Шарикоподшипниковая гайка (ШПГ) Российский патент 2024 года по МПК F16H25/20 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве механической передачи для преобразования вращательного движения в поступательное.

Известна роликовинтовая передача, см. Решетов Д.Н. «Детали машин», учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов, 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1989 г., стр. 314, состоящая из винта, гайки и, установленных между ними резьбовых роликов. Ролики своими торцовыми шейками установлены 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, на гайке - внутреннюю многозаходную резьбу, а на роликах - наружную однозаходную резьбу. Основным недостатком данной роликовинтовой передачи является технологическая сложность изготовления, большие габариты и наличие трения скольжения между винтом, роликом и гайкой.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является шариковинтовая пара ШВП см. книга Расчет шариковых винтовых передач Оренбург 2006. Данную конструкцию можно рассматривать как упорный подшипник, где одной стороной его является гайка, а вторая имеет форму спирали и расположена на оси (винт). В конструкции отсутствует трение скольжения. Недостатками конструкции являются сложность изготовления и то что из за больших шагов спирали (2.5-10 мм) данная передача обладает не большим коэффициентом передачи усилия т.е. при вращающем моменте 1 нм и шаге винта 5 мм усилие на оси 1 нм*2ПИ/0.005 м=1256н то есть коэффициент передачи равен 1256. Повысить коэффициент такой передачи на 1-2 порядка практически невозможно по этой причине ее часто используют в механизмах в комплекте с волновым редуктором.

Задачей изобретения является упрощение изготовления конструкции и повышение коэффициента передачи усилия передаваемого при вращении гайки.

Указанная цель достигается за счет того, что шарикоподшипниковая гайка состоит из 2х гаек и корпуса а между гайками и корпусом установлен упорный подшипник так, что одно кольцо подшипника упирается в корпус а другое состоит из двух частей, каждая из которых упирается в свою гайку. Эти кольца имеет сегменты винтовой поверхности по которой катятся шарики так, что при вращении корпуса, шарики по очереди передают нагрузку то на одну то на другую гайку. Та гайка которая не нагружена в данный момент, под воздействием фрикциона соединяющего ее с корпусом гайки перемещается по винту так, что в момент когда на нее будет оказана нагрузка ее поверхность продолжит спиральную поверхность по которой катились шарики на кольце предыдущей гайки. Следует отметить, что гайки перемещаются по простому (не ШВП) винту и шаг этого винта может значительно не совпадать с той спиральной поверхностью по которой двигаются шарики в шарикоподшипниковой гайке.

На Фиг. 1 представлена конструкция ШПГ с однорядным упорным подшипником.

На Фиг. 2 показан вид с верху двух колец упорного подшипника которые, опирающихся на гайки и траектория движения 4х симметрично расположенных шариков.

На Фиг. 3 показана развертка двух колец подшипника, опирающихся на гайки, для двух разных взаимных положений гаек.

На Фиг. 4 представлена конструкция ШПГ с двумя упорными подшипниками.

На Фиг. 5 показана развертка взаимного положения двух колец подшипника, опирающихся на гайки, для конструкции с двумя упорными подшипниками.

Шарикоподшипниковая гайка состоит из корпуса 1 кольца подшипника 2 установленного на гайку 3 кольца подшипника 4 установленного на гайку 5 двух фрикционов между корпусом и гайками 6 и кольцо подшипника закрепленное на корпусе 7. Каждое кольцо подшипника установленное на гайках разбито на сегменты (в данной конструкции 8 и они равные). Все не четные сегменты колец имеют постоянную толщину, а четные, по которым будут катиться шарики (рабочие) имеют утолщения и наклон поверхности на величину h. На Фиг. 2 показан вид колец подшипника 2 и 4 установленных на гайки и траектория движения шариков 8. Величина h определяется как 1/8 от требуемого шага спиральной поверхности упорного подшипника. Выступ из гайки 8, входящий в зацепления с пазом в гайке 3, обеспечивает возможность поворота гаек относительно друг друга так, что с учетом шага резьбы, на которую накручены гайки, кольцо 2 могло смещаться относительно кольца 4 на величину h в одном крайнем положение Фиг. 3а и в другом крайнем положение Фиг. 3б (h=0). Количество шариков в подшипнике совпадает с количеством рабочих сегментов на одном кольце (в данном примере 4).

Шарикоподшипниковая гайка работает следующим образом - при вращение корпуса четыре шарика в подшипнике могут опираться только на одну из гаек, находясь между кольцом 7 и рабочими сегментами одного из колец 2 или 4. При отсутствие нагрузки на корпус, гайки вращаются вместе с корпусом под воздействием фрикционов. При увеличении нагрузки не нагруженная гайка может вращаться под действием фрикциона до своего крайнего положения ограниченного выступом 8. На рисунке Фиг. 3а гайка 5 с кольцом 4 закручивается (двигается справа на лево) до ограничения 8. Следует отметить, что вращение сепаратора (сепаратор на рисунке отсутствует) происходит с частотой в два раза меньшей чем вращение корпуса, шаг резьбы нарезанной на гайках больше h*8/2 (предположим h=0.25 мм тогда шаг резьбы на гайках должен быть больше 1 мм) зададимся шагом 4 мм. Тогда пока шарик катится по рабочей поверхности кольца 5 положение колец из состояния Фиг. 3а перейдет в Фиг. 3б. Причем фрикцион не нагруженной гайки будит ее вращать только 1/4 углового пути корпуса а 3/4 пути проскальзывать из за ограничителя 8. При дальнейшем вращении корпуса шарики перейдут на ненагруженное кольцо 2 гайки 3 и теперь переместится кольцо 5 в состояние Фиг. 3а и так далее. При обратном направлении вращения корпуса процесс аналогичен, за исключением того, что данная гайка не может преодолевать усилие в обратном направлении большее, чем усилие передаваемое двумя фрикционами. В приведенном примере два оборота корпуса смещают гайку на 1 мм, при этом в гайке отсутствует трение за исключением фрикционов а коэффициент передаваемого усилия в данном примере ШПГ более 12 000.

Предлагаемая конструкция ШПГ имеет множество вариантов исполнения. Так для изменения коэффициент передаваемого усилия можно менять величину h в широком диапазоне или число шариков в подшипнике. Можно использовать не один а два или более упорных подшипников. При этом подшипник, опирающийся на одну из гаек, можно выбрать стандартным а второй с поверхностью имеющею утолщения (зубчатую). На Фиг. 4 приведен пример ШПГ состоящей из корпуса 1, гайки 3 со стандартным подшипником 2 и гайки 5 с подшипником одно кольцо которого разбито на 4 сегмента с утолщением h в виде наклонной поверхности. Теперь число и диаметр шариков катящихся в стандартном подшипнике не регламентировано, а во втором подшипнике так же равно числу сегментов на нем (в примере 4). Конструкция гайки 5 изменена так, что бы между нее и корпусом можно было установить многорядный упорный подшипник (на рисунке показан однорядный). Гайки так же связаны с корпусом фрикционами. Работа данной ШПГ аналогична выше описанной, на рисунке 5а и 5б показана развертка поверхностей качения шариков для двух крайних взаимных положения гаек 3 и 5. В данной конструкции, при равномерной скорости вращения корпуса, время когда нагружена гайка 3 может отличаться от нагруженного времени гайки 5, в приведенном примере оно меньше. Для повышения нагрузочной способности, или коэффициента передачи ШПГ можно еще увеличить количество подшипников. Так если на гайку 5 установить четыре подшипника содержащих по одному шарику, причем поверхность колец под каждым из них выполнить в виде одного витка спирали с подъемом h (похожим на шайбу Гровера), но при этом расположить эти кольца на гайке сместив по кругу на 360/4=90 градусов (делим на 4 т.к. по прежнему нагрузка распределяется между 4 шариками), то получим дополнительное увеличение коэффициента передачи, так, на пример, при h=0.1 мм он будет более 100000, а гайка при повороте ее корпуса на два оборота сместится на 0.1 мм, что эквивалентно изготовлению шариковинтовой пары с шагом 0.05 мм. Для исключения произвольного скручивания гайки под нагрузкой, хотя сила двух фрикционов будет удерживать ее от скручивания, возможно ограничить взаимное перемещение гаек чуть меньше чем величина h. На рисунке 5б показан этот вариант где видно, что в этом крайнем положении гаек при переходе шариков с кольца 4 на кольцо 5 «верхняя линия» осталась слегка волнистой и при обратном движении шарики упрутся в уступ. Это не изменит процесс работы ШПГ но исключит возможность произвольного скручивания гайки.

Шарикоподшипниковая гайка для преобразования вращательного движения в поступательное. Гайка состоит из корпуса и двух гаек расположенных внутри. Между корпусом и гайками установлены упорные подшипники, одно из колец которых имеет переменную толщину. В результате того, что нагрузка на гайки со стороны ее корпуса передается поочередно, а гайки связаны с корпусом фрикционами, гайки по очереди проворачиваются, а шарики двигаются по спиральной поверхности, что исключает наличие силы трения в гайке и делает возможным создавать аналоги ШВП, но с шагом меньше миллиметра. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Шарикоподшипниковая гайка для преобразования вращательного движения в поступательное, состоящая из корпуса, шариков и двух гаек отличающаяся тем, что гайки могут поворачиваться относительно друг друга на заданный угол и связаны с корпусом фрикционами, а между гайками и корпусом установлен упорный подшипник так, что одно кольцо подшипника упирается в корпус а другое состоит из двух частей, каждая из которых упирается в свою гайку и по меньшей мере хотя-бы одно кольцо имеет сегменты с переменной толщиной кольца так, что бы при вращении корпуса шарики по очереди передавали нагрузку то на одну, то на другую гайку и стали двигаться по винтовой поверхности, образованной кольцами, за счет вращения гаек на заданный угол под действием фрикционов в момент отсутствия на них нагрузки.

2. Шарикоподшипниковая гайка для преобразования вращательного движения в поступательное по п.1, отличающийся тем, что между корпусом и одной из гаек установлен стандартный подшипник, а между корпусом и второй гайкой установлен по меньшей мере один упорный подшипник, поверхность качения шариков на котором, имеет переменную толщину.