RU205598U1

RU205598U1 - Backlash-free planetary roller screw

Info

Publication number: RU205598U1
Application number: RU2021106903U
Authority: RU
Inventors: Офеля Али кызы Носова; Александр Сергеевич Носов; Олег Аликович Хапаев
Original assignee: Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева"
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Предлагаемая к защите полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в качестве высокоточной механической передачи для преобразования вращательного движения в поступательное при односторонне действующей нагрузке, например, в прессах, домкратах, грузоподъемных устройствах.Задача, на решение которой направлена предлагаемая к защите полезная модель, заключается в повышении нагрузочной способности и осевой жесткости беззазорного планетарного роликовинтового механизма при наличии рабочей нагрузки, действующей в одну сторону.Это достигается тем, что в беззазорном планетарном роликовинтовом механизме, содержащем винт, соединенные между собой две корпусные детали с установленными в них двумя гайками, между которыми размещен компенсатор, закрепленные с зазором в отверстиях сепараторов резьбовые ролики, резьбовая поверхность которых ответна резьбовой поверхности винта и двух гаек, разрезные кольца, размещенные между сепараторами, два уплотнения и шпонку, соединяющую корпусные детали и гайки, при этом одна корпусная деталь имеет базовые элементы для связи с исполнительным механизмом, а винт и две гайки имеют многозаходную резьбу с равным числом заходов, длина резьбовой части гайки, расположенной в корпусной детали с базовыми элементами, больше длины резьбовой части другой гайки в 3,5…4 раза.Техническим результатом является реализация применения беззазорного планетарного роликовинтового механизма для работы устройств, осевая сила которых имеет однонаправленный характер действия, при повышении при этом его нагрузочной способности и осевой жесткости.The utility model proposed for protection relates to mechanical engineering and can be used as a high-precision mechanical transmission for converting rotary motion into translational motion with a unilaterally acting load, for example, in presses, jacks, lifting devices. consists in increasing the load capacity and axial rigidity of the backlash-free planetary roller screw in the presence of a working load acting in one direction.This is achieved by the fact that in the backlash-free planetary roller screw, which contains a screw, two body parts are interconnected with two nuts installed in them, between with which the compensator is located, threaded rollers fixed with a gap in the holes of the separators, the threaded surface of which corresponds to the threaded surface of the screw and two nuts, split rings located between the separators, two seals and a key connecting the housing parts and nuts, while one body part has basic elements for communication with the actuator, and the screw and two nuts have a multi-start thread with an equal number of starts, the length of the threaded part of the nut located in the body part with the base elements is greater than the length of the threaded part of the other nuts by 3.5 ... 4 times. The technical result is the implementation of the use of a backlash-free planetary roller screw mechanism for the operation of devices, the axial force of which has a unidirectional nature of action, while increasing its load capacity and axial rigidity.

Description

Предлагаемая к защите полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в качестве высокоточной механической передачи для преобразования вращательного движения в поступательное при односторонне действующей нагрузке, например, в прессах, домкратах, грузоподъемных устройствах.The utility model proposed for protection relates to mechanical engineering and can be used as a high-precision mechanical transmission for converting rotary motion into translational motion with a unilaterally acting load, for example, in presses, jacks, lifting devices.

Из научно-технической литературы известен планетарный роликовинтовой механизм, состоящий из винта, гайки и, установленных между ними, резьбовых роликов. Ролики, имеющие, как правило, однозаходную резьбу, своими торцовыми шейками установлены с зазором в сепараторах. Чтобы исключить самопроизвольное вывинчивание роликов, они дополнительно связаны по торцам с гайкой зубчатыми зацеплениями. Витки роликов находятся в резьбовых зацеплениях с витками винта и гайки. При этом на винте выполняют наружную многозаходную резьбу, а на гайке - внутреннюю многозаходную резьбу (Решетов Д.Н. «Детали машин», учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов, 4-е издание, Москва, Машиностроение, 1989 год, стр. 314).From scientific and technical literature, a planetary roller screw mechanism is known, consisting of a screw, a nut and threaded rollers installed between them. The rollers, which, as a rule, have a single-start thread, with their end journals are installed with a gap in the separators. To exclude spontaneous unscrewing of the rollers, they are additionally connected at the ends with the nut by gears. The turns of the rollers are in thread engagement with the turns of the screw and nut. At the same time, an external multi-start thread is performed on the screw, and an internal multi-start thread is performed on the nut (Reshetov D.N. "Machine parts", a textbook for students of mechanical engineering and mechanical specialties of universities, 4th edition, Moscow, Mechanical Engineering, 1989, p. 314).

Основным недостатком данного планетарного роликовинтового механизма является его низкая точность и жесткость из-за осевых зазоров между сопрягаемыми витками винта и роликов и между сопрягаемыми витками роликов и гайки. Поэтому в ряде изделий использовать данный планетарный роликовинтовой механизм нельзя.The main disadvantage of this planetary roller screw is its low accuracy and rigidity due to the axial clearances between the mating turns of the screw and rollers and between the mating turns of the rollers and the nut. Therefore, this planetary roller screw cannot be used in a number of products.

Указанный недостаток частично устраняет выбранный в качестве наиболее близкого к предлагаемому техническому решению беззазорный планетарный роликовинтовой механизм, состоящий из винта, установленных в двух сепараторах, резьбовых роликов, сборной гайки, двух корпусных деталей, которые сжимают гайку с помощью болтов и гаек. Сборная гайка содержит две полугайки и установленный между ними компенсатор, выполненный для удобства регулировки, в виде двух полуколец. Ролики дополнительно связаны по своим торцам с полугайкой зубчатыми зацеплениями. При этом витки каждого ролика по одной образующей зацепляются за витки винта, а по противоположной образующей - за витки полугаек. Резьба винта и полугаек многозаходная с равным числом заходов (Блинов Д.С.Планетарные роликовинтовые механизмы. Конструкции, методы расчетов. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 год, стр. 33-34, рис. 1.14 и стр. 41-43, рис. 2.1).This drawback partially eliminates the gap-free planetary roller screw mechanism selected as the closest to the proposed technical solution, consisting of a screw installed in two separators, threaded rollers, an assembly nut, two body parts that compress the nut using bolts and nuts. The assembled nut contains two half-nuts and a compensator installed between them, made for ease of adjustment, in the form of two half-rings. The rollers are additionally connected at their ends with a half-nut toothed gears. In this case, the turns of each roller, along one generatrix, are hooked onto the turns of the screw, and along the opposite generatrix - into the turns of the half nuts. The thread of the screw and half-nuts is multi-start with an equal number of starts (Blinov D.S. Planetary roller screw mechanisms. Designs, calculation methods. Moscow, Bauman Moscow State Technical University, 2006, pp. 33-34, Fig. 1.14 and p. 41-43, Fig.2.1).

Недостаток наиболее близкого аналога заключается в том, что осевую силу одного направления воспринимает только одна полугайка, а это значит, что количество работающих витков резьбы полугаек по сравнению с первым аналогом уменьшается в два раза. Во столько же раз уменьшается и нагрузочная способность (статическая и динамическая грузоподъемность) беззазорного планетарного роликовинтового механизма.The disadvantage of the closest analogue is that only one half-nut perceives the axial force of one direction, which means that the number of working threads of the half-nuts is halved in comparison with the first analogue. The load capacity (static and dynamic load capacity) of the backlash-free planetary roller screw decreases by the same factor.

Кроме того, указанный механизм - реверсивный, имеющий полугайки одинаковой длины, что определяет нагрузочную способность в обе стороны. Однако имеется много устройств, для работы которых нужна осевая сила, направленная только в одну сторону. Для них роликовинтовой механизм, преобразующий вращательное движение в поступательное, может быть нереверсивным. Из-за того, что таких механизмов нет, приходится использовать известные беззазорные механизмы с невысокой нагрузочной способностью, проигрывая в габаритах, массе, ресурсе и т.д.In addition, the specified mechanism is reversible, having half-nuts of the same length, which determines the load capacity in both directions. However, there are many devices that require axial force in one direction only. For them, the roller-screw mechanism that converts rotary motion into translational motion can be non-reversible. Due to the fact that there are no such mechanisms, it is necessary to use well-known clearance-free mechanisms with a low load capacity, losing in size, weight, resource, etc.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая к защите полезная модель, заключается в повышении нагрузочной способности и осевой жесткости беззазорного планетарного роликовинтового механизма при наличии рабочей нагрузки, действующей в одну сторону.The problem to be solved by the utility model proposed for protection is to increase the load capacity and axial stiffness of the backlash-free planetary roller screw in the presence of a working load acting in one direction.

Техническим результатом является реализация применения беззазорного планетарного роликовинтового механизма для работы устройств, осевая сила которых имеет однонаправленный характер действия, при повышении при этом его нагрузочной способности и осевой жесткости.The technical result is the implementation of the use of a backlash-free planetary roller screw mechanism for the operation of devices, the axial force of which has a unidirectional nature of action, while increasing its load capacity and axial rigidity.

Технический результат достигается тем, что в беззазорном планетарном роликовинтовом механизме, содержащем винт, соединенные между собой две корпусные детали с установленными в них двумя гайками, между которыми размещен компенсатор, закрепленные с зазором в отверстиях сепараторов резьбовые ролики, резьбовая поверхность которых ответна резьбовой поверхности винта и двух гаек, разрезные кольца, размещенные между сепараторами, два уплотнения и шпонку, соединяющую корпусные детали и гайки, при этом одна корпусная деталь имеет базовые элементы для связи с исполнительным механизмом, а винт и две гайки имеют многозаходную резьбу с равным числом заходов, длина резьбовой части гайки, расположенной в корпусной детали с базовыми элементами, больше длины резьбовой части другой гайки в 3,5…4 раза.The technical result is achieved by the fact that in a backlash-free planetary roller screw mechanism containing a screw, two body parts are interconnected with two nuts installed in them, between which an expansion joint is placed, threaded rollers fixed with a gap in the holes of the separators, the threaded surface of which is the same as the threaded surface of the screw and two nuts, split rings located between the separators, two seals and a key connecting the body parts and nuts, while one body part has basic elements for communication with the actuator, and the screw and two nuts have a multi-start thread with an equal number of starts, the length is threaded the part of the nut located in the body part with the base elements is 3.5 ... 4 times greater than the length of the threaded part of the other nut.

Указанное соотношение длин гаек, а именно длина резьбовой части гайки, расположенной в корпусной детали с базовыми элементами, больше длины резьбовой части другой гайки в 3,5... 4 раза, получено в процессе экспериментальной отработки получения усилия, достаточного для выборки зазора в планетарном роликовинтовом механизме, получения его максимальной осевой жесткости и нагрузочной способности.The specified ratio of the lengths of the nuts, namely the length of the threaded part of the nut located in the body part with the base elements, is 3.5 ... roller screw mechanism, obtaining its maximum axial rigidity and load capacity.

На фиг.1 представлен вид сбоку беззазорного планетарного роликовинтового механизма, фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1, фиг. 3 - разрез Б-Б фиг. 1, фиг. 4 - разрез В-В фиг. 1, фиг. 5 - вид Г фиг. 1, фиг. 6 - разрез Д-Д фиг. 3, фиг. 7 - разрез Е-Е фиг. 3, фиг. 8 - вид Ж фиг. 3.Fig. 1 is a side view of the backlash-free planetary roller screw; Fig. 2 - section A-A of Fig. 1, fig. 3 - section b-b Fig. 1, fig. 4 - section b-b of Fig. 1, fig. 5 is a view D of FIG. 1, fig. 6 - section D-D of Fig. 3, fig. 7 - section E-E of Fig. 3, fig. 8 - view G of FIG. 3.

Беззазорный планетарный роликовинтовой механизм состоит из винта 1 и узла, совершающего поступательное перемещение. Узел, совершающий поступательное перемещение, состоит из корпусных деталей 2 и 3, соединенных болтами 4 и крепежными гайками 5 со стопорными шайбами 6, при этом корпусная деталь 2 имеет базовые элементы (шейки) 7, предназначенные для соединения с исполнительным механизмом (на рисунках не показан).The backlash-free planetary roller screw mechanism consists of a screw 1 and a unit making a translational movement. The unit performing translational movement consists of body parts 2 and 3, connected by bolts 4 and fastening nuts 5 with lock washers 6, while the body part 2 has basic elements (necks) 7 intended for connection with the actuator (not shown in the figures ).

В корпусных деталях 2 и 3 закреплены длинная гайка 8, короткая гайка 9 и компенсатор, установленный между гайками и состоящий из двух полуколец 10. В каждой гайке закреплена втулка 11 с внутренним зубчатым венцом, пружинное разрезное кольцо 12 и уплотнение 13. Между винтом 1 и гайками 8 и 9 установлено не менее трех резьбовых роликов 14, торцовые шейки которых установлены с зазором в отверстиях сепараторов 15. На концах всех роликов прямо по резьбе нарезаны наружные зубчатые венцы, которые находятся в зацеплении с внутренними зубчатыми венцами втулок 11. Для ограничения осевого перемещения сепараторов 15 используются пружинные разрезные кольца 12.In the body parts 2 and 3, a long nut 8, a short nut 9 and an expansion joint installed between the nuts and consisting of two half rings 10 are fixed. Each nut has a bushing 11 with an internal toothed ring, a split spring ring 12 and a seal 13. Between the screw 1 and Nuts 8 and 9 are installed at least three threaded rollers 14, the end journals of which are installed with a gap in the holes of the separators 15. At the ends of all rollers, outer gear rims are cut directly along the thread, which mesh with the inner gear rims of the bushings 11. To limit axial movement separators 15 spring split rings 12 are used.

Для угловой ориентации корпусных деталей 2 и 3, длинной гайки 8 и короткой гайки 9 используется шпонка 16. Для удобства регулировки компенсатор выполнен в виде двух полуколец 10. Это позволяет извлекать кольца 10 и снова их устанавливать после подшлифовки без разборки узла, совершающего поступательное перемещение.For angular orientation of body parts 2 and 3, long nut 8 and short nut 9, key 16 is used. For ease of adjustment, the compensator is made in the form of two half rings 10. This allows you to remove rings 10 and re-install them after grinding without disassembling the unit performing translational movement.

Сборка и регулировка беззазорного планетарного роликовинтового механизма происходит следующим образом:The assembly and adjustment of the backlash-free planetary roller screw is as follows:

Длинную 8 и короткую 9 гайки, между которыми устанавливают компенсатор, ориентируют так, чтобы пазы под шпонку в гайках совпадали.The long 8 and short 9 nuts, between which the compensator is installed, are oriented so that the grooves for the key in the nuts coincide.

В эти пазы устанавливают шпонку 16. Затем в отверстиях гаек крепят зубчатые втулки 11, чаще всего с помощью радиальных штифтов, которые позволяют ориентировать по угловой координате зубчатые венцы втулок.A key 16 is installed in these grooves. Then, the toothed bushings 11 are fixed in the holes of the nuts, most often with the help of radial pins, which allow the toothed rims of the bushings to be oriented along the angular coordinate.

Полученный при сборке узел вводят в отверстие корпусной детали 2 так, чтобы шпонка вошла в паз корпусной детали 2. Другим торцом этот узел вводят в отверстие корпусной детали 3 так, чтобы шпонка вошла в паз корпусной детали 3. Корпусные детали 2 и 3 соединяют болтами 4 с крепежными гайками 5 и стопорными шайбами 6, при этом болты не затягивают.The assembly obtained during assembly is inserted into the hole of the body part 2 so that the key fits into the groove of the body part 2. With the other end, this assembly is inserted into the hole of the body part 3 so that the key fits into the groove of the body part 3. The body parts 2 and 3 are connected with bolts 4 with fastening nuts 5 and lock washers 6, while the bolts are not tightened.

В соосное отверстие гаек вводят упругий центр, например, цилиндр из поролона, при этом зазор между отверстием гаек и наружной поверхностью этого цилиндра составляет примерно 50…70% от диаметра ролика. Деформируя поролон, вставляют первый ролик 14 так, чтобы зубья его наружных венцов вошли во впадины внутренних венцов втулок 11. С противоположной стороны гаек вставляют второй ролик, а затем и остальные. Все ролики выравнивают в осевом направлении. На шейки роликов с одной их стороны устанавливают сепаратор 15 и фиксируют его пружинным разрезным кольцом 12. Затем собирают сепаратор 15 и пружинное разрезное кольцо 12 с другой стороны роликов. Узел, совершающий поступательное перемещение без уплотнений 13 собран.An elastic center, for example, a foam rubber cylinder, is introduced into the coaxial hole of the nuts, while the gap between the hole of the nuts and the outer surface of this cylinder is approximately 50 ... 70% of the roller diameter. Deforming the foam rubber, insert the first roller 14 so that the teeth of its outer rims enter the cavities of the inner rims of the bushings 11. From the opposite side of the nuts insert the second roller, and then the rest. All rollers are aligned axially. A separator 15 is installed on the necks of the rollers on one side and fixed with a spring split ring 12. Then the separator 15 and a spring split ring 12 are assembled on the other side of the rollers. The unit that makes translational movement without seals 13 is assembled.

На винт 1 с его свободного конца навинчивают уплотнение 13, далее узел, совершающий поступательное перемещение и второе уплотнение. Уплотнения с двух сторон ввинчивают до упора в пружинные разрезные кольца 12 узла, совершающего поступательное перемещение, и закрепляют с помощью радиальных или осевых штифтов.A seal 13 is screwed onto the screw 1 from its free end, then a unit performing translational movement and a second seal. Seals on both sides are screwed all the way into the spring split rings 12 of the unit performing translational movement and secured with radial or axial pins.

Далее производят регулировку механизма - выборку осевых зазоров между сопрягаемыми витками резьбы гаек, роликов и винта. С помощью динамометрического ключа, чтобы не сорвать резьбу, болтовые соединения деталей 4-6 последовательно затягивают и контролируют крутящий момент холостого хода, указанного выше узла относительно винта или наоборот. Возможны два варианта. Первый вариант - сила затяжки болтов меньше допускаемой, а значение контролируемого крутящего момента меньше рекомендуемого. Значит надо продолжить затяжку болтовых соединений. Второй вариант - сила затяжки болтов меньше допускаемой, а значение контролируемого крутящего момента находится в рекомендуемом диапазоне - регулировка выполнена. Собран и отрегулирован беззазорный роликовинтовой механизм, между его сопрягаемыми витками резьбы гаек, роликов и винта нет зазоров (фиг. 4), и сопрягаемые витки нагружены малой осевой предварительной силой для повышения осевой жесткости механизма.Next, the mechanism is adjusted - a selection of axial clearances between the mating threads of the nuts, rollers and screws. Using a torque wrench, so as not to rip off the thread, the bolted joints of parts 4-6 are sequentially tightened and controlled the idling torque of the above assembly relative to the screw or vice versa. There are two possibilities. The first option is that the tightening force of the bolts is less than the allowable one, and the value of the controlled torque is less than the recommended one. So it is necessary to continue tightening the bolted connections. The second option - the tightening force of the bolts is less than the allowable one, and the value of the controlled torque is in the recommended range - the adjustment is made. A backlash-free roller screw mechanism is assembled and adjusted, there are no gaps between its mating threads of nuts, rollers and a screw (Fig. 4), and the mating turns are loaded with a small axial preliminary force to increase the axial rigidity of the mechanism.

Высокоточный беззазорный планетарный роликовинтовой механизм готов к работе при рабочей нагрузке, действующей в одну сторону (механизм нереверсивный).The high-precision, backlash-free planetary roller screw is ready for operation with one-way working load (non-reversible mechanism).

Работа беззазорного планетарного роликовинтового механизма: С помощью муфты винт 1 соединяется с электродвигателем, а с помощью базовых элементов 7 узел, совершающий поступательное перемещение, соединяется с исполнительным механизмом (на фигурах не показано).The operation of the backlash-free planetary roller screw mechanism: With the help of the coupling, the screw 1 is connected to the electric motor, and with the help of the base elements 7, the unit performing translational movement is connected to the actuator (not shown in the figures).

Это соединение уравновешивает небольшой крутящий момент от сил трения между сопрягаемыми витками деталей механизма. При включении электродвигателя винт 1 начинает вращаться и приводит во вращение ролики 14. Каждый ролик 14 вращается за счет сил трения и совершает планетарное движение, он вращается вокруг собственной оси, все ролики вместе с сепараторами 15 вращаются относительно оси винта 1. Поэтому данный механизм называется планетарным. В механизме реализуется трение качения. В итоге происходит преобразование вращательного движения винта - входного звена механизма в поступательное перемещение его выходного звена.This connection balances the small torque from the frictional forces between the mating turns of the mechanism parts. When the electric motor is turned on, the screw 1 starts to rotate and drives the rollers 14. Each roller 14 rotates due to friction forces and makes a planetary motion, it rotates around its own axis, all the rollers, together with the separators 15, rotate about the axis of the screw 1. Therefore, this mechanism is called planetary ... Rolling friction is realized in the mechanism. As a result, the rotational motion of the screw - the input link of the mechanism - is converted into the translational movement of its output link.

В связи с тем, что осевая жесткость роликовинтового механизма зависит от количества рабочих витков гайки, воспринимающей осевую силу: чем больше рабочая длина L₁ гайки 8, тем больше воспринимаемая ею максимальная нагрузка, то для увеличения максимальной нагрузки (на 25-30%) значение длины L₁ полу гайки 8 выбирается больше значения величины L₂ полугайки 9, минимальная (базовая) длина резьбовой части которой, должна позволить компенсировать осевой зазор.Due to the fact that the axial stiffness of the roller screw mechanism depends on the number of working turns of the nut that perceives the axial force: the greater the working length L _{1 of the} nut 8, the greater the maximum load it perceives, then to increase the maximum load (by 25-30%) the value the length L _{1 of the} half-nut 8 is selected greater than the value of the value L _{2 of the} half-nut 9, the minimum (base) length of the threaded part of which should allow the axial clearance to be compensated.

После проведения экспериментальных отработок было выбрано оптимальное соотношение длин резьбовых частей гаек, а именно L₁=(3,5…4)⋅L₂ After carrying out experimental tests, the optimal ratio of the lengths of the threaded parts of the nuts was chosen, namely L ₁ = (3.5 ... 4) ⋅L ₂

В результате получен беззазорный нереверсивный механизм высокой точности и надежности функционирования с нагрузочной способностью на 25-30% выше, чем у имеющихся беззазорных планетарных роликовинтовых механизмов.As a result, a gap-free, non-reversible mechanism of high accuracy and reliability of operation with a load capacity of 25-30% higher than that of the existing gap-free planetary roller screws has been obtained.

Claims

A backlash-free planetary roller screw mechanism containing a screw, two body parts connected to each other with two nuts installed in them, between which an expansion joint is located, threaded rollers fixed with a gap in the holes of the separators, the threaded surface of which corresponds to the threaded surface of the screw and two nuts, split rings placed between the separators, two seals and a key connecting the body parts and nuts, while one body part has basic elements for communication with the actuator, and the screw and two nuts have a multi-start thread with an equal number of starts, characterized in that the length of the threaded part of the nut, located in a body part with basic elements, is 3.5 ... 4 times greater than the length of the threaded part of another nut.