[1]Изобретение относится к машиностроению, в частности к приборостроению, и может быть использовано при создании прецизионных приводов, преобразующих вращательное движение в поступательное.
[2]Известен ролико-винтовой механизм (см. Решетов Д.Н. «Детали машин», Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов, 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1989 г., стр. 314), состоящий из винта, гайки и помещенных между ними резьбовых роликов, оси которых параллельны осям винта и гайки. Ролики для предотвращения перекосов своими торцовыми цапфами установлены в сепараторах по обе стороны гайки. Чтобы исключить самопроизвольное выкатывание роликов из гайки за счет проскальзывания при вращении, они дополнительно связаны по торцам с гайкой зубчатым зацеплением - гайка имеет зубчатые венцы, а на торцах роликов нарезаны зубчатые колеса. Винт выполнен с наружной многозаходной резьбой, гайка - с внутренней многозаходной резьбой, а ролики - с наружной однозаходной резьбой. Витки роликов находятся в резьбовом зацеплении с витками винта и гайки. Межцентровые расстояния и параметры зацепления в парах «винт-ролик» и «ролик - гайка» должны выдерживаться только за счет высокоточного изготовления деталей.
[3]Недостатком технического решения является технологическая сложность изготовления деталей механизма и выполнение многозаходной резьбы на внутренней поверхности стальной гайки, закаленной до высокой твердости (HRC55-60 см. Бушенин Д.М. Винтовые механизмы, г. Владимир, 1980 г.). По этим причинам производство ролико-винтовых механизмов, по большинству эксплуатационных параметров превосходящих другие виды механизмов для преобразования вращательного движения в поступательное, на неспециализированных производствах затруднено. Изготовление подобных ролико-винтовых механизмов освоено только на нескольких высокотехнологичных предприятиях во всем мире.
[4]Известно устройство для преобразования вращательного движения в поступательное (см. патент US №4926708, МПК5 F16H 25/22, опубл. 22.05.1990 г.), в котором отсутствует гайка с внутренней резьбой. Данное устройство состоит из ходового винта, корпуса и роликов. Корпус имеет ту же ось, что и винт, а оси роликов параллельны ей. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнены, по меньшей мере, два кольцевых паза. На каждом ролике выполнены кольцевые проточки, чередующиеся с участками, на которых нарезана резьба. Резьбовые участки каждого ролика, расположенные между соседними проточками, одной стороной взаимодействуют с резьбой винта, а противоположной стороной обращены в кольцевые пазы корпуса. Таким образом, количество кольцевых пазов корпуса равно числу резьбовых участков на каждом ролике, а число кольцевых проточек на каждом ролике на единицу меньше. Ролики равномерно распределены по окружности вокруг ходового винта. Таким образом, корпус устройства не имеет внутренней многозаходной резьбы, а устройство в целом - сепараторов и зубчатых венцов. При работе устройства винт вращается, ролики совершают планетарное движение и перемещают корпус поступательно вдоль оси винта. Рабочая осевая сила передается с винта на ролики за счет зацепления витков резьб этих деталей, а с роликов на корпус - за счет контакта сопрягаемых поверхностей роликов с пазами корпуса с трением качения и с большой долей скольжения (проскальзывания).
[5]Недостатками данного устройства являются большой «удельный вес» трения скольжения, который ведет к снижению КПД, износу сопрягаемых поверхностей и к снижению долговечности устройства, а также, несмотря на отсутствие гайки с внутренней многозаходной резьбой, остаются чрезвычайно высокими требования по точности изготовления компонентов механизма.
[6]Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ролико-винтовой механизм (см. патент DE 102014202326 А1, 2015.08.13, F16H 25/22, опубл. 13.08.2015 г.), выбранный в качестве прототипа.
[7]Ролико-винтовой механизм содержит ходовой винт с винтовой нарезкой, гайку с внутренней кольцевой нарезкой, находящиеся с ними в резьбовых зацеплениях ролики-сателлиты, установленные в сепараторе равномерно по окружности в пространстве между винтом и гайкой и выполненные в виде тел вращения с двумя краевыми и одной центральной зонами, при этом краевые зоны каждого ролика-сателлита имеют одинаковый диаметр, отличный от диаметра их центральной зоны, внутренняя кольцевая нарезка гайки выполнена в зонах, сопрягаемых с краевыми зонами роликов-сателлитов, также выполненными с кольцевой нарезкой. При этом ролики-сателлиты в своей центральной зоне, диаметр которой больше диаметра краевых зон, выполнены с кольцевой нарезкой и находятся во взаимодействии с винтовой нарезкой ходового винта, который может быть выполнен или однозаходным, или многозаходным. Таким образом, ролики-сателлиты в своей центральной зоне находятся в резьбовом зацеплении с ходовым винтом, а в краевых зонах - с гайкой и своими концевыми цапфами установлены в сепаратор.
[8]Существенным недостатком этого механизма является наличие суммарного зазора в осевом направлении в резьбовых зацеплениях между гайкой и роликами-сателлитами, а также роликами-сателлитами и ходовым винтом. Это обусловлено тем, что выполнение нарезки как в краевых зонах роликов-сателлитов, так и в центральной зоне, которая имеет больший диаметр, чем краевые зоны, неизбежно приводит к накоплению погрешности при переходе из одной зоны в другую. Из-за выполнения сепаратора из двух частей, установленных с противоположных концов гайки, затруднено позиционирование установочных отверстий для цапф роликов-сателлитов, обеспечивающее параллельность их осей с осями гайки и ходового винта. В данном механизме суммарные технологические ошибки должны быть скомпенсированы обеспечением гарантированного технологического зазора в резьбовых зацеплениях между элементами механизма. Уменьшение зазоров приводит к затруднению сборки, нарушению плавности хода и даже к заклиниванию механизма. В то же время наличие суммарного зазора в осевом направлении в резьбовых зацеплениях, так называемого «мертвого хода», приводит к ухудшению чувствительности устройства к управляющим воздействиям, что снижает точность перемещения выходного звена механизма. Это особенно существенно для прецизионных приводов линейного перемещения, которые должны обеспечивать микроперемещения при движении в любом направлении, в том числе и при сменах направления (реверсах). Конструктивное выполнение механизма исключает возможность уменьшения или регулирования технологического осевого зазора во время или после сборки.
[9]Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение чувствительности ролико-винтового механизма к управляющим воздействиям за счет устранения осевого зазора в резьбовых зацеплениях роликов-сателлитов с ходовым винтом и гайкой (мертвого хода), что обеспечивает повышение точности перемещений выходного звена.
[10]Поставленная задача решается тем, что в ролико-винтовом механизме, содержащем многозаходный ходовой винт с винтовой нарезкой, гайку с внутренней кольцевой нарезкой, находящиеся с ними в резьбовых зацеплениях ролики-сателлиты в количестве, равном количеству заходов ходового винта, установленные в сепараторе равномерно по окружности в пространстве между ходовым винтом и гайкой и выполненные в виде тел вращения с двумя краевыми и одной центральной зонами, при этом краевые зоны роликов-сателлитов имеют одинаковый диаметр, отличный от диаметра их центральной зоны, внутренняя кольцевая нарезка гайки выполнена в зонах, сопрягаемых с краевыми зонами роликов-сателлитов, также выполненными с кольцевой нарезкой, центральная зона роликов-сателлитов выполнена в виде гладкого цилиндра, диаметр которого меньше диаметра впадин канавок кольцевой нарезки их краевых зон, сепаратор установлен внутри гайки и выполнен в виде полого цилиндра с продольными пазами на его внутренней поверхности для позиционирования роликов-сателлитов, осевая длина сепаратора равна длине центральной зоны роликов-сателлитов, которые краевыми зонами находятся в резьбовом зацеплении одновременно с ходовым винтом и гайкой, при этом гайка выполнена из двух полугаек с возможностью изменения и фиксации осевого зазора между ними.
[11]А также тем, что профиль винтовой нарезки ходового винта, профили канавок кольцевой нарезки гайки и роликов-сателлитов одинаковы и имеют треугольную форму.
[12]На фиг. 1 и фиг. 2 представлена конструкция предлагаемого ролико-винтового механизма (РВМ).
[13]На фиг. 3 представлена конструкция сепаратора.
[14]РВМ содержит многозаходный ходовой винт 1 с винтовой нарезкой, гайку 2 с внутренней кольцевой нарезкой, находящиеся с ними в резьбовых зацеплениях ролики-сателлиты 3, установленные в сепараторе 4 равномерно по окружности в пространстве между винтом 1 и гайкой 2 и выполненные в виде тел вращения с двумя краевыми и одной центральной зонами, при этом краевые зоны роликов-сателлитов 3 имеют одинаковый диаметр, больший диаметра их центральной зоны. Внутренняя кольцевая нарезка гайки 2 выполнена только в зонах, сопрягаемых с краевыми зонами роликов-сателлитов 3, также выполненными с кольцевой нарезкой. Центральная зона роликов-сателлитов 3 выполнена в виде гладкого цилиндра, диаметр которого меньше диаметра впадин канавок кольцевой нарезки их краевых зон. Меньший диаметр центральной зоны роликов-сателлитов 3 позволяет выполнять кольцевую нарезку в их краевых зонах за один проход, что обеспечивает снижение погрешности нарезки. Сепаратор 4 установлен внутри гайки 2 и выполнен в виде полого цилиндра с продольными пазами 5 на его внутренней поверхности для позиционирования роликов-сателлитов 3. Осевая длина сепаратора 4 равна длине центральной зоны роликов-сателлитов 3, которые своей центральной гладкой цилиндрической зоной вложены в продольные пазы 5 сепаратора 4, а краевыми зонами находятся в резьбовом зацеплении одновременно с ходовым винтом 1 и гайкой 2. Гайка 2 выполнена из двух полугаек, установленных с возможностью изменения и фиксации осевого зазора между ними, например с помощью прижимного (резьбового) кольца 6, вворачивающегося в корпус гайки 7 (см. фиг. 1 и фиг. 2). Для обеспечения упругого взаимодействия между полугайками между ними можно установить распорное кольцо 8. Профиль винтовой нарезки ходового винта 1, профили канавок кольцевой нарезки гайки 2 и роликов-сателлитов 3 имеют треугольную форму.
[15]РВМ обеспечивает преобразование вращательного движения в поступательное. Входным (вращающимся) звеном может быть и ходовой винт 1, и гайка 2. Следовательно, выходным звеном (поступательно перемещающимся) тогда будут или гайка 2, или ходовой винт 1. Входное звено кинематически связано с внешним приводом вращательного движения. Выходное звено застопорено от вращения и связано с поступательно перемещающейся кареткой управляемого устройства (привод вращательного движения и перемещающаяся каретка на фиг. 1 - 3 не показаны).
[16]Ролико-винтовой механизм работает следующим образом.
[17]Входное звено, например ходовой винт 1, вращаясь, увлекает за собой расположенные вокруг него по окружности и вложенные в продольные пазы 5 сепаратора 4 ролики-сателлиты 3, находящиеся с ходовым винтом 1 в резьбовом зацеплении своими краевыми зонами. Ходовой винт 1 вращается вокруг собственной оси, а ролики-сателлиты 3 совершают планетарное движение вокруг него, обкатываются по винтовой нарезке ходового винта 1, свободно проворачиваясь в продольных пазах 5 сепаратора 4. Поскольку кольцевая нарезка краевых зон роликов-сателлитов 3 находится одновременно в зацеплении с кольцевой нарезкой гайки 2, гайка 2 при этом вместе с роликами-сателлитами 3 поступательно перемещается вдоль оси ходового винта 1.
[18]Если же входным звеном является гайка 2, движение роликов-сателлитов 3 инициируется вращающейся гайкой 2. Ролики-сателлиты 3 вращаются внутри гайки 2, совершают планетарное движение вокруг застопоренного от вращения ходового винта 1 по его винтовой нарезке и винт 1 начинает двигаться поступательно по отношению к гайке 2.
[19]За счет внешней воздействующей силы, при вворачивании прижимного (резьбового) кольца 6 в корпус гайки 7 ролики-сателлиты 3 перемещаются радиально по направлению к винту. При этом продольные пазы 5 сепаратора 4, удерживающие ролики-сателлиты 3, обеспечивают перемещение последних только в радиальном направлении. После возникновения контактов роликов-сателлитов 3 с полугайками гайки 2 и ходовым винтом 1 регулировка прекращается. В результате боковые поверхности выступов кольцевой нарезки роликов-сателлитов 3 и канавок кольцевой нарезки полугаек соприкасаются, в зонах контактов роликов-сателлитов 3 с полугайками и ходовым винтом 1 осевые зазоры замыкаются с двух сторон, до полного устранения мертвого хода. При этом наилучший контакт боковых поверхностей реализуется, когда профиль винтовой нарезки ходового винта, профили канавок кольцевой нарезки гайки 2 и роликов-сателлитов 3 одинаковы и имеют треугольную форму. С целью сохранения выполненной регулировки в процессе работы механизма в зазор между полугайками гайки 2 устанавливают распорное кольцо 8, обеспечивающее упругое взаимодействие между ними. Распорное кольцо 8 может быть выполнено, например, в виде пружины сжатия. Точность перемещения выходного звена в предлагаемом ролико-винтовом механизме с шагом резьбы 0,75 мм составляет 6 мкм при повороте винта на один градус.
[20]Таким образом, конструкция предлагаемого ролико-винтового механизма позволяет устранить суммарный зазор в осевом направлении в резьбовых зацеплениях роликов-сателлитов с винтом и гайкой, избавиться от «мертвого хода», что обеспечивает повышение чувствительности ролико-винтового механизма к управляющим воздействиям и, соответственно, повышение точности перемещения его выходного звена.
