CC BY
229
УДК 621.833
ПРЕЦИЗИОННЫЕ ВИНТОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РЕДУКТОРАХ ПРИВОДОВ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В.С. Янгулов, А.А. Эдличко
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Разработаны схемы механизмов с линейным перемещением выходного звена, адаптированные к высоким требованиям по точности перемещений управляемых исполнительных органов космических аппаратов. Предложены конструкции систем космического аппарата, в которых могут найти применение разработанные механизмы.
Ключевые слова:
Волновая винтовая передача, промежуточные тела качения, шарикоподшипниковый винтовой механизм, редуктор.
Key words:
Wave screw gear, intermediate rolling body, ball-bearing screw mechanism, reducer.
Винтовые механизмы и передачи находят широкое применение в редукторах приводов с линейными перемещениями выходного звена. Они обладают рядом преимуществ, основными из которых являются следующие: высокая нагрузочная способность, долговечность, жёсткость и точность перемещений выходного звена. Это обстоятельство делает перспективным использование винтовых механизмов и передач в прецизионных редукторах приводов систем космических аппаратов и наземного оборудования.
Большая часть известных работ по исследованию данных механизмов и передач посвящена применению их в общепромышленных целях [1, 2]. В этих работах рассмотрены различные варианты по использованию, кинематическим схемам и конструктивному исполнению винтовых механизмов и передач. Одной из задач по повышению точности перемещений выходного звена является уменьшение величины его перемещений за один оборот
входного звена. Конструкции двухвинтовых, дифференциальных, зубчато-винтовых, червячно-винтовых механизмов позволяют решить данную задачу, но они достаточно сложны, т. к. состоят из двух или более передач.
В прошлом веке были изобретены волновые винтовые передачи, которые в числе других своих преимуществ позволяют решить и задачу уменьшение величины перемещений выходного звена за один оборот входного звена. Первые конструкции с гибким элементом, как правило, с гибкой гайкой, не получили большого внедрения из-за целого ряда проблем - технологических, эксплуатационных (ненадёжность) и др.
С целью устранения этих недостатков были предложены конструкции волновых передач [3, 4], представленные на рис. 1 и 2.
Для пояснения волновой винтовой передачи на рис. 1 показаны: конструктивная схема передачи и поперечное сечение А-А.
Рис. 2. Волновая винтовая передача с многозаходными винтовыми канавками винта и гайки
Волновая винтовая передача работает следующим образом. При вращении генератора - 4 от привода (не показан) шарики - 3 под его воздействием совершают поступательные перемещения в отверстиях обоймы - 2 к поверхности винтовой канавки винта - 1 до контакта с ней, обеспечивая обкатку гибкой гайки по винту. С учётом разницы средних диаметров винтовых поверхностей винта -1 и гибкой гайки, состоящей из обоймы - 2 и шариков - 3, корпус - 5 будет перемещаться с редуцированной скоростью при неподвижном винте -
1. При неподвижном корпусе - 5 выходным звеном передачи будет винт - 1.
Передаточное число волновой винтовой передачи с многозаходными винтовыми канавками винта и гайки определяется отношением разности числа заходов винтовых канавок подвижного и неподвижного звеньев передачи к количеству заходов подвижного звена:
и -
где 2 и 22 - число заходов винтовых канавок подвижного и неподвижного звеньев передачи, соответственно.
Это приближает волновую винтовую передачу к волновой зубчатой передаче по однозначности значения передаточного отношения и сохраняет преимущества винтовой передачи - повышенное количество шариков, одновременно находящихся в контакте с рабочими поверхностями винтовых канавок винта и гибкой гайки.
Рис. 3. Шарикоподшипниковый винтовой механизм
В некоторых конструкциях винтовых механизмов повышение точности достигается использованием не только шариков, но и наружных колец подшипников - это шарикоподшипниковые механизмы. На рис. 3 представлен пример шарикопод-шипникого механизма [5].
К недостаткам данного механизма можно отнести сложность конструкции установки колец подшипника. С целью устранения данного недостатка была предложена конструкция шарикоподшипникового механизма [6], рис. 4.
Предлагаемый шарикоподшипниковый винтовой механизм позволяет существенно упростить конструкцию за счёт установки наружных колец шарикоподшипников в корпусе перпендикулярно осям винта и корпуса. В этом случае расточка корпуса под подшипники выполняется на токарном станке. Вы-
полнение эксцентриситета равным 0,25 диаметра шариков подшипников и исполнение профиля винтовой канавки в виде сопряжённой поверхности с шариками, существенно увеличивает дугу контакта, практически до 360°, что повышает нагрузочную способность механизма. В совокупности это повышает надёжность и качество механизма.
Для пояснения шарикоподшипникового механизма на рис. 4 показаны: конструктивная схема механизма и поперечное сечение А-А.
Шарикоподшипниковый винтовой механизм работает следующим образом: при вращении винта - 1 от привода (не показан) шарики подшипника - 4 обкатываются по беговой дорожке наружного кольца и по боковым поверхностям винтовой канавки винта - 1. При выходе на гребень между соседними витками шарики подшипника переходят в следующий виток канавки. Корпус - 2 начинает поступательно перемещаться, если он зафиксирован от вращения, или вращаться, если он зафиксирован от поступательного движения.
Примерами применения винтовых передач и механизмов могут служить предлагаемые схемы систем космического аппарата, в которых эти передачи и механизмы обеспечивают требуемые перемещения, представленные на рис. 5 и 6.
При ограниченных углах поворота гиродвигателя относительно неподвижного основания представляет интерес подвес, выполненный на приводах, выходное звено которых перемещается возвратно-поступательно [7].
Такая схема приведена на рис. 5. Гиростабилизатор содержит неподвижное основание - 6, на котором с помощью шарниров - 5 установлены приводы поворота - 4, по два для каждой из взаимопер-пендикулярных осей, обеспечивающие двухкоординатный подвес с опорами гиродвигателя - 1. Выходная ступень редуктора привода поворота пред-
ставляет собой механизм линейного перемещения, например, шариковинтовая, шарикоподшипниковая винтовая, волновая винтовая или аналогичные им передачи, позволяющие регулировать зазоры в зацеплении до нуля. Выходные звенья - 3 механизмов крепятся к гиродвигателю - 1 через шарниры -2, обеспечивающие две степени свободы.
Для поворота гиродвигателя - 1 относительно основания - 6 по одной из осей, например, оси а, включаются приводы поворота, установленные по оси Ь, работа которых синхронизирована, а перемещения их выходных звеньев - 3 направлены в противоположных направлениях относительно основания - 6.
Поворот гиродвигателя относительно оси Ь проводится приводами поворота, установленными по оси а. Шарниры - 2 и 5 обеспечивают вращательное перемещение гиродвигателя - 1 по одной оси при линейном перемещении выходных звеньев - 3 по другой оси. Одновременно, включая приводы поворота по обеим осям, получим угловое перемещение гиродвигателя - 1, относительно основания - 6 в любом заданном положении.
В последние годы в нашей стране и за рубежом ведётся разработка и исследование механизмов с параллельной кинематикой - гексаподов. Замкнутая кинематическая цепь этих механизмов обеспечивает более высокую жесткость всей конструкции и меньшие нагрузки на каждый привод, это, в свою очередь, приводит к повышению точности позиционирования рабочего органа. По большей части доступная информация касается применения гексаподов для металлорежущих станков (крепление шпинделя), что позволяет производить шестикоординатную обработку поверхностей.
В числе перспективных направлений по созданию механизмов, обеспечивающих высокоточные управляющие перемещения - разработка гексапо-
Рис 5. Гиростабилизатор с линейными приводами поворота
Рис. 6. Общий вид гексапода
да, состоящего из неподвижной и подвижной платформ. Определены технические требования на гексапод, который планируется использовать в новых изделиях ОАО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнёва, г. Железногорск.
Основные требования следующие:
1. Перемещения подвижной платформы по трём осям, относительно неподвижной:
• линейные - ±100 мм;
• угловые - ±10°.
2. Погрешность позиционирования подвижной платформы:
• линейного - ±1,5 мкм;
• углового - ±19 угл. сек.
3. Дискретность перемещений:
• линейных - 1,5 мкм;
• угловых - 2 угл. сек.
С учётом этих требований была разработана конструкция гексапода, общий вид которой представлен на рис. 6.
На рис. 7 показаны линейные и угловые перемещения подвижной платформы относительно неподвижного основания, которые соответствуют требованиям ОАО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнёва.
В качестве передач для редуктора опор гексапода использованы: в 1-й ступени - червячная передача с промежуточными телами; во 2-й ступени -шарикоподшипниковый винтовой механизм [6]. Крепление конца винта и корпуса опоры к платформам осуществляется с помощью кардановых узлов, обеспечивающих им необходимые угловые перемещения, но фиксирующих их от взаимного проворота.
В состав редуктора опоры гексапода, представленного на рис. 8, входят: червяк - 1, который через промежуточные тела качения зацепляется с червячным колесом - 2, выполненным за одно целое с гайкой - 3 (или закреплённым на ней). В гайке - 3 установлены эксцентричные втулки - 4, например, три штуки с равным угловым шагом. В эксцентричных втулках - 4 крепятся радиальные шарикоподшипники с убранными внутренними кольцами - 5. Гайка - 3 размещена в неподвижном корпусе - 6 на насыпных подшипниках - 7. Корпус - 6 крепится к полой части - 8 опоры, внутри который расположен винт - 9. Создание упругого натяга в местах контакта шариков с наружными кольцами подшипников и витками винта - 9 осуществляется упругими элементами - 10, размещёнными между втулками - 4.
В качестве промежуточных тел качения в редукторе используются стандартные шарики от под-
шипников качения. Серийно выпускаемые шарики имеют следующие характеристики по точности [8]:
1) отклонение от сферической формы - 0,08 мкм;
2) шероховатость поверхности Яа - 0,020 мкм;
3) разноразмерность шариков по диаметру в партии - 0,13 мкм.
Использование стандартных шариков в качестве промежуточных тел качения, соответствующая обработка сопряженных с шариками рабочих поверхностей и применение компенсирующих износ рабочих поверхностей упругих элементов позволяет прогнозировать, что разрабатываемый гексапод будет удовлетворять проектным требованиям.
Выводы
1. Разработаны схемы механизмов с линейным перемещением выходного звена, адаптированные к высоким требованиям по точности перемещений управляемых исполнительных органов космических аппаратов.
2. Передачи содержат:
• входное звено - генератор (волновая винтовая передача) или корпус (шарикоподшипниковый винтовой механизм);
• тела качения - стандартные шарики подшипников качения;
выходное звено - винт с винтовой поверхностью, сопряженной с шариками; упругие элементы, создающие упругий натяг в местах контакта звеньев, обеспечивающие устранение зазоров в зацеплении, и компенсирующие их по мере износа рабочих поверхностей при эксплуатации механизма.
3. Предложены примеры конструкций приводов систем космических аппаратов, в редукторах которых применены новые передачи с линейным перемещением выходного звена, обеспечивающие требования по точности и долговечности. Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Турпаев А.И. Винтовые механизмы и передачи. - М.: Машиностроение, 1982. - 224 с.
2. Янгулов В.С. Волновые и винтовые механизмы и передачи. -Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 190 с.
3. Волновая винтовая передача: пат. на ПМ 69179 Рос. Федерация. № 2007121056; заявл. 04.06.07; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 34. - 5 с.
4. Волновая винтовая передача: пат. на ПМ 79961 Рос. Федерация. № 2008129973; заявл. 21.07.2008; опубл. 20.01.2009, Бюл. № 2. - 2 с.
5. Шарикоподшипниковый винтовой механизм: а.с. 1357637 СССР; заявл. 31.03.1986; опубл. 07.12.1987, Бюл. № 45 - 4 с.
6. Шарикоподшипниковый винтовой механизм: пат. на ПМ 69180 Рос Федерация. № 2007121057; заявл. 04.06.07; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 34. - 5 с.
7. Гиростабилизатор: пат. на ПМ 71424 Рос. Федерация. № 2007118999; заявл. 21.05.07; опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7. -5 с.
8. ГОСТ 3722-81. Подшипники качения. Шарики. Технические условия. - М., 1990. - 25 с.
Поступила 27.04.2010г.
