Čo je to závitovkový prevod? Kompletný technický sprievodca

Paradox samosvornosti – Prečo je ozubené koleso, ktoré odoláva pohybu, užitočné

Ozubené koleso, ktoré blokuje otáčanie v jednom smere, znie ako konštrukčná chyba. Vo väčšine mechanických systémov je odpor voči pohybu niečo, čo inžinieri vynakladajú úsilie na odstránenie. Ale v aplikáciách od manuálnych zdvihákov cez solárne sledovače až po kĺby chirurgických robotov je pohon, ktorý aktívne zabraňuje spätnému otáčaniu – bez akejkoľvek externej brzdy, bez prídržného prúdu motora, bez pružín alebo račňových mechanizmov – presne to, čo konštrukcia vyžaduje. sada závitovkových prevodov prináša túto vlastnosť ako geometrický dôsledok, nie ako pridaný mechanizmus.

Pochopenie dôvodu si vyžaduje pochopenie uhla nábehu. A pochopenie uhla nábehu si vyžaduje začiatok so základnou geometriou toho, ako závit závitu zapadá do závitovkového kolesa. Táto príručka buduje toto pochopenie od úrovne komponentov nahor a pokrýva fyziku samosvoru, dôvod párovania materiálu bronzového kolesa, kontaktnú mechaniku, ktorá určuje nosnosť, a kompromis v účinnosti, ktorý musí každý inžinier špecifikujúci závitovkový pohon zohľadniť pri výpočte veľkosti motora.

Technická tabuľka

Anatómia závitovkového prevodu – komponenty a terminológia

A sada závitovkových prevodov pozostáva presne z dvoch komponentov. Závitovka je hnací prvok – valcový hriadeľ s jedným alebo viacerými špirálovými závitmi vyrezanými na jeho povrchu, pripomínajúci veľkú skrutku alebo závitovú tyč. Závitovkové koleso (nazývané aj závitovkové koleso alebo jednoducho koleso) je hnaný prvok – ozubené koleso, ktorého zuby sú zakrivené v konkávnom oblúku cez šírku čela zuba, aby čiastočne obopínali závitovkový valec. V najbežnejšej konfigurácii sú dva hriadele orientované v uhle 90 stupňov voči sebe, hoci v špecializovaných konštrukciách sú možné aj iné uhly kríženia.

Geometria závitu, ktorá určuje všetko ostatné

Uhol nábehu nie je len číslo na výkrese – je to parameter, ktorý fyzicky spája prevodový pomer, samosvorné správanie a účinnosť prevodu do jedného koherentného systému. Každá ďalšia vlastnosť závitovkového prevodu vyplýva z uhla nábehu, a preto je jeho pochopenie užitočnejšie ako memorovanie špecifikácií.

Zvážte, čo sa deje v mieste záberového kontaktu medzi závitom závitovky a zubom závitovkového kolesa. Závitovka sa otáča a povrch závitu sa kĺže po povrchu zuba kolesa. V podstate ide o klzný kontakt – nie o valivý kontakt čelných, špirálových alebo kužeľových ozubených kolies. Smer kĺzania je pozdĺž špirály závitovky, pod uhlom k smeru prenosu výkonu do kolesa. Zložka kontaktnej sily, ktorá prenáša krútiaci moment na koleso, je určená kosínusom uhla stúpania; zložka, ktorá generuje trenie (a teda teplo), je určená uhlom stúpania a koeficientom trenia materiálového páru.

Pri malom uhle nábehu (plytká špirála – ako sa nachádza u závitovkových pohonov s jedným chodom a vysokým prevodovým pomerom) väčšina kontaktnej sily tlačí zub kolesa do strany do trenia, namiesto toho, aby ho poháňala dopredu. Preto majú závitovkové pohony s vysokým prevodovým pomerom nízku účinnosť – geometria je inherentne neefektívna pri premieňaní vstupného pohybu na výstupný krútiaci moment. Pri veľkom uhle nábehu (strmá špirála – ako sa nachádza u závitovkových pohonov s viacerými chodmi a nízkym prevodovým pomerom) sa väčšia časť kontaktnej sily využíva na prenos užitočného krútiaceho momentu a účinnosť sa zlepšuje. Závitovkový pohon s jedným chodom 10:1 môže dosiahnuť účinnosť 80 – 881 TP3T; závitovkový pohon s tromi chodmi 4:1 môže dosiahnuť účinnosť 93 – 961 TP3T.

Samosvorné – fyzika skrytá za najviac nepochopenou vlastnosťou

K samosvoru dochádza, keď závitovkové koleso nemôže poháňať závitovku – pôsobením krútiaceho momentu na výstupný hriadeľ kolesa vzniká trenie v mieste záberu, ktoré prevyšuje tangenciálnu silu potrebnú na otáčanie závitovky. Podmienkou samosvoru je: uhol nábehu λ menší ako uhol trenia ρ'. Vo vzorci: λ menšie ako arctg(μ ÷ cos α).

Pre typický oceľový závitovkový ...

Z tejto fyziky vyplývajú tri praktické dôsledky, ktoré sa v špecifikáciách často prehliadajú:

■ Samosvornosť závisí od viskozity maziva. S rastúcou teplotou klesá viskozita maziva, efektívny koeficient trenia v zábere sa znižuje a uhol trenia sa znižuje. Pohon, ktorý sa spoľahlivo samosvorí pri 20 °C s minerálnym olejom, sa nemusí samosvoriť pri 75 °C s plne syntetickým prevodovým olejom – rovnaký pohon, rovnaké ozubené koleso, rôzne prevádzkové podmienky. Pre aplikácie, kde je samosvornosť bezpečnostnou požiadavkou (zdvíhacie zariadenia, solárne sledovače, polohovacie mechanizmy, ktoré musia udržať bremeno, keď je motor vypnutý), sa musí stav samosvornosti overiť pri maximálnej prevádzkovej teplote so špecifikovaným mazivom, nie z generického menovitého uhla nábehu.

■ Viacchodové závitovky vo všeobecnosti nie sú samosvorné. Dvojchodový závitovkový systém s prevodovým pomerom 20:1 má uhol nábehu približne dvakrát väčší ako jednochodový závitovkový systém s rovnakým pomerom. Väčší uhol nábehu môže presiahnuť uhol trenia, čím sa eliminuje samosvornosť. Ak je potrebný samosvorný systém, štandardnou špecifikáciou sú jednochodové závitovkové systémy s prevodovými pomermi nad 15:1 – 20:1. Pod týmto pomerom alebo pri viacchodových závitovkových systémoch môže byť potrebná externá brzda alebo prídržný mechanizmus.

■ „Samosvorné“ nie je to isté ako „bezpečné voči poruche“. Samosvorný mechanizmus zabraňuje otáčaniu iniciovanému z výstupného hriadeľa pri statickom zaťažení. Nezabraňuje otáčaniu iniciovanému dynamickým zaťažením – vibrácie, rázové impulzy alebo kmitajúce zaťaženia, ktoré dočasne zmenia smer sily, môžu spôsobiť, že sa samosvorný pohon bude časom pohybovať. V kritických bezpečnostných aplikáciách by sa samosvorný mechanizmus mal považovať za doplnkový bezpečnostný prvok, nie za primárny mechanizmus na udržanie zaťaženia.

Kontaktná mechanika – Prečo sa zub závitovkového kolesa zakrivuje dovnútra

Čelná plocha zuba závitovkového kolesa nie je po celej svojej šírke plochá ako zub čelného ozubeného kolesa. Je konkávna – zakrivená dovnútra v oblúku, ktorý zodpovedá priemeru rozstupového valca závitovky. Toto zakrivenie sa dosahuje použitím odvaľovacej frézy s profilom závitovky (rezný nástroj, ktorého profil zodpovedá geometrii závitu závitovky) na rezanie zubov kolesa. Výsledkom je, že keď sú závitovka a koleso zostavené v správnej stredovej vzdialenosti, kontakt medzi nimi je skôr čiara ako bod.

Tento priamy kontakt je kľúčom k výhode nosnosti správne vyrobeného závitovkového ozubeného kolesa oproti jednoduchému usporiadaniu skrížených špirálových ozubených kolies (kde je štandardné špirálové ozubené koleso spárované so závitovkou, čím sa vytvára iba bodový kontakt). Kontaktné napätie v zábere je kontaktná sila delená kontaktnou plochou. Čiarová kontaktná zóna pokrývajúca 15 – 30 mm šírky čela zuba rozkladá rovnakú silu na plochu 5 až 10-krát väčšiu ako bodová kontaktná zóna, čím sa kontaktné napätie znižuje rovnakým faktorom. Nižšie kontaktné napätie znamená dlhšiu životnosť povrchu pri únave, vyšší udržateľný trvalý krútiaci moment a lepšiu odolnosť voči náhlemu preťaženiu.

Praktický dôsledok pre kupujúcich: závitovkové koleso rezané odvalovacou frézou so závitovkovým profilom je zásadne odlišný produkt od rezu so štandardnou špirálovou odvalovacou frézou – aj keď sú modul, počet zubov, priemer otvoru a vonkajšie rozmery identické. Prvý má priamy kontakt a vysokú nosnosť; druhý má bodový kontakt a nízku nosnosť. Neexistuje vizuálny spôsob, ako ich odlíšiť od zvonku. Jedinou spoľahlivou kontrolou je test kontaktného vzoru: závitovku a koleso zostavte v správnej stredovej vzdialenosti, prevalcujte pod značkovacou pastou a overte, či kontaktná plocha pokrýva aspoň 60 – 701 TP3T šírky čela zuba. Spoločnosť Korea Ever-Power vykonáva tento test na všetkých spárovaných pároch a do prepravnej dokumentácie zahrnie fotografiu kontaktného vzoru.

Prečo kotúč z cínu a bronzu proti kalenému oceľovému červu – tribologický dôvod

Štandardné párovanie materiálov pre závitovkové prevody – kalená oceľová závitovka oproti kolesu z cínového bronzu – nie je ľubovoľnou konvenciou. Vyplýva to zo špecifickej povahy klzného kontaktu v zábere závitovky a spôsobu poruchy, ktorému toto párovanie zabraňuje.

Klzný kontakt medzi dvoma oceľovými povrchmi, a to aj s mazaním, vytvára adhézne opotrebenie – proces, pri ktorom sa vyvýšené miesta na jednom povrchu pod kontaktným tlakom a teplotou na chvíľu zvaria s vyvýšenými miestami na druhom povrchu a potom sa pri pokračujúcom kĺzaní roztrhnú. Roztrhnuté úlomky sa stanú abrazívnymi časticami v olejovom filme, čo exponenciálne urýchľuje opotrebovanie. Tento proces, nazývaný odieranie alebo zadrhnutie, je dominantným spôsobom poruchy, keď oceľ naráža na oceľ klznými rýchlosťami typickými pre kontakty závitovkových prevodov (0,5 – 15 m/s).

Cínový bronz (ZCuSn10Pb1) zabraňuje tomuto poruchovému režimu prostredníctvom špecifického mechanizmu: v dôsledku kombinácie kontaktného tlaku a kĺzania po zábere bronzový povrch vytvára na závite závitu z kalenej ocele tenkú, samoobnovujúcu sa prenosovú vrstvu z bronzu bohatého na zinok. Táto prenosová vrstva slúži ako obetné tuhé mazivo – má nižšiu šmykovú pevnosť ako ktorýkoľvek zo základných kovov, takže kĺzanie sa prednostne vyskytuje vo vnútri vrstvy, a nie ako adhézia medzi základnými materiálmi. Vrstva sa priebežne dopĺňa z povrchu bronzového kolesa, ako sa spotrebúva. Výsledkom je stabilné, opotrebovateľné klzné rozhranie, ktoré dokáže vydržať milióny kontaktných cyklov bez oderu.

Požiadavka na tvrdosť povrchu hriadeľa závitovky (55 – 62 HRC pre výrobné závitovky CNC triedy) súvisí s týmto mechanizmom: čím tvrdší je povrch závitu závitovky, tým hladšia je počiatočná povrchová úprava dosiahnuteľná po brúsení a tým úplnejšie sa prenosová vrstva vytvorí počas zábehu, a nie na drsných vyvýšených miestach, ktoré generujú abrazívne častice. Mäkký alebo drsný povrch závitu závitovky narúša tvorbu prenosovej vrstvy a vedie k predčasnému zlyhaniu v dôsledku adhézneho opotrebenia, bez ohľadu na to, aký dobrý je materiál bronzového kolesa.

Valcové vs. globoidné závitovkové prevody – keď na type záleží

Vo výrobe existujú dve zásadne odlišné geometrie závitoviek. valcový červ (najbežnejší typ) má závitovkový hriadeľ, ktorý má rovnaký priemer po celej svojej užitočnej dĺžke – závit je vyrezaný do valca s konštantným priemerom. Tento typ sa ľahko vyrába, ľahko sa rozmerovo overuje a možno ho vyrobiť podľa tried presnosti DIN pomocou štandardného brúsneho zariadenia. Prevažná väčšina priemyselných závitovkových súkolí – vrátane všetkého v katalógu Korea Ever-Power – sú valcové závitovkové súkolí.

Ten/Tá/To globoidný červ (tiež nazývaný závitovka v tvare presýpacích hodín alebo Hindleyho závitovka) má závitovkový hriadeľ, ktorý je v strede užší ako na koncoch – závitovka sa zakrivuje v radiálnom smere, aby sa čiastočne ovíjala okolo kolesa. Toto zakrivenie umožňuje, aby bolo viac zubov kolesa v súčasnom kontakte so závitovkou v každom okamihu, čo teoreticky zlepšuje nosnosť a účinnosť. Praktické nevýhody sú značné: závitovka sa výrazne ťažšie vyrába s prísnymi toleranciami, ťažšie sa rozmerovo overuje a nedá sa axiálne nastaviť na kompenzáciu vôle tak, ako to dokáže valcová závitovka. Globoidné závitovky sa vyskytujú v špeciálnych aplikáciách s vysokým zaťažením, ako sú otočné pohony pre stavebné žeriavy a veľké vojenské veže, kde je odôvodnenie hustoty zaťaženia dostatočne silné na to, aby akceptovalo zložitosť výroby.

Pre prevažnú väčšinu priemyselných aplikácií – rotačné osi CNC obrábacích strojov, pohony dopravníkov, sledovače slnečnej energie, poľnohospodárske stroje, baliace zariadenia, zdravotnícke pomôcky a automobilové aktuátory – je valcový závitovkový systém tou správnou špecifikáciou. Globoidný typ ponúka výhody iba vtedy, keď je kontaktné zaťaženie na jednotku objemu krytu také extrémne, že štandardná konštrukcia valcového závitovkového systému nemôže dosiahnuť požadovanú životnosť v rámci obmedzení inštalačného priestoru.

Bežné terminologické chyby – čo ľudia hovoria vs. čo tým myslia

Terminológia používaná pre komponenty závitovkových prevodov je v rôznych odvetviach, regiónoch a inžinierskych tradíciách nekonzistentná. Nasledujúca tabuľka objasňuje najčastejšie zdroje nejasností, s ktorými sa stretávame v diskusiách o obstarávaní:

Kam patria závitovkové prevody – a kam nie

Závitovkový prevod je správnym mechanickým riešením, keď aplikácia kombinuje dve alebo viac z nasledujúcich charakteristík súčasne: vyžaduje sa pravouhlé usporiadanie hriadeľa; v jednom stupni je potrebný vysoký redukčný pomer; vyžaduje sa samosvorné držanie polohy bez samostatnej brzdy; hluk musí byť minimalizovaný v porovnaní s inými typmi prevodov; a dôležité je kompaktné balenie pri vysokom prevodovom pomere.

Ak tieto podmienky nie sú splnené – najmä ak je primárnou požiadavkou vysoká účinnosť prenosu výkonu, ak je usporiadanie hriadeľov rovnobežné alebo ak je potrebný nízky prevodový pomer – mali by sa zvážiť alternatívy, ako sú špirálové ozubené kolesá, planétové prevodovky alebo kužeľové ozubené kolesá. Zníženie účinnosti závitovkového prevodu (ktoré môže pri vysokých prevodových pomeroch dosiahnuť 30 – 401 TP3T vstupného výkonu ako teplo) predstavuje skutočné prevádzkové náklady, ktoré je potrebné zohľadniť v celkovom energetickom rozpočte systému a vo výpočte tepelného zaťaženia motora.

Pre kompletné uzavreté pohonné systémy kombinujúce závitovkovú prevodovku s telesom, ložiskami, tesneniami a montážnou prírubou motora, kompaktné závitovkové reduktory sú k dispozícii ako jednotky pripravené na montáž. Pre holé komponenty prevodovky, kde je kryt súčasťou konštrukcie rámu stroja, jednotlivé sady závitoviek a kolies v kompletnom sortimente modulov, materiálov a tried presnosti sú k dispozícii od spoločnosti Korea Ever-Power. 

Často kladené otázky