Ako fungujú závitovkové prevody – mechanika v 5 krokoch
Prehliadka jednotlivých obrázkov toho, čo sa v skutočnosti deje na rozhraní zubov – fyzika, ktorá rozhoduje o tom, či váš disk beží chladne, ticho alebo sa mu do troch mesiacov minie bronz.
Mechanizmus je jednoduchý a pozostáva z piatich krokov: vstupný hriadeľ roztáča závitovku, špirálový závit závitovky tlačí bočne na zub závitovkového kolesa, kontakt sa skôr kĺže ako odvaľuje (toto je určujúci fyzikálny fakt), krútiaci moment sa násobí úmerne k redukčnému pomeru mínus straty trením a pri nízkych uhloch stúpania sa geometria samovoľne zablokuje, takže koleso nemôže poháňať závitovku dozadu. Všetko ostatné o páre závitovky a závitovkového kolesa – teplo, hluk, výber maziva, životnosť – pochádza z tohto päťkrokového cyklu.
Prečo statické diagramy nezobrazujú, čo sa skutočne deje
Väčšina vysvetlení mechaniky závitovkového prevodu sa opiera o rozložený výkres označený šípkami smerujúcimi na „vstup“ a „výstup“. Táto vizualizácia je správna, ale nepoužiteľná pre konštrukčné rozhodnutia. Šípky neukazujú štyridsať milisekúnd kontaktu medzi jedným zubom kolesa a závitom závitovky, ani spôsob, akým sa kontaktná plocha presúva z predného boku na zadný bok, ani prečo hrúbka mazacieho filmu tesne pod kontaktným bodom určuje, či máte 40 000-hodinový alebo 4 000-hodinový pohon.
V nasledujúcom texte si predstavte jeden zub na závitovkovom kolese – nazvite ho zub 17 40-zubového kolesa – a sledujte ho počas jedného celého záberového cyklu, keď sa závitovka otáča. Každá z piatich nižšie uvedených častí je samostatnou fázou v tomto cykle. Predstavte si tento obraz a zvyšok inžinierstva závitovkového prevodu – výber materiálu, mazanie, trieda presnosti, rozhodnutie o uhle stúpania – sa vám podarí takmer bez námahy.
Krok 1 – Vstupný krútiaci moment prichádza na závitovkový hriadeľ
Závitovkový hriadeľ otáča motor, ručná kľuka alebo predradené ozubené koleso. Vstupné otáčky priemyselných motorov sa zvyčajne pohybujú medzi 500 a 3 000 ot./min.; presné aplikácie so servopohonom môžu bežať pri nižších otáčkach; vysokorýchlostné zariadenia s priamym pohonom občas dosahujú otáčky 5 000 ot./min. Krútiaci moment prichádzajúci na hriadeľ je taký, aký motor dodáva – často len niekoľko newtonmetrov pri pohone s zlomkovým výkonom.
Dva fakty o vstupnom hriadeli sú dôležité pre všetko, čo nasleduje po prevode. Po prvé, samotný závitovka je presne brúsený špirálový závit, nie odvalcovaný zub ozubeného kolesa – drsnosť povrchu Ra pod 0,4 mikrometra je štandardnou praxou na kvalitnej jednotke, pretože každý mikrometer drsnosti zvyšuje trenie počas fázy klzného kontaktu. Po druhé, hriadeľ musí niesť značné axiálne axiálne zaťaženie (uvidíme prečo v kroku 3), čo znamená, že usporiadanie vstupného ložiska nie je jednoduché, iba radiálne, aké by ste použili na čelnom pohone.
Krok 2 – Závit sa zachytí o zub 17
Ako sa závitovka otáča, nábežná hrana jedného závitu špirály sa približuje k zubu 17 zboku. Záber začína v spodnej časti hrdla (konkávny povrch kolesa, ktorý obopína závitovku) a postupuje pozdĺž boku zuba smerom k špičke. Na závitovkovom kolese s jedným hrdlom a jedným chodom sú v každom okamihu v zábere tri až štyri zuby – zub 16 je na výstupe, zub 17 je v maximálnom kontakte, zub 18 práve vstupuje a zub 19 sa približuje.
Pri jednochodom závitovkovom prevode otáčajúcom sa rýchlosťou 1 500 ot./min. sa každý jednotlivý zub na 40-zubovom kolese dostane do záberu raz za otáčku závitovky – teda raz za 40 milisekúnd. Skutočná doba kontaktu je približne 12 až 15 milisekúnd na cyklus. Počas týchto 12 milisekúnd sa závit závitovky pohybuje po celom boku zuba od koreňa po špičku, nie ako krátky tangenciálny pohyb, aký sa vyskytuje u čelných ozubených kolies.
Ak má závitovka dva zábehy (2-závitová špirála), každá otáčka posunie koleso o dva zuby namiesto jedného. Zub 17 má stále rovnaké okno záberu 12 až 15 milisekúnd, ale cyklus sa opakuje dvakrát na jednu otáčku závitovky. Viaczávitovky existujú práve preto, aby sa vymenil pomer záberov za účelom efektívnosti – viac záberov znamená väčší uhol nábehu, menšiu posuvnú vzdialenosť na záber a menej tepla.
Krok 3 – Posuvný kontakt prenáša silu
Tu je fyzikálny fakt, ktorý definuje všetko ostatné o systéme závitovky a závitovkového kolesa. Zatiaľ čo závit závitovky dosadá na zub 17, kontakt je prevažne kĺzavý – špirálový závit závitovky sa laterálne ošúcha po boku zuba a prenáša silu tangenciálne. Takmer neexistuje žiadna valivá zložka. To sa zásadne líši od čelného alebo špirálového ozubeného kolesa, kde dominuje valivé valenie a kĺzanie je malý sekundárny pohyb v blízkosti rozstupovej čiary.
Ak sa ma zákazník opýta na jednu otázku a ja musím dať jednu odpoveď, ktorá ho ochráni pred 80 percentami poruchových režimov, s ktorými som sa stretol za dve desaťročia – je to „pamätajte, že kontakt je kĺzavý, nie valivý, a podľa toho si vyberte mazivo.“ Generický olej pre čelné ozubené kolesá zničí bronzové závitovkové koleso v priebehu niekoľkých týždňov. Mazivo si musí udržiavať hrúbku filmu, ktorú nedokáže zotrieť celý kĺzavý pohyb, čo je oveľa ťažší hydrodynamický problém ako krátkodobý valivý kontakt. Bezpečnou predvolenou hodnotou je olej ISO VG 460 alebo 680 s prísadami bezpečnými pre žlté kovy; pod teplotou olejovej vane 70 stupňov Celzia môžete zostať pri minerálnom oleji, nad touto teplotou prejdite na syntetický olej PAO alebo PAG.
Tri zložky sily pri každom kontakte
Počas klzného kontaktu pôsobia na zub kolesa tri zložky sily a na závit závitovky tri rovnako silné zložky. Ich pochopenie je základom výberu ložiska a návrhu hriadeľa.
Axiálna sila na závitovkovom hriadeli je to, čo zaskočí začínajúcich konštruktérov. Pri prevode 40:1, ktorý prenáša na koleso 50 N·m, môže axiálna sila na závitovkovom hriadeli ľahko prekročiť 800 N. Jednoduché usporiadanie guľôčkového ložiska s hlbokou drážkou, ktoré by bolo úplne postačujúce pre čelný pohon, sa na závitovkovej prevodovke rozpadne do roka. Štandardným riešením sú kuželíkové ložiská alebo dvojice s kosouhlým stykom za sebou.
Krok 4 – Krútiaci moment sa na výstupe kolesa vynásobí
Keď tangenciálna zložka sily dosiahne zub 17, premení sa na krútiaci moment na výstupnom hriadeli prostredníctvom páky polomeru kolesa. Aritmetika je jednoduchá: jednochodý závitovkový mechanizmus v zábere so 40-zubovým kolesom otočí koleso presne o 1/40 otáčky na jednu otáčku závitovkového mechanizmu. Vstupné otáčky sa vydelia 40, vstupný krútiaci moment sa vynásobí 40 – mínus straty trením.
Háčikom sú straty trením. Klzný kontakt rozptyľuje významnú časť vstupného výkonu ako teplo. Jednochodový pohon s uhlom predstihu 4 stupne a dobre zvoleným mazivom pracuje s účinnosťou približne 60 až 65 percent. Štvorchodový pohon s uhlom predstihu 16 stupňov to zvyšuje na 88 až 92 percent – ale za cenu štvornásobného zníženia pomeru na stupeň. Vzťah je geometrický; v jednej sade nemôžete mať maximálny pomer aj maximálnu účinnosť.
Vzorec pre účinnosť, s ktorým sa každý konštruktér nakoniec stretne, je η = tan(λ) / tan(λ + φ), kde λ je uhol nábehu závitovky a φ je uhol trenia kontaktu (zvyčajne 5 až 8 stupňov pre dobre mazanú oceľ na bronze, 10 až 15 stupňov pre slabé mazanie alebo núdzové podmienky chodu nasucho).
Dosadíme čísla a kompromis bude zrejmý. Pri λ = 4 stupne a φ = 6 stupňov je účinnosť približne 40 percent. Pri λ = 12 stupňoch, rovnakom uhle trenia, účinnosť stúpne na 67 percent. Pri λ = 25 stupňov účinnosť dosahuje 80 percent. Podrobnejší návod s praktickými príkladmi nájdete v našom sprievodnom článku o prevodovom pomere a výpočte závitovkového prevodu.
Krok 5 – Samoblokovanie drží polohu po zastavení vstupu
Závitovka dokončí svoju rotáciu, vstupný motor sa zastaví a zub 17 sa už netlačí. To, čo sa stane potom, je to, čo zásadne odlišuje závitovkové prevody od akejkoľvek inej skupiny prevodov: nič. Koleso sa nekotúľa späť, záťaž sa netlačí nadol, pohon jednoducho drží.
K samosvoreniu dochádza, keď je uhol nábehu závitovky menší ako približne 5 až 6 stupňov. Pri týchto malých uhloch statické trenie v mieste kontaktu zubov prevyšuje silu, ktorou môže zaťažené koleso pôsobiť späť na závitovku a tlačiť ju do strany. Pohon geometricky nie je schopný spätného pohonu z výstupnej strany. Táto vlastnosť umiestňuje páry závitovky a závitovkových kolies do výťahov, ovládačov ventilov, kladkostrojov, polohovačov antén a mechanizmov parkovacej brzdy – v každej aplikácii, kde by bol neúmyselný spätný pohon nebezpečný alebo drahý.
Niekoľko upozornení, ktoré stojí za to si zapamätať. Samosvorenie je geometrické, nie absolútne. Vibrácie môžu spôsobiť chvenie nákladu. Mazací film mení koeficient trenia – pohon, ktorý sa za studena samosvorí, sa môže za tepla pomaly pohybovať smerom nadol. Nad uhlom predstihu 12 stupňov (typické pre viacštartové pohony) samosvorenie úplne zmizne a koleso sa môže voľne otáčať dozadu. Nikdy nepoužívajte samosvorenie ako primárne bezpečnostné zariadenie pri aplikácii s padajúcim bremenom; špecifikujte samostatnú mechanickú brzdu a samosvorenie považujte za užitočné pomocné zariadenie.
Pracovaný príklad, ktorý môžete reprodukovať na obrúsku
Vezmime si typickú priemyselnú aplikáciu: elektrický reťazový kladkostroj zdvíhajúci bremeno s hmotnosťou 200 kg na bubne s polomerom 50 mm. Matematika prechádza piatimi vyššie uvedenými krokmi.
Motor s výkonom 0,75 kW pri vstupných otáčkach 1 400 ot./min. produkuje zdvíhací bubon s výstupom 35 ot./min. a krútiacim momentom 98 N·m, pričom bezpečne zdvihne bremeno s hmotnosťou 200 kg, zatiaľ čo samosvorná funkcia ho udrží vo vzduchu, keď obsluha uvoľní ovládač. Všimnite si, ako každé číslo v reťazci závisí od správneho odhadu účinnosti – a účinnosť závisí od uhla nábehu, ktorý závisí od zvoleného prevodového pomeru. Päťkrokový cyklus je prepojený; nemôžete ladiť jeden parameter bez ovplyvnenia ostatných.
V čom sa dizajnéri najčastejšie mýlia
Považovanie efektívnosti za konštantu. Uvedená 60-percentná účinnosť v katalógovom liste údajov je menovitá hodnota pri menovitom zaťažení a menovitých otáčkach. Ak ten istý pohon prevádzkujete pri desatinovom zaťažení, percento často klesne pod 40, pretože mazací film je hrubší, ako je potrebné, a trecí moment dominuje nad zníženým užitočným krútiacim momentom. Vždy používajte skutočný prevádzkový bod, nie menovitý výkon.
Dimenzovanie vstupného motora bez trenia v reťazi. Existuje pokušenie vziať výstupný krútiaci moment, vydeliť ho pomerom a nazvať ho krútiacim momentom motora. Táto matematika dáva nesprávnu odpoveď, pretože ignoruje trenie. Vždy započítajte deliteľ účinnosti: vstupný krútiaci moment = výstupný krútiaci moment ÷ (prevodový pomer × účinnosť).
Zabúdajúc na axiálne axiálne zaťaženie na vstupnom hriadeli. Usporiadanie iba s radiálnymi ložiskami je najčastejšou mechanickou poruchou pri dodatočných inštaláciách, kde niekto nahradil špirálový reduktor závitovkovou jednotkou a ponechal si pôvodné ložiská. Axiálna zložka spôsobí, že tieto ložiská budú predčasne vyradené z prevádzky.
Za predpokladu, že samosvorenie je trvalé. Samosvorné uzamknutie závisí od koeficientu trenia, ktorý sa mení v závislosti od teploty, stavu maziva a vibrácií. Pohon, ktorý sa po vyjdení z dielne samosvorne zablokuje, sa môže o rok neskôr pokaziť, keď olej zriedi teplom a zostarne používaním. Pre akékoľvek bezpečnostne kritické uzamknutie špecifikujte brzdu.
Používanie generického maziva. Olej do závitovkových prevodov je špeciálny produkt. Klzný kontakt vyžaduje hrubší film ako valivý kontakt a kompatibilita so žltým kovom je nevyhnutná, pretože väčšina závitovkových kolies je z bronzu. Prísady s aktívnou sírou a vysokým výkonom, ktoré sú bežne súčasťou diferenciálneho oleja, spôsobia koróziu bronzového boku nad 70 stupňov Celzia. Vždy používajte olej určený na túto prevádzku – a ak si nie ste istí, ktorá trieda vyhovuje vášmu pracovnému cyklu, požiadajte o prehľad špecifikácií mazania z inžinierskeho stola pred prvou olejovou náplňou.
Často kladené otázky
Otázka: Prečo závitovkový prevod potrebuje axiálne ložisko na vstupnom hriadeli?
Klzný kontakt medzi závitom závitovky a zubom kolesa generuje axiálnu zložku sily pozdĺž závitovkového hriadeľa. Na typickom priemyselnom pohone sa táto axiálna sila môže pohybovať od niekoľkých stoviek do niekoľkých tisíc Newtonov v závislosti od krútiaceho momentu a uhla stúpania. Jednoduché radiálne guľôčkové ložisko nemôže niesť toto zaťaženie dlho bez poruchy, preto sú na závitovkových hriadeľoch štandardnou praxou kužeľové valčeky alebo dvojice s kosouhlým stykom.
Otázka: Môže závitovkový prevod bežať nasucho, aj keď len krátko?
Nie však v žiadnom významnom zmysle. Klzný kontakt sa spolieha na súvislý mazací film, ktorý zabraňuje odieraniu kovu o kov. V priebehu niekoľkých sekúnd po chode nasucho sa uhol trenia zvýši z bežných 6 až 8 stupňov na 15 stupňov alebo viac, účinnosť pohonu klesá, bronzové koleso sa odiera a povrchová teplota prudko stúpa. Pohony, ktoré počas prevádzky strácajú olej, sú často neopraviteľné – zuby kolesa bude potrebné vymeniť, aj keď závitovkový hriadeľ prežije.
Otázka: Prečo je závitovka vždy hnacím a nikdy nie poháňaným prvkom?
V samosvorných usporiadaniach (uhol nábehu pod 5 až 6 stupňov) nemôže koleso poháňať závitovku, pretože statické trenie v kontakte prevyšuje silu spätného pohonu. V nesamosvorných usporiadaniach (viacchodbové, vyšší uhol nábehu) môže koleso poháňať závitovku – systém je však v tomto smere oveľa menej účinný, pretože trenie pôsobí proti pohybu dopredu aj dozadu. Závitovkové koleso je prirodzeným smerom energie geometrie.
Otázka: Koľko tepla v skutočnosti generuje závitovková prevodovka?
Záleží to výlučne od prevádzkového bodu. Pohon s výkonom 1 kW pri účinnosti 60 percent rozptýli 400 W ako teplo v olejovej vani. Na malom, utesnenom liatinovom kryte to stačí na zvýšenie teploty v olejovej vani o 30 až 50 stupňov Celzia nad teplotu okolia v ustálenom stave. Pre pohony s výkonom nad 5 kW s nepretržitou prevádzkou sa doplnkové chladenie (rebrá, ventilátor alebo chladič oleja) stáva skôr povinným ako voliteľným. Odvod tepla je často záväzným obmedzením pre nepretržitú prevádzku. závitovkový redukčný prevod dimenzovanie – nie krútiaci moment, nie životnosť ložiska, ale ako rýchlo dokáže puzdro odvádzať odpadové teplo do životného prostredia.
Otázka: Zmení sa prevodový pomer závitovky, ak zmením materiál závitovky?
Nie, pomer je čisto geometrický – počet zubov kolesa delený počtom zábehov závitovky. Materiál ovplyvňuje nosnosť, životnosť a účinnosť, ale nie kinematický vzťah medzi vstupnou a výstupnou rýchlosťou. Sada 40:1 zostáva 40:1 bez ohľadu na to, či je závitovka z kalenej legovanej ocele SCM415 alebo z nekalenej mäkkej ocele; iba bronzové koleso sa bude v oboch prípadoch opotrebovávať odlišne.
Otázka: Aký rozsah otáčok je primeraný pre vstup závitovkového hriadeľa?
Pre priemyselné pohony je pohodlný prevádzkový rozsah vstupných otáčok 500 až 3 000 ot./min. Pod 500 sa mazací film ťažko tvorí, pretože relatívna kĺzavá rýchlosť je príliš nízka na hydrodynamické efekty. Nad 3 000 ot./min. rýchlosť vývoja tepla prevyšuje to, čo dokáže typické utesnené puzdro rozptýliť, takže je potrebné zabezpečiť chladenie. Špeciálne vysokorýchlostné pohony môžu pracovať s nútenou cirkuláciou oleja na 5 000 alebo 6 000 ot./min, ale sú skôr výnimkou ako štandardom.
Otázka: Prečo sa závitovkové koleso pri otáčaní rukou cíti inak ako čelné ozubené koleso?
Pretože väčšina odporu, ktorý cítite, je klzné trenie, nielen zotrvačnosť. Čelné ozubené koleso sa po naštartovaní otáča relatívne voľne, pretože valivý kontakt má nízke trenie. Pár závitovky a závitovkového kolesa sa zdá byť ťažký a tlmený, takmer ako keby mal viskózny odpor, pretože každý stupeň otáčania zahŕňa prechod závitovky cez viacero povrchov zubov kolesa. Skúška ručným otáčaním je v skutočnosti užitočnou kontrolou prvého rádu, či je vaše mazivo vhodné – príliš husté a pohon sa zdá byť tuhý, príliš riedke a môžete počuť slabý mechanický kontakt cez puzdro.
Keď je päťkrokový obraz jasný, každé ďalšie inžinierske rozhodnutie týkajúce sa páru závitovky a závitovkového kolesa sa naň priamo vzťahuje. Výber materiálu sa týka toho, ktoré dva kovy prežijú fázu kĺzania. Mazanie sa týka udržiavania filmu živého počas kontaktného pohybu. Uhol stúpania je kompromisom medzi hĺbkou pomeru a stratou účinnosti. Samosvornosť nastáva, keď uhol trenia prekročí uhol stúpania. Odvod tepla obmedzuje frekvenciu spustenia cyklu.
Pre kórejské a japonské konštrukčné tímy výrobcov originálnych dielov (OEM), ktoré pracujú na svojej prvej špecifikácii závitovkového pohonu, môže naše technické oddelenie v Ansane posúdiť váš pracovný cyklus, odporučiť uhol nábehu a materiálový pár a poskytnúť cenovú ponuku na základe zodpovedajúcej požiadavky. jednochodé a viacchodé závitovkové prevodovky v našom štandardnom katalógu. Výkresy sú pred odoslaním cenovej ponuky skontrolované v rámci dohody o mlčanlivosti.
Zasekli ste sa na kompromise medzi uhlom nábehu a účinnosťou?
Pošlite nám svoj výstupný krútiaci moment, vstupné otáčky a informáciu o tom, či potrebujete samosvor. Naše technické oddelenie pre vás vykoná päťkrokový výpočet, odporučí prevodový pomer a uhol stúpania a nacení zodpovedajúci pár závitovky a kolesa – zvyčajne do jedného kórejského pracovného dňa.
Redaktor: Cxm
