Исследование фрикционных свойств планетарных роликовинтовых механизмов с целью повышения стабильности кинематических характеристик тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Шинаков, Игорь Владимирович

• Шинаков, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шинаков, Игорь Владимирович

Введение.

Глава 1. Анализ литературных источников и постановка задачи ^ исследований.

1.1. Анализ требований к исполнительным механизмам (ИМ) приводов линейных перемещений современного технологического оборудования.

1.2. Особенности структурных и кинематических схем исполнительных механизмов приводов линейных перемещений (ВГС, ЗШР, ШВМ, РВМ).

1.3. Анализ работ по исследованию стабильности кинематической передаточной функции (КПФ) РВМ.

1.3.1. Анализ работ по исследованию КПФ РВМ.

1.3.2. Анализ работ по оценке фрикционных параметров в а сопряжениях передач и их учета при вычислении КПФ

1.4. Выводы по главе. Постановка задачи исследований.

Глава 2. Исследование фрикционной стабильности роликовинтовых механизмов.

1.5. Классификация роликовинтовых механизмов.

1.6. Анализ кинематических характеристик РВМ.

1.6.1. Анализ сцепления роликовинтовых механизмов.

1.6.2. Определение кинематической передаточной функции.

1.6.3. Численный анализ кинематических характеристик

1.6.4. Аналитическое исследование кинематических характеристик РВМ.

1.7. Анализ фрикционной стабильности РВМ.

1.8. Анализ возможных схем РВМ с заданной фрикционной стабильностью.

1.9. Выводы по главе.

Глава 3. Исследование РВМ со стабильными кинематическими передаточными функциями.

3.1 Классификация замкнутых РВМ.

0'' 3.2 Зубчатое замыкание РВМ.

3.2.1. Варианты зубчатого замыкания.

3.2.2. Практическая реализация зубчатого замыкания.

3.3. Анализ кинематических характеристик зубчато — винтовых

РВМ со стабильной КПФ. lis

3.3.1. Передачи 2К-Н.

3.3.2. Передачи ЗК-Н.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальные исследования стабильности кинематических передаточных функций РВМ.

1.10. Объект исследований. Методика испытаний и аппаратура.

1.11. Обработка результатов эксперимента. Анализ полученных результатов. Сравнение экспериментальных и теоретических данных.

1.12. Выводы по главе.

Глава 5. Разработка инженерной методики проектирования РВМ с высокой стабильностью кинематической передаточной функции. Внедрение результатов работы.

1.13. Программа автоматизированного синтеза РВМ с требуемой КПФ и с заданной фрикционной стабильностью.

1.14. Описание разработанных конструкций РВМ с заданной стабильностью КПФ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование фрикционных свойств планетарных роликовинтовых механизмов с целью повышения стабильности кинематических характеристик»

Важнейшим направлением повышения технического уровня различных технологических машин и оборудования является совершенствование их исполнительных механизмов. Среди таких механизмов большое распространение получили механизмы поступательного перемещения, в качестве которых часто используются винтовые механизмы.

Простейшим винтовым механизмом является передача винт - гайка скольжения. Основными недостатками ее являются низкая точность из-за фрикционных скачков, невысокая нагрузочная способность, определяемая условием невыдавливания смазки из зоны контакта резьб. Поэтому эти передачи требованиям предъявляемым к современному технологическому оборудованию не удовлетворяют.

В настоящее время широкое применение в различных областях машиностроения находят передачи винт - гайка качения, в которых трение скольжения заменено трением качения за счет введения между витками гайки и винта промежуточных тел качения (шариков или роликов). В результате повышается нагрузочная способность и точность механизма. Однако точность таких механизмов является недостаточной.

Планетарные роликовинтовые механизмы (РВМ), которые относятся к классу несоосных винтовых механизмов являются одним из новых видов механических передач. По ряду своих характеристик РВМ превосходят другие виды передач и находят все более широкое применение в различных областях техники.

РВМ представляют собой планетарные механизмы, в которых вокруг центрального винта расположены резьбовые ролики, установленные в сепараторе внутри охватывающей гайки.

Ряд работ по исследованию отдельных конструкций РВМ выполнен в ЭНИМСе и СТАНКИНе. Основные же работы по разработке общих принципов конструирования, теории и методов расчета сосредоточены во Владимирском государственном университете. Здесь же были разработаны вопросы кинематического, геометрического, силового и прочностного расчетов для кинематических схем РВМ.

Роликовинтовые механизмы планетарного движения широко используются в составе приводов различного назначения (специальная техника, станки, арматура, авто- и авиастроение) вследствие высокой надежности, долговечности, жесткости, КПД и широкого диапазона кинематической передаточной функции (КПФ). Большая гамма данных механизмов, используемых в составе электромеханических приводов, позволяет последним успешно конкурировать с гидравлическими и пневматическими устройствами. Однако использование РВМ в составе прецизионных приводов поступательного перемещения во многом сдерживается нестабильностью КПФ. Это относится к устройствам медицинского назначения (аппараты для чрескостного остеосинтеза, приводы протезов), рулевым приводам судоходной и авиационной техники, регулирующей арматуры и т.д. Для этих механизмов необходима высокая стабильность перемещения выходного звена. В существующих исследованиях стабильности КПФ РВМ большое внимание уделяется зависимостям от погрешностей изготовления и сборки передач. Однако большинство РВМ являются фрикционными передачами, в которых наиболее значимым фактором нестабильности КПФ является изменение фрикционных параметров в сопряжениях. Следовательно, исследования стабильности КПФ РВМ в зависимости от фрикционных и геометрических параметров в контакте, а также создание механизмов с высоким кинематическими характеристиками является важной и актуальной задачей при проектировании и производстве современного технологического оборудования, решению которой посвящена данная работа.

На защиту автором выносятся следующие основные положения работы:

- математическая модель стабильности КПФ РВМ, учитывающая конструктивные особенности исполнительного механизма, а также колебания фрикционных параметров в сопряжении;

- показатели и критерии фрикционной стабильности РВМ;

- аналитические и численные зависимости для определения кинематических параметров РВМ с учетом нестабильности фрикционных характеристик;

- методика и программа автоматизированного синтеза РВМ, позволяющая проектировать роликовинтовые механизмы с заданной КПФ, обладающие высокой фрикционной стабильностью.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Шинаков, Игорь Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена математическая модель стабильности КПФ РВМ, учитывающая конструктивные особенности исполнительного механизма, а также колебания фрикционных параметров в сопряжении. Предложены и обоснованы показатели фрикционной стабильности РВМ, на основе которых разработаны количественные критерии фрикционной стабильности.

2. На основе анализа кинематических характеристик РВМ выявлено принципиальное различие между фрикционными механизмами и механизмами зацеплением. Показано, что механизмы зацеплением представляют узкий класс РВМ, а достаточность сцепления фрикционных механизмов определяется величиной угла трения. Анализ угла трения позволил построить области достаточности сцепления 0 < 8 < п.

3. На основе анализа кинематической передаточной функции РВМ построены диаграммы постоянства значений КПФ и получены приближенные формулы КПФ, для проектирования РВМ. Показано влияния трения на КПФ фрикционных РВМ. На основе анализа кинематических характеристик РВМ с учетом технологических и геометрических ограничений на область существования параметров РВМ построены номограммы для определения КПФ роликовинтовых механизмов, удовлетворяющих критерию фрикционной стабильности.

4. Разработаны структурные и конструктивные схемы РВМ с полным зубчатым замыканием, для которых КПФ является стабильной, и с неполным зубчатым замыканием, для которых КПФ является стабильной в заданных пределах.

5. Проведены экспериментальные исследования стабильности КПФ с самотормозящимися РВМ. Полученные данные подтверждают адекватность разработанных методик расчета и предложенных моделей. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов не превышает 8%.

6. Предложена методика и разработана программа автоматизированного синтеза РВМ, позволяющая проектировать роликовинтовые механизмы с заданной КПФ, обладающие высокой фрикционной стабильностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шинаков, Игорь Владимирович, 2004 год

1. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д. Статика планетарных механизмов. М.: Наука, 1976.

2. Амосов А.П., Грядунов А.Н. Влияние зависимости силы трения от температуры на фрикционный разогрев // Машиноведение №2, 1981. -с. 68-74.

3. Баринов Ю.В. Исследование долговечности шариковых винтовых пар авиационных приводов / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Рига. 1977. с. 149.

4. Беляев В.Г. Винтовые поверхности передачи винт-гайка качения и профилирования инструмента для их обработки // Станки и инструмент, 1971. № 12. с. 6-9.

5. Беляев В.Г. Влияние ошибок монтажа на точность передач винт гайка скольжения // Станки и инструмент, 1969, №8. с.

6. Беляев В.Г. Основы теории расчет и исследование винтовых механизмов качения металлорежущих станков. Автореф. дисс. докт.техн.наук. М.: Станкин, 1979. 16 с.

7. Беляев В.Г. Расчет передачи винт-гайка качения с учетом погрешностей изготовления // Станки и инструмент, 1970. № 11. с. 9-11.

8. Беляев В.Г., Бушенин Д.В., Козырев В.В., Ряховский О.А. Современные винтовые механизмы // Приводная техника, 1998. № 7. с. 2-5.

9. БушенинД.В. Несоосные винтовые механизмы. М.: Машиностроение, 1985,- 112 с.

10. Бушенин Д.В., Морозов В.В., Носатое С.П., Попов Б.К. Проектирование винтовых механизмов. Владимир. ВСНТО, 1982. 52 с.

11. Винокур Ю.Н., Гельман В.Е., Савченко А.П., Фридман М.П. Роликовинтовые передачи. Обзор зарубежных патентов // Химическое и нефтяное машиностроение, 1973, № 5. с. 41-44.

12. Вирабов Р.В. Тяговые свойства фрикционных передач. М.: Машиностроение, 1982. 263 с.

13. Вирабов Р.В., Марков И.Л., Чеботарев М.Ю. Анализ характера контакта в несоосной винтовой паре // Вестник машиностроения, 1992, №5 с. 12—15.

14. Гавриленко В.А. Зубчатые передачи в машиностроении. (Теория эвольвентных зубчатых передач). М.: Машгиз, 1962. 532 с.

15. Гавриленко В.А. Основы теории эвольвентной зубчатой передачи. М.: Машиностроение, 1969. — 432 с.

16. Геккер Ф.Р., Хайралиев С.И. Влияние динамического контактного взаимодействия на силу трения скольжения // Машиноведение, 1985, №5. с. 89-93.

17. Гоголев Б.Б. Разработка методов расчета и проектирования несоосных винтовых механизмов / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Владимир, 1985.21 .ДемкинН.Б. Свойства фрикционного контакта // Трение и износ 1982, №4. с.586-595.

18. Ефремова Г.Л. Исследование прочностных и эксплуатационных характеристик роликовых винтовых механизмов/Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Рига, 1967. 15 с.

19. Ефремова Г.Л. К определению коэффициента полезного действия роликовых винтовых механизмов // Теория передач в машинах. М.: Наука, 1971. с. 96-101.

20. Жданов А.В. Повышение надежности и долговечности роликовинтовых механизмов / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Владимир, 1998. 163 с.

21. Заблонский К.И. Зубчатые передачи. Распределение нагрузки в зацеплении. Киев: Техника, 1977. - 208 с.

22. Зуева Е.В. Разработка методики расчета и проектирования роликовинтовых передач с заданными точностью, жесткостью и стабильностью кинематических передаточных функций / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Владимир, 1993. 144 с.

23. Исследование и разработка планетарной передачи винт гайка качения с резьбовыми роликами. Отчет по теме 16 - 70/1, М.: ЭНИМС, 1971. - 48 с.

24. Каталог роликовинтовых и шариковинтовых передач, изготовляемых фирмой "La Technique Integrale" (Франция) под торговой маркой "Transroll", 165 с.

25. Каталог роликовинтовых и шариковинтовых передач, изготовляемых фирмой «SKF» (Швеция)

26. Каталог роликовинтовых и шариковинтовых передач, изготовляемых фирмой «INA» (Тайвань)

27. Каталог приводов роликовинтовых и шариковинтовых передач, изготовляемых фирмой «INA» (США)

28. Качество машин: Справочникик. В 2 т. Под ред. Суслова А.Г. — М.: Машиностроение, 1995. 256 с.

29. Кинематика, динамика и точность механизмов. / Под ред. Крейнина Г.В. М.: Машиностроение, 1984. - 215 с.

30. Киричек А.В. Комплексное обеспечение качества несоосных винтовых механизмов и тяжелонагруженных резьбовых деталей М.:ИЦ МГТУ СТАНКИН, 2002. - 242 с.

31. Киричек А.В., Лодыгина Н.Д. Напряженное состояние витков деталей НВМ // Теория и практика зубчатых передач. Труды Междунар. конф., Ижевск, 18-20 ноября 1998.-С. 108-113.

32. Ковалев М.П., Народецкий М.З. Расчет высокоточных шарикоподшипников. М.: Машиностроение, 1975. - 280 с.

33. Козырев В.В. Анализ и синтез роликовинтовых передач как исполнительных механизмов электромеханических приводов. / Дисс. на соискание ученой степени докт. техн. наук. Владимир: ВлГУ, 1995. 413 с.

34. Козырев В.В. Сравнение шариковых и роликовых передач винт-гайка // Вестник машиностроения. 1983. № 11. с.31-35.

35. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1982. - 832 с.

36. Королев В.А., Алексеев В.А., Иванов Е.В. Оценка влияния механической передачи на точность перемещения привода подачи прецизионного оборудования // Резьбовой электромеханический привод, научно-практический семинар, Владимир. 1975. с. 34-36.

37. Королев Ю.И. Определение К.П.Д. планетарных передач типа 2К-Н с учетом потерь в опорах, 1968.-е. 50-54.

38. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

39. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения: Справочное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М., Машгиз, 1962. - 220 с.

40. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977 - 526 с.

41. Крейнес М.А., Розовский М. С. Зубчатые механизмы, М.: Наука, 1972 -428 с.

42. Кузнецов В.А., Лукьянов Л.Е., Воробьев А.П., Бушенин Д.В. О некоторых областях возможного существования планетарной зубчато-резьбовой передачи // Резьбовой электромеханический привод, научно-практический семинар, Владимир. 1975. с. 19-20.

43. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука. ГРФМЛ, 1968. 584 с.

44. Марголин Л.В. Планетарная передача винт-гайка качения с резьбовыми роликами // Станки и инструмент, 1970. № I.e. 42-43.

45. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1989. - 224 с.

46. Модзелевский А.А., Соловьев А.В., ЛонгВ.А. Многооперационные станки, М, Машиностроение, 1981. — 216 с.

47. Морозов В.В. Планетарные исполнительные механизмы с винтоРЫми звеньями и моноблочные приводы на их основе // Теория и практика зубчатых передач: Труды Междунар. конф. Ижевск: ИжГТУ, 1998. -с. 331-336.

48. Морозов В.В., Панюхин В.И., Панюхин В.В. Зубчато-винтовые передачи для преобразования вращательного движения в поступательное. -Владимир: ВлГУ, 2000. 160 с.

49. Морозов В.В., Панюхин В.И., Панюхин В.В. Механические передачи: КПД и самоторможение. Владимир: ВлГУ, 2002. - 164 с.

50. Найфе А. Введение в методы возмущений. -М.: Мир, 1984. 535 с.

51. Несоосные винтовые приводы. Отчет о научно-исследовательской работе (ГБ ВС 7/94), Владимир, 1994.

52. Новикова Е.А. Разработка и исследование моноблочных электромеханических приводов с высокой плавностью выходного перемещения / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Владимир, 1999.

53. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. JL: Энергоатомиздат, 1985.

54. Носатое С.П., Марусов В.А., Абарихин Н.П. Определение потерь на трение в несоосной резьбовой передаче // Резьбовой электромеханический привод, научно-практический семинар, Владимир 1975. с. 29-31.

55. Овчинников А.Ю. дисс на соискание ученой степени к.т.н.

56. Панюхин В.В. Исследование самоторможения механизмов и разработка методов проектирования высокоэффективных зубчатых зацеплений с тормозящими профилями: Диссертация на соискание ученой степени докт.техн.наук 05.02.02. Владимир, 1999. - 375 с.

57. Панюхин В.В, Тимофеев Г.А., Самойлова М.В. Исследование тормозящих профилей вспомогательного зацепления для создания высокоэффективных планетарных самотормозящихся передач // Вестник машиностроения. 2003. - № 5. - С. 11-15.

58. Панюхин В.В. Цилиндрические самотормозящиеся передачи, основы теории и расчета: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. 05.02.18. -М, 1987.-196 с.

59. Панюхин В.И. Самотормозящиеся механизмы. Владимир. ВСНТО, 1981.с.57.

60. Панюхин В.И., Морозов В.В. К.П.Д. и условия самоторможения роликовинтовых передач // Известия высших учебных заведений, Машиностроение ,1989, №2, с 38-42.

61. Панюхин В.И., Морозов В.В. Передаточные функции роликовых планетарных передач винт гайка // Известия высших учебных заведений, Машиностроение, 1988, №5, с 31-36.

62. Панюхин В.И., Морозов В.В., Волюшко Ю.С., Зуева Е.В. Стабильность передаточных функций несоосных винтовых механизмов / Владим. политехи, ин-т, 1988. 66 с. Деп в ВНИИТЭМР 14.02.88. № 60 -мш 88.

63. Пинегин С.В. Трение качения в машинах и приборах. М.: Машиностроение, 1976. - 264 с.

64. Пинегин С.В., Орлов А.В. Некоторые пути снижения потерь при обкатывании тел со сложными рабочими поверхностями, «Машиноведение», 1970, №1, с 78-85.

65. Планетарные передачи. Справочник / под ред. Кудрявцева В.Н, Кирдяшева Ю.Н. Л.: Машиностроение, 1977. - 536 с.

66. Полковников В.А., Сергеев А.В. Расчет основных параметров исполнительных механизмов следящих приводов летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1987. 192 с.

67. Попов Б.К. Разработка методов проектирования планетарных ролико-винтовых механизмов по требованиям к выходному коэффициенту полезного действия. / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Владимир, 1987. 185 с.

68. Прокопенко В.А., Федотов А.И. Многооперационные станки, Л.: Машиностроение, 1989.

69. Разработка критериев, методов определения и направлений обеспечения плавности приводов. Отчет о научно-исследовательской работе №790/85(1), Владимир, 1987.

70. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М.: Высш. шк., 1974.-206 с.

71. Решетов JI.H. Расчет планетарных механизмов. М.: Машгиз, 1952. -72 с.

72. Роликовинтовые передачи (область применения, унификация конструкций, вопросы теории и САПР) // Тезисы докладов МПК под ред. Козырева В.В. Владимир. НТО, 1988. с.54.

73. Румишенский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.- 192 с.

74. Силин А.А. Трение и его роль в развитии техники. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1983.- 176 с.

75. Соловьев А.И. КПД механизмов и машин. М., Машиностроение, 1966. -180 с.

76. Справочник по триботехнике / Под ред. Хебды М., Чичинадзе А.В. В 3 т.-М.: Машиностроение, 1989.

77. Станки с числовым программным управлением (специализированные) / Под ред. Лещенко В.А. М.: Машиностроение, 1979. — 592 с.

78. Татаринов В.И. Влияние избыточных связей на К.П.Д. планетарного механизма 1969. 62-68 с.

79. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. Крагельского И.В., Алисина В.В. М.: Машиностроение, 1978.-Кн. 1.-400 с.

80. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. Крагельского И.В, Алисина В.В. М.: Машиностроение, 1979.-Кн. 2.-358 с.

81. Турпаев А.И. Самотормотормозящие механизмы. М.: Машиностроение, 1976.-208 с.

82. Уткин Н.Ф. Приспособления для механической обработки, Л.: Лениздат, 1983.- 175 с.

83. Федотов О.В. дисс на соискание ученой степени к.т.н.

84. Часовников Л.Д. Передачи зацеплением. -М.: Машиностроение, 1969. -486 с.

85. Черная JI.A. Метод синтеза геометрических параметров роликовинтовой планетарной передачи по контактной прочности. / Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Москва. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. -16 с.

86. Шелофаст В. В. Распределение зазоров в реальной шариковой винтовой паре (ШВП) // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1986. № 2. с.61-66.

87. Шинаков И.В. Обеспечение стабильности кинематической передаточной функции РВМ // Проблемы машиностроения на современном этапе: Материалы науч.-техн. конф. механико-технологического факультета / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2003. - с. 77-78.

88. Шинаков И.В., Морозов В.,В. Особенности кинематических характеристик приводов биомеханических тренажеров // Материалы III междисциплинарной конференции "НБИТТ 21" Петрозаводск, 2004. С. 58.

89. ЭрроусмитД., Плейс К. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Качественная теория с приложениями. М.: Мир, 1986. - 243 с.

90. P. Lemor Принцип действия и применение роликовых передач // Tooling "The Journal of the Lang and Tool Industry", Vol.27, №1, 1973.

91. R. Ramesh, M.A. Mannan, A.N. Poo. Error compensation in machine tools (geometric, cutting force induced and fixture - dependent errors) // International Journal of machine Tools & Manufacture, Vol. 40 (2000), p. 1235 - 1256.

92. Rollengewindetriebe sind Erzeugnisse. Baureihe RGT. Schweiz. INA. 1988.

93. X. Daniel Fang, N.J.Lee. A new tooling mechanism for CNC lathes // International Journal of machine Tools & Manufacture, Vol. 41 (2001), p. 89 101.