-А
1 2 Д 4 5 6 1 2 3 4
А
Рис. 10. Волновая винтовая передача с многозаходными винтовыми канавками винта и гайки.
Это приближает волновую винтовую передачу к волновой зубчатой передаче по однозначности значения передаточного отношения и сохраняет преимущества винтовой передачи - повышенное количество шариков, одновременно находящихся в контакте с рабочими поверхностями винтовых канавок винта и гибкой гайки.
Выводы
Проведённый обзор и анализ прецизионных механических передач с промежуточными телами качения, показал перспективность их использования в редукторах приводов систем наведения оптических устройств нового поколения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Общие сведения о построении ЦСП. 2011. URL: http://w0.sao.ru/hq/sekbta/
Modern/privod/node4.html (дата обращения: 25.10.2011).
2. Сервотехника-Нева. 2011. URL: http://www.servotechnica.spb.ru/gudel/ worm_gears.html (дата обращения: 25.10.2011).
3. Янгулов В.С. Зубчатые передачи повышенной точности и долговечности / под ред. В.С. Дмитриева. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 136 с.
4. Пашкевич М.Ф. Торцовые шариковые редукторы и их кинематика // Вестник машиностроения. - 1985. - № 7. - С.23-26.
5. Обзор патентной литературы. 2011. URL: http://www.freepatentsonline.com/ 7051610.pdf (дата обращения 25.10.2011).
6. Червячная передача: пат. 93913 Рос. Федерация. №2009102441/22; Заявл. 26.01.2009; опубл. 10.05.2010, Бюл. №13. - 2 с.
7. Электропривод. 2011. URL: http://www.electroprivod.ru/bspretightness.htm (дата обращения: 25.10.2011).
8. Турпаев А.И. Винтовые механизмы и передачи. - М.: Машиностроение, 1982. - 224 с.
9. Волновая винтовая передача: пат. 69179 Рос. Федерация. №2007121056/22; Заявл.
04.06.07; опубл. 10.12.07, Бюл. № 34. - 5 с.
10. Волновая винтовая передача: пат. 79961 Рос. Федерация. №2008129973/22; Заявл.
21.07.08; опубл. 20.01.09, Бюл. № 2. - 2 с.
Поступила 01.11.2011 г.
