Tri typy závitovkových prevodov – bez hrdla, s jedným hrdlom a s dvoma hrdlami
Porovnanie troch konfigurácií hrdla na základe geometrie, kompromis medzi nákladmi a kapacitou v každej z nich a prípady zneužitia, ktoré neustále pozorujeme v praxi.
Tri konfigurácie hrdla sa líšia v jednej veci – aká veľká plocha zaberá medzi závitovkou a kolesom počas kontaktu. Bez hrdla je bodový kontakt s jedným alebo dvoma zubami v zábere, najnižšia cena, len pre ľahké použitie. Jednoduché hrdlo je líniový kontakt s tromi až štyrmi zubami v zábere, priemyselný ťažný kôň pre 80 percent aplikácií. Dvojité hrdlo (tiež nazývané dvojito obalené) je povrchový kontakt so šiestimi až ôsmimi zubami v zábere, vysokovýkonná možnosť s dvojnásobnou až trojnásobnou nosnosťou, ale o 40 až 60 percent vyššou cenou a dlhšou dodacou lehotou. Vyberajte podľa zaťaženia a rozpočtu, nie podľa toho, čo vyzerá technicky pôsobivo na papieri.
Všetko sa zapína na jednej osi: kontaktná plocha
Prestaňte čítať akýkoľvek článok, ktorý porovnáva typy závitovkových prevodov uvedením vlastností vedľa seba. Tri konfigurácie hrdla nie sú nesúvisiace alternatívy – sú to tri body na jednej súvislej osi a táto os je geometrická kontaktná plocha medzi závitom závitovky a zubom kolesa. Každá ďalšia vlastnosť vyplýva z tejto jednej premennej.
Väčšia kontaktná plocha znamená, že viac zubov rozdeľuje zaťaženie v každom okamihu, čo znamená, že každý zub je vystavený menšiemu namáhaniu, čo znamená vyššiu nosnosť, dlhšiu životnosť, menšie opotrebenie na cyklus a nižšiu hlučnosť. Znamená to tiež prísnejšie geometrické tolerancie, zložitejšie nástroje, dlhší čas obrábania, drahšie odvaľovacie frézy a výrazne dlhšie dodacie lehoty. Z tohto kompromisu niet úniku – geometria obklopenia hrdla ho priamo vynucuje. Keď jasne uvidíte os kontaktnej plochy, výber správneho typu sa stáva rozhodnutím o jednej otázke, a nie len porovnávaním vlastností.
Obrázok oproti zobrazuje valcový závitovkový mechanizmus zaberajúci s kolesom s hrdlom – najbežnejšou konfiguráciou s jedným hrdlom. Všimnite si, ako zuby kolesa obopínajú telo závitovky. Tento obal je hrdlo. Odstráňte obal (rovno rezané zuby kolesa) a získate typ bez hrdla. Pridajte zodpovedajúci obal k samotnému závitovkovému mechanizmu (tvar presýpacích hodín) a získate dvojité hrdlo.
Z hľadiska výroby rastú náklady rýchlejšie ako prínos kapacity. Prechod z bezhrdzavejúceho na jednoducho zavádzací systém zhruba zdvojnásobí nosnosť a zvýši jednotkové náklady o 10 až 15 percent. Prechod z jednoducho zavádzacieho systému na dvojitý systém opäť zdvojnásobí kapacitu, ale zvýši jednotkové náklady o 40 až 60 percent a štandardnú dodaciu lehotu o 10 až 14 dní. Táto krivka nákladov a kapacity je ekonomickým dôvodom, prečo jednoducho zavádzací systém dominuje v priemyselných pohonoch.
Bez hrdla — najjednoduchšia geometria
Závitovkový prevodový pár bez hrdla je najjednoduchší možný pravouhlý pohon. Závitovka je hladký valcový hriadeľ s jedným alebo viacerými špirálovými závitmi. Koleso je plochý disk so špirálovými zubami, ktoré zodpovedajú uhlu stúpania závitovky. Žiadna z komponentov sa neotáča okolo druhej. Kontakt medzi nimi je v podstate jeden bod v momente záberu, teoreticky sa pri zaťažení rozširuje do veľmi krátkej čiary, keď sa bronzové koleso mierne deformuje.
Celé zaťaženie v každom okamihu nesú jeden alebo dva zuby. Koncentrácia napätia na týchto zuboch je vysoká. Opotrebenie za prevádzkovú hodinu je dva až trikrát vyššie ako u jednohrdlovej sady pri rovnakom krútiacom momente. Intervaly výmeny sú krátke – koleso bez hriadeľa pri nepretržitom zaťažení môže vyžadovať výmenu každých 6 000 až 12 000 hodín namiesto 25 000 až 40 000 hodín, ako sa očakáva od správne dimenzovanej jednohrdlej sady.
Kompenzačné výhody sú však reálne. Nástroje sú z týchto troch typov najjednoduchšie – štandardná odvaľovacia fréza s čelnými zubami vyreže koleso. Náhradné diely sa rýchlo vyrábajú a sú lacné na sklade. Dodacia lehota pre zákazkovú sadu bez hrdla je často polovičná v porovnaní s jednou sadou. Pre ľahké pohony, kde je zaťaženie výrazne pod menovitou kapacitou a je prijateľný krátky interval výmeny, je nákladová argumentácia pre geometriu bez hrdla skutočne silná.
Kde sa bez hrdla prirodzene hodí
Pohony na indexovanie kancelárskych zariadení, polohovače nástrojov, mechanizmy pre hobby a vzdelávanie, nízkoobjemová prototypová výroba, kde je čas nastavenia dôležitejší ako životnosť, a krátkodobé pomocné zariadenia s nízkym zaťažením. Spoločným znakom týchto aplikácií je, že pohon pracuje prerušovane, zaťaženie je dobre definované a mierne a obsluha buď očakáva, že bude jednotku pravidelne vymieňať, alebo jednoducho nepotrebuje 40 000 hodín prevádzky.
Prípad zneužitia, s ktorým sa stretávame najčastejšie
Výrobca malých strojov si vyberá geometriu bez hrdla, pretože jednotková cena je o 20 percent nižšia ako u ekvivalentnej sady s jedným hrdlom. Prvý prototyp funguje perfektne, pretože konštrukcia beží na približne 30 percentách menovitého zaťaženia. Po troch mesiacoch výroby začínajú prichádzať hlásenia od zákazníkov: pohony sa opotrebúvajú po 4 000 hodinách namiesto 20 000 hodín predpokladaných v záruke. Výrobca strojov teraz míňa na záručné výmeny viac, ako bola pôvodná úspora nákladov. Tento scenár vidíme každý štvrťrok a vždy by správna odpoveď bola od začiatku s jedným hrdlom.
Jednohrdlové – ťažný kôň priemyselných pohonov
Jednohrdlová geometria udržiava závitovku valcovitú, ale zuby kolesa sú zaoblené v konkávnom profile, ktorý čiastočne obopína telo závitovky. Zuby kolesa už nemajú ploché plochy – sú zakrivené tak, aby sledovali obvod závitovky. V každom okamihu sú v zábere tri až štyri zuby a kontakt medzi závitom závitovky a zubom kolesa je skôr krátka čiara ako bod.
Rozdiel robí hrdlo. Rozložením zaťaženia na viacero zubov súčasne sa maximálne namáhanie na ktorýkoľvek zub zníži približne o 60 percent v porovnaní s geometriou bez hrdla. Miera opotrebenia povrchu zodpovedajúcim spôsobom klesá. Životnosť sa zvyšuje zo 6 000 na 12 000 hodín pri ľahkom zaťažení na 25 000 až 40 000 hodín pri správne dimenzovanom nepretržitom zaťažení. Akustický hluk sa citeľne znižuje, pretože záber viacerých zubov vyhladzuje impulzy zaťaženia, ktorým by inak každý zub čelil individuálne.
Počas dvoch desaťročí, počas ktorých dodávame závitovky a súpravy závitovkových kolies z Ansanu, dodávame jednohrdlové prevodovky približne pre štyri z piatich objednávok. Je to odpoveď, keď zákazník nemá silný dôvod špecifikovať niečo iné. Priemyselné dopravníky, pohony osi C obrábacích strojov, prevodovky zdvíhacích zariadení, deliace zariadenia baliacich liniek, pohony automobilových sedadiel – všetky pracujú na jednohrdlovej geometrii, pretože pomer nákladov a kapacity je bezkonkurenčný. Ak si nie ste istí, aký typ potrebujete a zaťaženie sa pohybuje niekde v bežnom priemyselnom rozsahu, jednohrdlové prevodovky sú bezpečnou predvolenou voľbou.
Výrobná realita jednohrdlového systému
Hrdlo sa vyrezáva na odvaľovacej fréze na ozubenie pomocou odvaľovacej frézy, ktorej profil zodpovedá geometrii závitu závitovky. To znamená, že odvaľovacia fréza nie je generický nástroj s ostrými zubami – každá kombinácia modulu závitovkového kolesa a uhla nábehu vyžaduje vlastnú odvaľovaciu frézu. Štandardné katalógové moduly (M1, M1,5, M2, M2,5, M3, M4, M5, M6, M8) už majú odvaľovacie frézy vo výrobnej hale, takže dodacia lehota je krátka. Neštandardné moduly vyžadujú novú odvaľovaciu frézu, čo predlžuje dodávku o 7 až 14 dní a zvyšuje poplatok za nástroje, ktorý sa amortizuje podľa objednaného množstva.
Z hľadiska konečnej úpravy môžu byť zuby kolesa iba odvalované (presnosť DIN 7 alebo DIN 8, jemná pre všeobecné priemyselné použitie) alebo odvalované a hoblinované (presnosť DIN 6, vhodná pre aplikácie so strednou presnosťou). Pre presnosť DIN 5 požadovanú presnými otočnými stolmi je potrebné koleso po tepelnom spracovaní brúsiť – práve tu sa stávajú jednohrdlové súpravy pre obrábacie stroje drahými, ale geometrická schopnosť je stále jednohrdlová, len presnosť je menšia.
Dvojité hrdlo – geometria pre vysoké zaťaženie
V dvojhrdlovej súprave majú obe komponenty hrdlo. Samotný závitovka má tvar presýpacích hodín – priemer sa zužuje v strede tela závitovky a rozširuje sa smerom k obom koncom, čo umožňuje zubom kolesa obopínať obrys závitovky. Zuby kolesa majú stále hrdlo ako v prípade jednohrdlovej súpravy, ale závitovka sa teraz obopína tak, aby sa k nim priblížila, a nie ako plochý valcový povrch.
Súčasne je v zábere šesť až osem zubov. Kontakt medzi záberovými plochami už nie je bodový ani čiarový – je to zakrivená kontaktná plocha, ktorá sleduje konjugovanú geometriu dvoch obalových plôch. Nosnosť na jednotku veľkosti obalu je dva až trikrát vyššia ako u ekvivalentnej sady s jedným hrdlom. Toto je geometria voľby pre najťažšie pohony, kde je hustota krútiaceho momentu záväzným obmedzením.
Pokuta za náklady je reálna
Výroba dvojhrdlového (tiež nazývaného dvojobalový alebo globoidný) závitovkového nástroja vyžaduje buď špecializovanú brúsku na závity v tvare presýpacích hodín, alebo frézovací prípravok na mieru, ktorý sleduje konjugovaný obal. Odvaľovacia fréza pre zodpovedajúce zuby kolesa je neštandardná pre každú kombináciu prevodových pomerov – nemožno ju opätovne použiť pri rôznych redukčných pomeroch, pretože tvar konjugovaného obalu sa mení. V dôsledku toho sa dvojhrdlový závitový nástroj zvyčajne nakláňa o 40 až 60 percent viac ako jednohrdlový závitový nástroj ekvivalentnej veľkosti a dodacia lehota je o 10 až 14 dní dlhšia pre prvé výrobky, na ktoré je potrebné vyrobiť nástroje.
Keď už existujú nástroje pre daný modul a pomer, opakované objednávky sa spúšťajú v štandardnom dodacom čase. Takže pri programe kontinuálnej výroby s vysokým objemom sa cena za jednotku pri dvojkrídlovej geometrii výrazne znižuje – zákazník amortizuje náklady na nástroje pri tisíckach kusov. Pri jednorazových zákazkových objednávkach zostáva cena stále bolestivá.
Keď je dvojité hrdlo skutočne tou správnou odpoveďou
Pohony ťažkých zdvíhacích zariadení na zdvíhanie bremien nad 5 ton. Dopravníky banských kalových hmôt pracujúce 24 hodín denne. Pomocné pohony valcovní. Veže a stabilizátory ťažkej vojenskej techniky. Námorné navijaky na pobrežných plošinách. Pohony riadiacich plôch pre letecký priemysel, kde je veľkosť obálky obmedzená, ale krútiaci moment je vysoký. Spoločným prvkom je, že aplikácia je ochotná zaplatiť prémiu za jednotkovú cenu, pretože alternatíva – prechod na väčší jednohrdlý prevod alebo viacstupňový špirálový reduktor – by stála viac alebo by jednoducho nezodpovedala dostupnému rozsahu.
Porovnanie vedľa seba
Nižšie uvedené čísla sú typické hodnoty, ktoré naše technické oddelenie používa pri cenovej ponuke pre tieto tri typy. Údaje o nákladoch a dodacích lehotách sú relatívne k najlacnejšej možnosti (bez hrdla na module M3, pomer 30:1, čo je najbližšie k základnej hodnote v odvetví) a odrážajú skutočnú výrobnú realitu v našom závode v Ansane. Iné prevádzky môžu vykazovať mierne odlišné pomery, ale tento trend je v celom odvetví konzistentný.
Jednoduchý rozhodovací strom
Špecifikujte pár závitovky a závitovkového kolesa tak, ako to robí skúsený inžinier – vyriešením troch otázok v poradí, namiesto toho, aby ste začali s katalógom.
Otázka 1: Je tento priemyselný pohon nesúci zmysluplné trvalé zaťaženie?
Ak nie – malá prerušovaná prevádzka, prototyp, indexátor prístrojov – bez hrdla je na stole a pravdepodobne je to správna nákladová voľba. Ak áno, bez hrdla vylúčte a pokračujte otázkou 2.
Otázka 2: Je pracovný cyklus dostatočne náročný na to, aby odôvodnil 50-percentnú prirážku za náklady?
Ak pohon beží 24 hodín denne pri vysokom zaťažení, unesie ťažké závažia alebo sa nachádza v obmedzenom priestore, kde nie je možné prejsť na väčšiu jednotku s jedným hrdlom, dvojité hrdlo si zaslúži svoje miesto. V opačnom prípade zostaňte pri jednom hrdle.
Otázka 3: Akú triedu presnosti potrebujete?
Bez ohľadu na to, aký typ hrdla si vyberiete, trieda presnosti (DIN 5 / 6 / 7) je samostatným rozhodnutím. DIN 5 vyžaduje brúsené zuby, DIN 6 vyžaduje hobľované zuby, DIN 7 je vhodná len odvaľovacia fréza pre všeobecné pohony. Pohony s triedou presnosti predstavujú 15 až 25 percent jednotkovej ceny v závislosti od skoku.
Tri skutočné prípady zneužitia, z ktorých sa oplatí poučiť
Prípad 1 – Dvojité hrdlo, kde by stačilo jedno hrdlo
Kórejský výrobca OEM pre automatizáciu špecifikoval geometriu s dvojitým hrdlom pre deliaci stroj baliacej linky, pretože predajca dodávateľa ju opísal ako „najvýkonnejšiu možnosť“. Ročný objem výroby bol 2 400 kusov. Pohon bežal prerušovane, približne s 30-percentným pracovným cyklom, čo je v rámci kapacity s jedným hrdlom. Čistý výsledok: zákazník zaplatil ďalších 28 000 USD ročne na jednotkovej nákladovej prémii, akceptoval dlhšie dodacie lehoty počas nábehu a nezískal žiadny benefit z hľadiska výkonu, pretože sa ani zďaleka nepribližoval stropu kapacity s jedným hrdlom. Ponaučenie: nešpecifikujte kapacitu, ktorú nebudete používať.
Prípad 2 – Používanie bez hrdla nepretržite namiesto prerušovane
Malý výrobca obrábacích strojov kúpil sady bez hrdla pre lacný rotačný deliaci stroj, pretože jednotková cena bola atraktívna. Pracovný cyklus v teréne sa ukázal byť takmer nepretržitý – deliaci stroj bežal v niektorých zákazníckych dielňach 18 hodín denne. Opotrebovanie kolies sa stalo viditeľným po 3 000 hodinách. K poruche došlo po 5 000 hodinách. Hromadili sa reklamácie. Zákazník nakoniec prešiel na geometriu s jedným hrdlom, akceptoval vyššie jednotkové náklady a miera reklamácií klesla takmer na nulu. Ponaučenie: predpovedať skutočný pracovný cyklus pred špecifikovaním najlacnejšieho typu.
Prípad 3 – Jednohrdlový pracovník požiadaný o prácu s dvojitým hrdlom
Výrobca OEM pre ťažký kladkostroj zväčšil existujúcu konštrukciu 3-tonového kladkostroja na 6-tonový zväčšením závitovkového kolesa a zachovaním geometrie s jedným hrdlom. Pôvodný pohon fungoval dobre. Zmenšená verzia vykazovala jamky na boku kolesa už v priebehu prvých 2 000 hodín prevádzky. Geometria bola na hranici kapacity s jedným hrdlom, dynamické rázové zaťaženie ju pretlačilo. Správna odpoveď by bola od začiatku dvojité hrdlo – cenová prirážka by predstavovala zhruba 18 percent z celkových nákladov na pohon, ale úplne by eliminovala riziko záruky. Ponaučenie: pri zväčšovaní existujúcej konštrukcie typ hrdla, ktorý fungoval pri menšej veľkosti, nemusí fungovať pri väčšej veľkosti.
Často kladené otázky
Otázka: Je dvojité hrdlo to isté ako dvojité obalenie?
Áno, tieto dva pojmy opisujú rovnakú geometriu. „Dvojité hrdlo“ zdôrazňuje, že závitovka aj koleso majú hrdlo; „dvojitý obal“ zdôrazňuje, že každá zložka obaluje druhú. Niektoré katalógy používajú aj „globoidný“ – opäť rovnaká geometria. Všetky tri pojmy sú v praxi zameniteľné.
Otázka: Môžem dodatočne namontovať dvojité hrdlo do puzdra určeného pre jednoduché hrdlo?
Takmer nikdy nie. Tvar závitovky v tvare presýpacích hodín vyžaduje väčší axiálny priestor ako valcová závitovka s rovnakým prevodovým pomerom a uloženia ložísk na koncoch hriadeľa závitovky sa zvyčajne musia prepracovať pre upravený profil hriadeľa. Osová vzdialenosť sa tiež môže mierne zmeniť. Typ hrdla berte ako rozhodnutie v štádiu návrhu, nie ako možnosť dodatočnej montáže. Ak plánujete modernizovať jednohrdlové zariadenie, aby zvládlo vyššie zaťaženie, praktickými cestami sú buď väčšia jednohrdlová súprava v prepracovanom telese, alebo úplný prechod na iný prevodový pomer.
Otázka: Ovplyvňuje typ hrdla správanie sa samosvorného mechanizmu?
Samosvornosť je určená uhlom nábehu, nie typom hrdla. Dvojhrdlová jednotka so 4-stupňovým uhlom nábehu sa samosvorí rovnako ako jednohrdlová jednotka s rovnakým uhlom nábehu. Typ hrdla ovplyvňuje nosnosť a kontaktnú plochu; uhol nábehu určuje, či koleso môže poháňať závitovku dozadu. Tieto dva konštrukčné parametre sú nezávislé.
Otázka: Prečo sa vôbec predávajú závitovkové prevody bez hrdla, ak sa opotrebúvajú rýchlejšie?
Pretože pri skutočne ľahkých prerušovaných aplikáciách nižšie náklady na jednotku a kratšia dodacia lehota prevažujú nad kratšou životnosťou. Jednotka bez hrdla, ktorá pracuje na 20 percentách menovitého výkonu 4 hodiny denne, vydrží pred výmenou 8 až 10 rokov – čo je úplne postačujúce pre ladiaci kolík gitary, mechanizmus podávania tlačiarne alebo lacný otvárač záhradnej brány. Pokus o použitie geometrie bez hrdla na nepretržitú priemyselnú prevádzku je zneužitie, nie samotná geometria.
Otázka: Ako zistím, aký typ mám na existujúcom disku?
Najprv sa pozrite na tvar závitovky. Ak je telo závitovky po celej dĺžke rovnomerný valec – je s jedným hrdlom alebo bez neho. Ak má telo závitovky tvar presýpacích hodín, úzke v strede a širšie na koncoch – je s dvoma hrdlami. Potom sa pozrite na zuby kolesa: ak sú plocho zrezané naprieč čelnou plochou kolesa – je bez hrdla. Ak sú konkávne pozdĺž tela závitovky – je s jedným hrdlom (s valcovým závitovkom) alebo s dvoma hrdlami (s presýpacími hodinami). Vizuálna identifikácia za tri sekundy.
Otázka: Ovplyvňuje typ hrdla účinnosť?
Mierne áno – ale nie tak veľmi ako uhol stúpania. Účinnosť jednostranných závitoviek je pri rovnakom uhle stúpania zvyčajne o 1 až 3 percentuálne body vyššia ako pri závitovkách bez závitoviek, pretože rozloženie zaťaženia na viacero zubov znižuje špecifický kontaktný tlak, a teda aj trenie. Účinnosť dvojstranných závitoviek je podobná ako pri jednostranných závitovkách alebo o niečo vyššia pri vysokom zaťažení, ale rozdiel je zvyčajne v rámci šumu merania. Ak optimalizujete účinnosť, zmeňte uhol stúpania (použite viacchodové závitovky), nie typ závitovky. Pre úplnú... závitovkový redukčný prevod V zabalenom telese straty v ložiskách a tesneniach často dominujú celkovému obrazu účinnosti viac ako geometria hrdla.
Otázka: A čo spätná väzba – je jeden typ hrdla pevnejší ako iný?
Vôľa závisí predovšetkým od tolerancie hrúbky zuba a presnosti stredovej vzdialenosti, nie od typu hrdla. Dvojitá geometria hrdla však zvyčajne poskytuje o niečo menšiu inherentnú vôľu, pretože väčšia kontaktná plocha zmenšuje medzeru, ktorú má každý jednotlivý zub na hranici záberu. Pre presné aplikácie s nulovou vôľou (CNC os C, optické držiaky) je správnou odpoveďou duplexný závitovkový systém – jednohrdlová súprava s axiálne sa posúvajúcou závitovkou na mechanické vyrovnávanie vôle – namiesto dvojitého hrdla.
Keď už máte odpoveď na tri vyššie uvedené otázky, rozhodnutie o type hrdla je v podstate prijaté. Väčšina priemyselných zákazníkov, s ktorými spolupracujeme, sa prikláňa k geometrii s jedným hrdlom; štvrtina skončí s dvojitým hrdlom pre náročné aplikácie; malá časť si vyberá bezhrdlové z nákladových dôvodov pre ľahké prerušované pohony. Úprimný názor je: vyberte si najlacnejší typ, ktorý skutočne spĺňa váš pracovný cyklus, a vyhnite sa pokušeniu špecifikovať kapacitu, ktorú nebudete používať.
Ak máte k dispozícii výkres a nie ste si istí, ktorý typ hrdla vyhovuje danému pracovnému cyklu, pošlite ho nášmu technickému oddeleniu. odporúčaný typ závitovkového prevoduVykonáme výpočet zaťaženia a životnosti pre tri možnosti a povieme vám, ktorá z nich zodpovedá vašej aplikácii – vrátane prípadov, keď je správnou odpoveďou lacnejšia geometria namiesto sofistikovanejšej. Štandardný katalógový sortiment s jedným a dvoma hrdlami je skladom pre najbežnejšie priemyselné moduly; sady bez hrdla sa vyrábajú na objednávku. Kompletný jednohrdlové a dvojhrdlové závitovkové prevody z bronzu a legovanej ocele sú zdokumentované s tabuľkami parametrov a cenovými úrovňami na stránke katalógu.
Nie ste si istí, ktorý typ hrdla je vhodný pre vašu aplikáciu?
Pošlite nám svoj výstupný krútiaci moment, pracovný cyklus a požadovanú životnosť. Vykonáme trojhrdlové porovnanie s vašimi konkrétnymi údajmi a odporučíme geometriu, ktorá vykonáva prácu s najnižšími nákladmi.
Redaktor: Cxm
