ШВП, РВП и ходовые винты - в чем ключевые различия?

ШВП и ходовые винты наиболее часто применяются при строительстве станков. Во многих случаях эти передачи не взаимозаменяемы, и встает вопрос поиска компромисса между точностью, жесткостью и нагрузочной способности. Причем очень часто сухие цифры спецификаций не помогают сформировать представление о функциональности той или иной передачи, чтобы сделать выбор. Ниже некоторые специалисты ведущих машиностроительных компаний мира постараются поделиться своим мнением, основанным на живом опыте.

Больше, чем просто ШВП

В машиностроении наиболее часто применяются 3 вида передачи: ШВП, ходовые метрические или трапецеидальные винты и зубчатая рейка (ролико-винтовые передачи). Между ними есть существенные различия. Ходовые трапецеидальные винты базируются на трении скольжения, имеют большую площадь контакта и как следствие - высокую жесткость и грузоподъемность, но очень низкий КПД. Высокое трение также ограничивает скорость передачи. Шарико-винтовые передачи обладают высоким КПД благодаря трению качения. Это позволяет достичь достаточно высоких скоростей, однако жесткость ШВП значительно уступает трапецеидальному винту, и грузоподъемность ШВП тоже намного ниже, чем у ходового винта аналогичного размера - площадь контакта шариков с беговой дорожкой меньше, чем у трапецеидальной резьбы.

Планетарная ролико-винтовая передача (зубчатая рейка для ЧПУ) объединяет в себе плюсы вышеупомянутых передач. Зубчатая рейка РВП обладает большой площадью контакта между резьбой роликов и резьбой винта, что означает больший ресурс и грузоподъемность, чем у ШВП, а также значительно большую жесткость. Поскольку ролики разъединены кольцом по типу планетарной передачи, они не обладают паразитным взаимным трением, как шарики в ШВП(соседние шарики в канале гайки ШВП крутятся навстречу друг другу), и это дает возможность достигать больших угловых скоростей и ускорений винта. И все это - без существенных потерь КПД, так как ролики все же используют трение качения для перемещения по резьбе винта.

Джон Уокер. Вице-президент Exlar.

Всему свое место

Ключевое отличие между ШВП и ходовыми винтами - в том, как нагрузка передается между движущимися поверхностями. ШВП используют рециркулирующие шарики для снижения трения и увеличения КПД, тогда как передача винт-гайка использует трение между резьбами, и, соответственно, никак не может достигнуть эффективности шарико-винтовой пары, КПД которой достигает 90% и выше. Обратившись к трибологии, можно сделать вывод, что трение скольжения по сути своей гораздо хуже поддается расчетам на ресурс, чем передача энергии с использованием шариков(уравнения для усталостной долговечности достаточно репрезентативны). Отсюда, есть фундаментальное отличие в применении ходовых винтов и ШВП - в предсказуемости КПД и ресурса передачи. Однако преимущества ШВП - нагрузочная способность, жесткость, КПД, прогнозируемость - имеют и противовес. Несмотря на то, что отношение цена/качество у шариковых пар весьма высоко, они сложны в производстве, требуют закаленной и прецизионной, качественно обработанной поверхности винта и механизма циркуляции шариков, тогда как передача винт-гайка компактна, проста в монтаже, бесшумна, достаточно устойчива к коррозии и обладает свойством самоторможения (при вертикальном перемещении).

Роберт Липсетт, Thomson BSA/Danaher motion

Сравним?

Фундаментальное различие заключается в том, что в ШВП имеются шарики, благодаря которым в передаче отсутствует трение скольжения, в отличие от обычных винтов подач. Ниже кратко попробуем перечислить плюсы и минусы ШВП:

• меньшая диссипация энергии, т.е. меньшие теплопотери, и как следствие:
• большой КПД(90%, и более, в зависимости от угла подъема беговых дорожек)
• требуется мотор меньшей мощности
• суммарная стоимость владения системой на ШВП за счет большей износостойкости, надежности, высокого КПД - в результате оказывается меньше, чем на трапецеидальных винтах
• а вот стоимость приобретения ШВП - выше
• ШВП лучше подходят для приложений, где требуется высокая производительность(высокие скорости и ускорения, большое кол-во циклов и т.п.)
• Не является самотормозящейся передачей, т.е. способная передавать усилия в обратном направлении - с гайки на вал двигателя. Как следствие:
• Есть проблемы при ипользовании ШВП в вертикальных перемещениях. Зачастую требуются противовесы и/или тормоз нагрузки, для предотвращения падения.
• Обычно ШВП заметно точнее ходовых винтов одной ценовой категории
• Отсутствует "эффект страгивания"(характерный "рывок", проскальзывание в момент начала движения, который свойственен передачам и направляющим с трением скольжения).

Классические передачи винт-гайка базируются на трении скольжения и обладают следующими свойствами:

• Повышенный нагрев области контакта
• Низкий КПД, около 50%, как следствие:
• требуется намного более мощный мотор
• Стоимость владения за счет мощного привода, повышенного износа, низких скоростей и т.п. - выше, чем у ШВП
• Низкая стоимость приобретения
• Малая производительность - максимально достижимые скорости невысоки, идет повышенный износ и т.п.
• Самотормозащаяся передача
• Хорошо подходит для перемещения нагрузки в вертикальном направлении
• Меньшая точность, чем у ШВП аналогичной ценовой категории
• Характерен вышеупомянутый "эффект страгивания".

Клинт Хэйз, маркетинг-менеджер по направлению ШВП. Bosch Rexroth

Это ж-ж-ж - неспроста

Все знают, что трапецеидальные винты обладают низким КПД 40-50%, тогда как ШВП - порядка 90-95. Стоимость дополнительных ваттов мощности привода для более дешевых ходовых винтов - плата за экономию на ШВП, и вполне возможно, что ШВП все же окажется в результате дешевле, ведь ходовые винты приходится менять гораздо чаще - а это и стоимость собственно передачи, и простой станка, упущенная выгода. Из-за трения скольжения ходовые винты генерируют избыточное тепло, и сильно уступают ШВП в повторяемости. Вдобавок, пусть некоторые винты и выпускаются с точностью C5, продукция может вовсе не отвечать заявленным параметрам - трение скольжения медленно, но верно "стирает" всю точность передачи. ШВП гораздо эффективней трапецеидальных винтов в широком спектре приложений. Однако, плавность ШВП имеет и обратную сторону - она не самотормозящаяся. Так что трение скольжение как минимум в этом аспекте играет на руку ходовым винтам - они часто более предпочтительны, если перемещение идет вертикально. Суммируя, можно сказать, что в задачах, где критичны габариты, не требуется высокой точности, больших скоростей, нужно самоторможение - трапецеидальные винты справятся хорошо. Однако, всегда надо помнить, что экономия на стоимости передачи - палка о двух концах, ведь передача с трением скольжения, будучи дешевле ШВП, потребует дополнительных расходов на мощный привод, электроэнергию, простои оборудования во время более частого техобслуживания.

Дэн Пассеро, менеджер по развитию, NSK Precision America

Еще раз о различиях

В общем смысле, шариковая винтовая передача ШВП, зубчатая рейка РВП и трапецеидальные винты - все это передачи типа "винт-гайка". Однако, чтобы правильно применять их, необходимо иметь четкое представление об их различиях. Шарико-винтовые передачи используют специальную резьбу - в виде беговых дорожек для шариков, сделанных на поверхности стального вала. Гайка ШВП, в свою очередь, имеет аналогичные беговые дорожки на своем корпусе, сделанные таким образом, чтобы шарики, циркулирующие в них, с одной стороны сидели в канале жестко, а с другой - легко передавали усилия с дорожек винта на гайку. Ходовые винты используют трапецеидальную резьбу(изобретенную, кстати, уже более 100 лет назад), в них усилия передаются за счет трения скольжения, с контактирующих поверхностей резьб винта и гайки. В ролико-винтовой паре принцип аналогичен ШВП, только усилия передаются с гайки на винт через набор роликов, которые могут вращаться вокруг своей оси. Так достигается значительно большая площадь контакта гайки с винтом, что и обуславливает большую нагрузочную способность РВП.

Производители ШВП указывают данные для статической и динамической осевой грузоподъемности, и точности шага винта. Динамическая грузоподъемность характеризует диапазон нагрузок, при которых винт отходит расчетный ресурс, а точность шага характеризует прежде всего точность всей передачи. Винты ШВП делятся на 2 больших класса - катаные и шлифованные. Шлифованные дороже, точнее, сложнее в производстве, чем катаные.

РВП в большинстве случаев имеют намного большую динамическую грузоподъемность, чем ШВП. Винты РВП как правило все шлифованные и высокопрецизионные, и естественно, роликовые передачи - наиболее дорогие. Трапецеидальные винты обычно самые дешевые, но обладают множеством недостатков, в том числе точность передачи винт-гайка падает со временем из-за износа трущихся поверхностей.

Также надо обращать внимание на следующий момент: точность и повторяемость передачи часто путают. Вполне может быть, что передача обладает высокой повторяемостью, но малой точностью. Шлифованные РВП и ШВП обладают обычно и высокой точностью, и высокой повторяемостью. Следует хорошо изучить все характеристики конкурирующих передач, чтобы не ошибиться в выборе при проектировании станка - завышенные или заниженные требования при составлении техзадания могут привести к излишнему завышению себестоимости продукта или невозможностью достичь заданных характеристик.

Гэри Розенгрен, директор по производству, Tolomatic