Buzdugan I.D., Mogan Gh.L. Proiectarea roboților ficși. Universitatea Transilvania din Braşov

Anexa.T.3.1 Aspecte generale despre cuplele elicoidale cu rostogolire

Descriere

Mecanismele şurub-piuliţă (fig. 1,a) sunt utilizate în construcţia sistemelor mecanice ale produselor mecatronice, în general, pentru transformarea mişcării de rotaţie în mişcare de translaţie.

a b

Fig. 1 Cupla elicoidală cu alunecare: a – schema funcțională; b – cupla elicoidală (filet) cu alunecare

Semnificații notații: s(φ) şi v(ω) - deplasarea şi viteza axială rezultate la rotirea elementului antrenor cu unghiul φ şi, respectiv, cu viteza unghiulară ω; φ(s), ω(v) – rotirea şi viteza unghiulară obţinute la deplasarea antrenorului pe distanţa s şi, respectiv, cu viteza de intrare; d₂ - diametrul mediu al filetului (fig.1,b), d₁ - diametrul interior al filetului, d - diametrul nominal al filetului, M_t(F) = k_f F – momentul de intrare dependent de forţa rezistentă F; k_f = d₂tg(β₂ + φ')/2 pentru sensul de înşurubare şi k_f = d₂tg(β₂ - φ')/2 pentru cel de deşurubare, în care β₂ = arctg(p/πd2), unghiul mediu al filetului şi φ' = arctg(μ/cos(α/2)), unghiul de frecare redus (μ – coeficientul de frecare de alunecare din filet, α – unghiul profilului filetului).

Transformarea şi transmiterea mişcărilor şi, respectiv, forţelor având la bază proprietatea mişcării în cupla elicoidală cu pas constant, materializată de filet, se definesc cu relaţiile:

Principalele dezavantaje ale mecanismelor șurub-piuliță cu filete cu frecare de alunecare (fig. 1,b) din sistemele mecanice ale produselor mecatronice constau în impreciziile cinematice - consecinţă a abaterilor de execuţie, jocurilor iniţiale şi mai ales datorită uzurilor - şi în consumul energetic intern mărit (η < 0,5 pentru funcţionarea cu autofrânare). Diminuarea acestor dezavantaje se realizează prin micşorarea jocurilor şi creşterea randamentului, prin folosirea cuplelor elicoidale cu frecare de rostogolire (fig. 2) (η > 0,8 pentru funcţionarea cu autofrânare).

Fig. 2 Construcţia cuplelor elicoidale cu rostogolire: a – recircularea prin fluxuri paralele; b,c – recircularea printr-un flux peste mai multe spire

Semnificații notații: 1 - şurub cu una, două sau trei căi de rulare elicoidale; 2 - piuliţa, prevăzută cu o cale de rulare elicoidală la interior; 3 - corpurile de rostogolire (de obicei, bile); 4 - subansamblul de recirculare a corpurilor de rostogolire.

De obicei, recircularea peste o spiră se realizează în interiorul cuplei prin intermediul unei piese cu unul sau două canale de ghidare adecvate. Recircularea peste mai multe spire se poate face prin corpul piuliţei (fig. 2,c) sau prin exteriorul acestuia (fig. 2,b), soluţiile fiind aplicabile şi în cazul şuruburulor cu mai multe începuturi.

Formele căilor de rulare, precum şi soluţiile constructive ale cuplelor elicoidale cu rostogolire, în principal, se diferenţiază în funcţie de tipul corpurilor de rostogolire, care pot fi bile sau role cilindrice, butoi, conice (fig. 3,a) şi profilate - filetate (fig.3,b) sau circulare (fig. 3,c). Transmisiile şurub-piuliţă cu role au capacitatea portantă mărită de câteva ori faţă de cele cu bile şi, în plus, o mai mare capacitate de amortizare, toate acestea la gabarite radiale şi axiale mai mari şi la randamente mai scăzute.

Fig. 3 Corpuri de rostogolire pentru cuple elicoidale

Transmisiile şurub-piuliţă cu elemente de rulare bile devin din ce în ce mai utilizate în construcţia sistemelor mecanice de produse mecatronice, deci inclusiv ale roboţilor industriali, datorită următoarelor avantaje:

- constantă de transformare a mişcării mare, conducând la eliminarea transmisiilor reductoare preliminare între motor şi cupla antrenată;

- eliminarea totală a jocurilor prin pretensionare, care, în plus, conduce la rigidităţi şi precizii ridicate;

- pierderi prin frecare scăzute, randamentul poate avea valorile 0,8…0,95 spre deosebire de 0,2…0,4 în cazul tansmisiilor şurub-piuliţă cu alunecare;

- momente de frecare mici la pornire şi în regim staţionar;

- mişcări cu uniformitate mărită deoarece forţele de frecare nu depind de viteză;

- forţele de frecare pot fi uşor reglate prin modificarea valorii forţei de preîncărcare;

- structuri cu dimensiuni şi mase relativ scăzute;

- necesităţi mai scăzute de lubrifiere;

- fiabilitate ridicată.

Pornid de la aceste avantaje, în continuare, se prezintă cu precădere transmisiile şurub-piuliţă care au la bază cuplele elicoidale cu bile.

Gemetria internă cuplelor elicoidale cu rostogolire

Fig. 4 Geometria căilor de rulare: a,b – cu bile; c – ogival; c – trapezoidale; d – semicircular și trapezoidal; f – dreptunghiulare

Semnificații notații: r - raza bilei, r_s - raza profilului căii de rulare a şurubului, rp - raza profilului căii de rulare a piuliţei, d₀ – diametrul de dispunere a corpurilor de rostogolire, β - unghiul elicei la nivelul cilindrului de diametru d₀ şi α - unghiul direcţiei contactelor.

Cuplele elicoidale cu bile care au căile de rulare cu profile linii drepte, simplu de executat, au capacităţi portante mici şi se folosesc cu precădere în transmisii cinematice.

Profilele în arc gotic (ogivale) au avantajul unor diferenţe micşorate între razele de curbură ale suprafeţelor în contact, conducând la creşterea capacităţii portante şi rigidităţii, cu preţul costurilor de execuţie mărite.

Reglarea jocurilor şi pretensionarea cuplelor elicoidale

Datorită abaterilor de execuţie, de montaj şi funcţionale, în cuplele elicoidale cu rostogolire pot apărea jocuri axiale şi radiale, care în cursul exploatării, consecinţă a uzurilor, se măresc şi conduc la funcţionări imprecise şi necorespunzătoare. De obicei, jocurile radiale sunt preluate de cupla de translaţie (ghidajul) ataşată cuplei elicoidale.

Jocurile axiale se preiau în interiorul cuplei, prin menţinerea permanenţei contactelor dintre corpurile de rulare, atât la mersul în gol cât şi în sarcină, prin:

- montarea cu strângere (pretensionare) a corpurilor de rostogolire între căile de rulare ale piuliţei şi şurubului pentru soluţiile din fig. 5 și 4,b,c.

- realizarea de subansamble piuliţă cu două seturi de corpuri de rostogolire pretensionate prin apropierea semipiuliţelor, montaj în "X" (fig. 6,a și 7), sau prin îndepărtarea acestora, montaj în "O" (fig. 6,b și 7).

Fig. 5 Pretensionarea internă

Fig. 6 Sisteme de pretensionare externă: a – pretensionate prin apropierea semipiuliţelor, montaj în "X"; b – pretensionate prin apropierea semipiuliţelor, montaj în "O"

Fig. 7 Pretensionarea externă prin rotire relativă a piulițelor

Reglarea în vederea preluării jocurilor, precum şi pentru realizarea unei forţe de pretensionare impusă, poate fi permanentă sau periodică. Prima variantă presupune reglarea la montaj şi de câte ori este nevoie, prin acţionarea, de obicei, manual asupra dispozitivului de generare forţă internă (fig. 5,b și 6). În cazul celei de-a doua variante, forţa de pretensionare este generată prin reglaje exterioare (v. fig. 7).

Construcţia cuplelor elicoidale cu rostogolire

Din punct de vedere constructiv, cuplele elicoidale se pot diferenţia prin forma corpurilor de rostogolire, modul de realizare a pretensionării şi forma exterioară, determinată cu precădere de modurile de legare a şurubului şi piuliţei la elemente adiacente. Soluţiile constructive interioare ale cuplelor elicoidale sunt diversificate în funcţie de forma corpurilor de rostogolire (v. fig.3). În cazul structurilor mecanice ale sistemelor mecatronice se folosesc cu precădere cuple elicoidale cu bile (fig.2), sau uneori cu role filetate cu profil triunghiular (v. fig.3,d).

Pretensionarea cuplelor elicoidale cu rostogolire se poate face la montajul cuplei, ca urmare a realizării căii de rulare a piuliţei cu două zone marginale cu pasul p, separate de o zonă cu pasul mărit p+Δp (fig.5), sau prin reglarea intermitentă sau automată a poziţiei axiale a două piuliţe ale subansamblului cuplei elicoidale (v. fig. 7).

Forma exterioară a piuliţei este determinată de modalitatea transmiterii forţei la elementele constructive adiacente. În fig. 8 se prezintă o soluție constructivă de legare a cuplei elicoidale prin intermediul unei flanşe fixată, prin şuruburi montate cu joc.

Fig. 8 Soluţii constructive de legare a piuliţelor

În Anexa.PT.1 se prezintă caracteristicile tehnice şi dimensiunile exterioare ale unor subansamble de cuple elicoidale cu rostogolire realizate de firmele THK şi SKF

Ungerea şi protecţia cuplelor elicoidale

În general, pentru ungerea cuplelor elicoidale cu rostogolire se recomandă uleiuri cu vâscozitate ridicată la viteze mici, sarcini mărite şi/sau temperaturi ridicate. Pe de altă parte, se pot utiliza uleiuri cu vîscozitate scăzută cînd exploatarea se face la temperaturi scăzute şi nu apar variaţii mari de temperatură. Pentru protecţia căilor de rulare şi a corpurilor de rostogolire împotriva pătrunderii impurităţilor, se folosesc sisteme de etanşare - cu garnitură (fig.9,a) sau cu perie (fig. 9,b) - sau de etanşare şi protecţie, telescopice sau cu burduf (fig.9,c).

Fig. 9 Protecţia cuplelor elicoidale cu rostogolire