Przekładnie ślimakowe z regulowanym luzem bocznym

Transkrypt

1 Przekładnie ślimakowe z regulowanym luzem bocznym Worm gears with adjustable side clearance WOJCIECH KACALAK MACIEJ MAJEWSKI ZBIGNIEW BUDNIAK * Przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne opatentowanych przekładni ślimakowych, które pozwalają na regulację lub eliminowanie luzu bocznego poprzez zastosowanie innowacyjnych rozwiązań specjalnych konstrukcji ślimaków i ślimacznic. Proponowane rozwiązania stanowią alternatywę dla przekładni falowych lub precyzyjnych przekładni konwencjonalnych. SŁOWA KLUCZOWE: przekładnie ślimakowe, ślimacznica, ślimak, regulacja luzu The article presents engineering solutions of the patented worm gears which allow to adjust or to eliminate the side clearance through the use of innovative solutions to specially designed worms and worm gears. The suggested solutions are alternatives to the strain wave gears or conventional precision gears. KEYWORDS: worm gears, worm wheel, worm, play adjustment Konstrukcyjne sposoby likwidacji luzu bocznego Od mechanizmów występujących w precyzyjnych układach pozycjonowania liniowego lub kątowego oczekuje się pracy bezluzowej. Nawet najdokładniejsze konwencjonalne przekładnie zębate nie zapewnią bezluzowej pracy urządzenia, ponieważ zawsze występuje pewien luz, który wynika z niedokładności wykonania elementów przekładni, niedokładności montażu lub ze zużycia eksploatacyjnego. Niedokładność geometryczną elementów przekładni stanowią odchyłki wymiarów i niedokładności kształtu elementów przekładni. Luz w przekładniach rośnie wraz z postępującym zużyciem współpracujących powierzchni; jest on istotną wadą precyzyjnych układów maszyn i urządzeń. Problemy budowy i eksploatacji przekładni ślimakowych zostały opisane w wielu publikacjach. Na uwagę zasługują prace [25 28, 31, 33, 34, 36]. Bezluzową pracę układu technicznego mogą zapewnić specjalne przekładnie ślimakowe. Do takich rozwiązań należy napęd ślimacznicy dwoma ślimakami, z których każdy współpracuje z inną stroną zębów ślimacznicy. Jednakże do ich napędu potrzebne są skomplikowane mechanizmy wyrównawcze. Zastosowanie dwóch ślimaków stwarza problemy związane ze smarowaniem jednej ze stref zazębienia oraz przyczynia się do zwiększenia objętości przekładni. Wadą tego rozwiązania jest złożoność i kosztowność konstrukcji. Zaletą takiego rozwiązania jest dobra współpraca elementów przekładni przy zmiennych obciążeniach oraz duża trwałość. Tego typu przekładnia może przenosić wysokie obciążenia. Do najprostszych rozwiązań konstrukcyjnych przekładni ślimakowej z możliwością regulacji luzu bocznego należy modyfikacja polegająca na zmianie zamocowania typowego ślimaka w korpusie przekładni. Jedna strona ślimaka zamocowana jest przegubowo, natomiast druga jest przymocowana do mechanizmu regulacyjnego (rys. 1). Za pomocą tego mechanizmu zmienia się odległość ślimaka od koła ślimakowego i można regulować luz w przekładni poprzez zmianę * Prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak (wojciech.kacalak@tu.koszalin.pl), dr hab. inż. Maciej Majewski (maciej.majewski@tu.koszalin.pl), dr inż. Zbigniew Budniak (zbigniew.budniak@tu.koszalin.pl) Wydział Mechaniczny Politechniki Koszalińskiej rozstawu osi. Jednak zmiana odległości osi ma wpływ na charakter zazębienia w przekładni podczas pracy. Ponadto luz w tej przekładni można skasować tylko dla jednego położenia, które jest minimalną wartością luzu przekładni. W innych położeniach zostanie on tylko ograniczony, ponieważ wprowadzenie większej nastawy spowoduje znaczny wzrost nacisków powierzchniowych na zębach w miejscu, gdzie luz przekładni był minimalny. Do wad tego rozwiązania należy także zaliczyć zmniejszanie luzu nie w środku strefy zazębienia, lecz w obszarze skrajnym. Rys. 1. Przekładnia ślimakowa z regulowanym rozstawem osi Nowe rodzaje przekładni ślimakowych z możliwością regulacji lub eliminowania luzu międzyzębnego [1, 23] są wolne od wielu wad rozwiązań znanych wcześniej. Dlatego stanowią dobrą alternatywę dla drogich przekładni falowych lub precyzyjnych przekładni konwencjonalnych. Przekładnia ślimakowa ze ślimakiem dwuskokowym Jedno z najczęściej stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, mających na celu zmniejszenie luzu bocznego w przekładni ślimakowej, polega na zastąpieniu typowego ślimaka ślimakiem dwuskokowym. Według [6] przekładnie ze ślimakiem dwuskokowym są stosowane jako przekładnie podziałowe obrabiarek, podzielnic oraz stołów podziałowych. W wyniku zastosowania dwóch różnych skoków obu stron zwoju ślimak ma zmienną grubość zębów. Zmiana grubości zębów jest liniowa i zależy od różnicy skoków obu powierzchni śrubowych. Zmniejszanie luzu w tej przekładni odbywa się poprzez osiowe przesuwanie ślimaka dwuskokowego względem ślimacznicy. Dodatkowym efektem zastosowania dwóch różnych skoków w ślimakach dwuskokowych jest otrzymanie różnych zarysów zęba po obu jego stronach. Z tego względu w ślimakach dwuskokowych należy stosować różne kąty zarysu, aby nie zmniejszać po jednej stronie zębów ich obszaru użytecznego i nie wywoływać podcięcia zębów ślimacznicy [6, 25]. Do wad tego rodzaju przekładni można zaliczyć konieczność zastosowania dużego przesuwu osiowego ślimaka, w celu zmniejszenia niewielkiego luzu, co może się przyczyniać do zwiększenia gabarytów przekładni. Taka przekładnia ma zmniejszone pole przyporu, przez co spada jej obciążalność lub szybciej następuje zużycie w czasie pracy pod dużym obciążeniem [32]. Poza tym podczas pracy przekładni w zakresie jednego pełnego obrotu ślimacznicy tylko w jednym położeniu jest ona w stanie pracy bezluzowej. Natomiast w innych położeniach ma luz w zazębieniu, którego wielkość jest uzależniona od różnicy skoków różnoimiennych stron powierzchni zwoju ślimaka. Wykonanie ślimacznicy współpracującej ze ślimakiem dwuskokowym jest trudne. Takie ślimacznice powinny być

2 obrabiane specjalnym ślimakowym frezem dwuskokowym. Ze względu na występowanie dwóch różnych kątów zarysu powierzchni bocznych zwoju mniejsza jest możliwość wytworzenia ślimacznicy jako elementu wymiennego [3 6]. Przekładnia ślimakowa z dzieloną ślimacznicą To rozwiązanie polega na tym, że ślimacznica jest podzielona płaszczyzną symetrii prostopadłą do jej osi (rys. 2). Składa się wówczas z dwóch symetrycznych części osadzonych na wspólnej piaście. Grubość zębów zwiększa się poprzez kątowe przemieszczenie podzielonych części [32]. Wzrost grubości zębów ślimacznicy powoduje zmniejszenie luzów w zazębieniu współpracującej pary. Kasowanie luzu może się odbywać samoczynnie, poprzez zastosowanie elementów sprężystych, lub okresowo. Okresowa zmiana nastawy jest trudniejsza i wymaga częściowego demontażu przekładni lub stosowania odejmowalnych pokryw ułatwiających dostęp do elementów nastawczych. W innym rozwiązaniu przemieszczenie kątowe jednej połówki ślimacznicy względem drugiej jest ograniczone oddziaływaniem elementów podatnych, korzystnie tłumiących drgania, w postaci tulejki lub innych odkształcalnych części uwidocznionych w przykładowych rozwiązaniach pokazanych na rys. 3. Kolejne opracowane rozwiązanie pozwala na regulację luzu bocznego poprzez jednoczesne odkształcenie wieńca i przemieszczenie kątowe jednej połówki ślimacznicy względem drugiej, zawierającej elementy podatne tłumiące drgania (rys. 4). Rys. 2. Ukształtowanie elementów tworzących dzieloną ślimacznicę Rys. 4. Przykładowe rozwiązania ślimacznic dzielonych tłumiących drgania z jedną połówką posiadającą odkształcalny wieniec: 1 wieniec koła ślimakowego, 2 szczelina pomiędzy połówkami ślimacznicy, 3 pierwsza połówka ślimacznicy, 4 druga połówka ślimacznicy, 5 element dociskowy, 6 piasta pierwszej połowy ślimacznicy, 7 piasta drugiej połowy ślimacznicy, 8 wkładka gumowa, 9 śruba, 10 przewężenie, 11 wgłębienie, 12 stożkowa powierzchnia docisku, 13 przewężenie obwodowe poprzecznego przekroju pierwszej połówki koła ślimakowego, 14 element sprężysty, 15 nakrętka okrągła Niestety, wadą tego rozwiązania jest niska obciążalność i trwałość przekładni spowodowana nieciągłością linii zębów ślimacznicy. Powstanie nieciągłości oznacza współpracę ślimaka tylko z połową szerokości wieńca ślimacznicy, co jest główną przyczyną ograniczeń w zastosowaniu tego rodzaju przekładni. Wykonanie takiej ślimacznicy jest dość trudne technologicznie ze względu na konieczność zachowania dużej dokładności obu jej połówek. Zaletą tego rozwiązania jest zwartość konstrukcji i elastyczność pracy przekładni przy zmiennych obciążeniach. W celu zmniejszenia niekorzystnego wpływu nieciągłości linii zęba można nieznacznie zmniejszyć kąt pochylenia linii zębów ślimacznicy. Przekładnia ślimakowa z podatną ślimacznicą Jednym z rozwiązań wykorzystujących zmodyfikowaną ślimacznicę jest przekładnia opisana w patencie nr P [17]. Charakterystyczną cechą tej przekładni jest ślimacznica, która na obu bocznych powierzchniach koła ślimakowego ma głębokie pierścieniowe wgłębienia, współśrodkowe z otworem ślimacznicy (rys. 5a). Głębokość wgłębień jest większa od połowy szerokości koła ślimakowego, dlatego mają one różne średnice i tworzą w przekroju poprzecznym dwa przeciwległe po obu stronach przewężenia. Celem wprowadzenia takiej modyfikacji jest uzyskanie podatności promieniowej i osiowej wieńca ślimacznicy [21]. Podatność taką można otrzymać również poprzez wykonanie ślimacznicy z dwóch osobnych elementów wieńca i piasty oraz połączenie ich za pomocą cienkiej ścianki (rys. 5b). Ścianka ta powinna jednak mieć co najmniej jedno faliste wygięcie, współosiowe z wieńcem ślimacznicy [17]. Podatne ślimacznice (rys. 5) mogą być zastosowane w przekładni, w której odległość osi jest tak dobrana, że skutkuje to ustalonym, początkowym Rys. 3. Przykładowe rozwiązania ślimacznic dzielonych z przemieszczeniem kątowym jednej z połówek: 1 wieniec koła ślimakowego, 2 szczelina pomiędzy połówkami ślimacznicy, 3 pierwsza połówka ślimacznicy, 4 druga połówka ślimacznicy, 5 piasta pierwszej połowy ślimacznicy, 6 piasta drugiej połowy ślimacznicy, 7 element sprężysty, 8 sworzeń, 9 nakrętka rowkowa, 10 tulejka dociskowa, 11 nakrętka, 12 podkładka, L luz osiowy elementu podatnego [7], L p długość elementu sprężystego [7], L s długość pasowanej długości sworznia [8]

3 000 MECHANIK NR 7/2014 odkształceniem korpusu i wieńca ślimacznicy. Mogą też zostać wykorzystane w układzie z regulowanym mechanizmem zmiany rozstawu osi. a) b) Jedno z rozwiązań według wspomnianego patentu polega na tym, że element dociskający ma postać pierścieniowej wkrętki, osadzonej na gwintowanej powierzchni piasty koła ślimakowego (rys. 7a). Zaletą tego rozwiązania jest łatwość jego zrealizowania oraz łatwość regulacji luzu. Widok modelu bryłowego tego rozwiązania konstrukcyjnego przedstawiono na rys. 7. a) b) Rys. 5. Podatna ślimacznica: a) z wgłębieniami, b) z elementem łączącym Jednym z takich rozwiązań jest przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębowym, wyposażona w mimośrodowy mechanizm zmiany odległości osi ślimacznicy i ślimaka. Wałek napędzany osadzony jest w tulejach mimośrodowych, które pozwalają przemieszczać go wraz ze ślimacznicą w kierunku prostopadłym do osi. W wyniku tego przemieszczania w strefie zazębienia ślimaka i ślimacznicy następuje stopniowe zbliżenie ślimacznicy do osi ślimaka, co wiąże się z równoczesnym zmniejszaniem luzów obwodowych zębów, aż do oparcia się powierzchni zębów ślimacznicy na zębach ślimaka. Dalsze zbliżanie ślimacznicy w kierunku ślimaka, po zetknięciu się zębów ślimaka i ślimacznicy, powoduje sprężyste odkształcenie się korpusu i wieńca ślimacznicy [17]. Rys. 7. Ślimacznica z wieńcem rozdzielonym obwodową szczeliną: a) ślimacznica, b) złożenie ślimacznicy Autorzy opracowali korzystniejsze rozwiązanie, w którym jedna część ślimacznicy ma odkształcalny wieniec (rys. 8). Odkształcanie tego wieńca następuje przy wykorzystaniu tarczy dociskowej o stożkowej powierzchni docisku z korzystnie podatną powierzchnią roboczą. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy rozdzielonym obwodową szczeliną W przekładni ślimakowej bezluzowej, według polskiego patentu nr P [16], wieniec ślimacznicy jest umieszczony na przewężeniu i podzielony symetrycznie obwodową szczeliną sięgającą do średnicy dna przewężenia. W wyniku tego szerokość wieńca została podzielona na dwie równe części, które można zbliżać do siebie poprzez odkształcanie wieńca za pomocą dociskowego elementu stożkowego w kształcie pierścienia. Rozwiązania konstrukcyjne (rys. 6), w których w wyniku przemieszczania podzielnych części wieńca ślimacznicy następuje zmniejszanie luzu bocznego oraz przemieszczenie się strefy zazębienia w kierunku wierzchołków zębów ślimacznicy, mogą być różne. Ten efekt można uwzględnić na etapie projektowania przekładni, zmniejszając pochylenie linii zębów ślimacznicy o wartość odpowiednią do przewidzianego zakresu regulacji. Jednak to rozwiązanie obarczone jest wadą wynikającą z kątowego przemieszczania obu stron podatnego zęba ślimacznicy [20]. Rys. 6. Różne rozwiązania regulacji luzu w przekładni ze ślimacznicą o wieńcu rozdzielonym obwodową szczeliną: 1 wieniec, 2 szczelina, 3 przewężenie, 4 wgłębienie, 5 7, 9 elementy dociskające, 8 kołnierz, 10, 16 piasta, 11 śruba, 12 odsadzenie śruby, 13, 17 nakrętka, 14 pierścień, 15 nakrętka pierścieniowa [20] Rys. 8. Przykładowe rozwiązania ślimacznicy z jedną połówką mającą odkształcalny wieniec: 1 wieniec koła ślimakowego, 2 szczelina obwodowa ślimacznicy, 3 przewężenie obwodowe poprzecznego przekroju koła ślimakowego, 4 wgłębienie współśrodkowe z otworem ślimacznicy, 5 element dociskowy, 6 piasta koła ślimakowego, 7 śruba, 8 nakrętka, 9 wgłębienie obwodowe pierścienia dociskowego, 10 stożkowa powierzchnia docisku, 11 podkładka, 12 śruba dociskowa Opracowano kolejne rozwiązanie (rys. 9), w którym element dociskający ma postać tarczy z wgłębieniem obwodowym, sprzyjającym zwiększeniu podatności zewnętrznej krawędzi, poprzez którą dociska się odkształcalną stronę wieńca zazębienia. Sprężysty docisk odkształcający część zazębienia powoduje, że możliwa jest lokalna kompensacja luzu bocznego. Rys. 9. Ślimacznica z elementem dociskającym mającym wgłębienie obwodowe

4 Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej Kolejne rozwiązanie pozwalające na zmniejszanie luzu bocznego w przekładni polega na umieszczeniu wieńca ślimacznicy na cienkościennej tulei. Może być to zrealizowane na różne sposoby i znane są takie polskie patenty (P , P , P , P ) [12 15, 20]. Przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębowym według patentu P (rys. 10) charakteryzuje się tym, że ślimacznica ze sprężystym elementem w postaci tulei cienkościennej połączona jest z wałkiem napędzanym. Tuleja cienkościenna ma pogrubione dno z centralnym otworem, umożliwiającym połączenie z wałkiem napędzanym. Wyposażona jest w regulowany, mimośrodowy mechanizm dociskowy, za pomocą którego można dokonywać przemieszczania osi wałka napędzanego wraz z tuleją cienkościenną i wieńcem ślimacznicy w kierunku prostopadłym do osi ślimaka. W wyniku regulacyjnego przemieszczania całego zespołu wraz z wieńcem ślimacznicy w strefie zazębienia następuje stopniowe zbliżanie ślimacznicy do osi ślimaka, z równoczesnym zmniejszaniem się luzów obwodowych przekładni, aż do obwodowego oparcia się powierzchni zębów ślimacznicy na zębach ślimaka [12, 20]. Odpowiednie ukształtowanie cienkościennej tulei umożliwia pożądaną, sprężystą jej deformację, a zwłaszcza wieńca ślimacznicy, pod wpływem osiowych sił ściskających. Siły osiowe, przyłożone do stożkowych powierzchni faz, powodują obwodowe, dośrodkowe przegięcie końców tulei na progach i wymuszają zwiększenie średnicy wieńca ślimacznicy. Tuleja cienkościenna w jednym końcu jest osiowo podparta odpowiednio ukształtowanym kołnierzem opartym na stopniu wałka, a w drugim końcu jest dociskana przez tarczę z wewnętrzną stożkową fazą. Rozwiązanie to umożliwia równomierne, promieniowe przemieszczenie zębów ślimacznicy i ich zbliżenie do zębów ślimaka, a tym samym zmniejszenie luzów. Rys. 11. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na środkowej części tulei cienkościennej: 1 ślimak, 2 wieniec, 3 wał, 4 osiowy mechanizm dociskowy, 5 tuleja cienkościenna, 6, 7 tarcza dociskowa, 8 korpus, 9 wpust [20] Rys. 10. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej: 1 wieniec, 2 wał, 3 tuleja cienkościenna, 4 łożysko, 5 ślimak, 6 dno tulei cienkościennej, 7 kołnierz, 8 korpus, 9 mimośrodowy mechanizm dociskowy, 10 śruba, 11 otwory wydłużone obwodowo, 12 otwór pod klucz hakowy [20] Dalsze zbliżanie współpracujących elementów powoduje sprężyste odkształcenie się tulei cienkościennej i wzrost nacisków powierzchniowych zębów proporcjonalnie do naprężeń tulei, co umożliwia całkowite wyeliminowanie luzów. Zbliżonym rozwiązaniem jest przekładnia ślimakowa według patentu P Charakteryzuje się ona tym, że ślimacznica jest połączona z wałkiem napędzanym przez sprężysty element podatny w postaci tulei cienkościennej, co zapewnia symetrię odkształceń. Istotne jest to, że wieniec ślimacznicy umieszczony jest w połowie długości tulei (rys. 11). Przekładnia wyposażona jest ponadto w regulowany, osiowy mechanizm dociskowy w postaci nakrętki osadzonej na gwintowanym czopie, która poprzez tarcze 6 i 7 o stożkowych powierzchniach dociskowych wywołuje promieniowe odkształcenie tulei wraz z wieńcem ślimacznicy. Wymusza to sprężyste bezstopniowe odkształcenia tulei cienkościennej w niewielkim zakresie i usytuowanego na jej obwodzie wieńca ślimacznicy [13, 20]. Przekładnia ślimakowa do bezluzowego przenoszenia momentów obrotowych według patentu P ma podobną budowę do przekładni ślimakowej z regulowanym luzem międzyzębowym według patentu P Różnica między nimi polega na sposobie kasowania luzu. Wcześniej opisane rozwiązanie posiada mimośrodowy mechanizm do regulacji luzu. Natomiast rozwiązanie przedstawione na rys. 12 charakteryzuje się tym, że rzeczywista, ustalona konstrukcyjnie odległość od osi ślimaka i wałka napędzanego jest mniejsza od połowy sumy średnic podziałowych ślimaka i ślimacznicy, w zakresie wywołującym stałe odkształcenie sprężyste tulei cienkościennej i ślimacznicy. Rys. 12. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej: 1 wieniec, 2 wał, 3 tuleja cienkościenna, 4 ślimak [20] Taka przekładnia umożliwia samoczynne eliminowanie luzów międzyzębowych w strefie zazębienia ślimaka i ślimacznicy, w zakresie wywołanych konstrukcyjnie odkształceń sprężystych tulei cienkościennej przy założeniu sztywnego i nieodkształcalnego wieńca ślimacznicy, albo odkształceń sprężystych tulei cienkościennej i wieńca ślimacznicy przy założeniu stosowania odkształcalnego wieńca ślimacznicy [14, 20].

5 Rozwiązaniem zbliżonym do patentu P jest przekładnia ślimakowa bezluzowa według patentu P , przedstawiona na rys. 13. Wieniec ślimacznicy umieszczony jest na środku tulei cienkościennej, a różnica polega na sposobie kasowania luzu. Przekładnia wyposażona jest w regulowany, rolkowy mechanizm dociskowy, wymuszający sprężyste odkształcenia tulei cienkościennej, w celu bezstopniowego przemieszczania wieńca ślimacznicy w kierunku ślimaka [15, 20]. Rys. 13. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej odkształcanej promieniowo Przekładnia ślimakowa z dzielonym ślimakiem W przekładni ślimakowej według patentu P [10] zastosowano ślimak dzielony, składający się z dwóch ślimaków osadzonych przesuwnie na wspólnym wałku. Obydwa ślimaki mają stożkowe powierzchnie podziałowe, skierowane mniejszymi średnicami ku sobie (rys. 14). Powierzchnia wierzchołków zwoju obu ślimaków ma kształt zbliżony do kształtu powierzchni podziałowej, przy czym zróżnicowanie średnic zewnętrznych na długości uzębionej ślimaków jest większe niż zróżnicowanie średnic podziałowych. Ślimaki oddzielone są sprężyną umożliwiającą regulację ich wzajemnej odległości od siebie za pomocą dwóch łożyskowych nakrętek osadzonych na wałku. Kasowanie luzu polega na osiowym zbliżeniu obu ślimaków do siebie [20]. Tuleja cienkościenna, jako sprężysty element podatny łączący ślimacznicę z wałkiem napędzanym, charakteryzuje się dużą podatnością na odkształcenia promieniowe. Pozwala to na przemieszczanie wieńca ślimacznicy w kierunku ślimaka w celu kasowania luzów międzyzębowych, przy równoczesnym zachowaniu dużej sztywności skrętnej, umożliwiającej utrzymanie wysokiej dokładności kinematycznej przenoszenia momentu obrotowego. Regulowany, rolkowy mechanizm dociskowy zapewnia możliwość kontrolowanego, bezstopniowego przemieszczania wieńca ślimacznicy łatwego w realizacji i pewnego w działaniu. Każde rozwiązanie powoduje zbliżenie się obwodu ślimacznicy do osi ślimaka. Dzięki deformacji tulei można osiągnąć nawet zupełną eliminację luzów wynikających z niedokładności elementów i odchyłek położenia. Gdy docisk jest zbyt duży, następuje całkowite skasowanie luzu, zęby ślimacznicy opierają się o ślimak i dodatkowo występuje sprężysta lokalna deformacja tulei. Negatywnym skutkiem zbyt dużego docisku jest wzrost nacisków powierzchniowych między zębami ślimaka i ślimacznicy. Przekładnia ze ślimakiem o powierzchni podziałowej ze zmienną średnicą W kolejnej grupie rozwiązań konstrukcyjnych przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym wprowadzono modyfikacje ślimaków. Jedną z nich jest przekładnia według patentu P [10] ze zmienioną geometrią powierzchni podziałowej ślimaka. Zamiast walcowej powierzchni podziałowej ślimak ma obrotową powierzchnię podziałową o stopniowo zmieniającej się średnicy. Powierzchnia wierzchołków zwojów ślimaka ma kształt zbliżony do kształtu powierzchni podziałowej, przy czym zróżnicowanie średnic zewnętrznych na części uzębionej ślimaka jest mniejsze niż zróżnicowanie średnic podziałowych [20, 32]. W innym rozwiązaniu ślimak ma beczkowatą powierzchnię podziałową, przy czym różnice średnic zewnętrznych są mniejsze niż różnice średnic podziałowych. Przekładnia tego rodzaju zalecana jest w przypadku, gdy kierunek obrotów pozostaje niezmienny, a położenie ślimaka względem ślimacznicy zależy od kierunku obrotów. W rozwiązaniu, w którym przekładnia ma jeden ustalony kierunek obrotów, większa średnica powierzchni podziałowej ślimaka powinna znajdować się w strefie wychodzenia zębów ślimaka z zazębienia ze ślimacznicą. Takie położenie ślimaka, zdaniem autora [10, 20], pozwala na wydłużenie pola przyporu. Kasowanie luzu w przedstawionych rozwiązaniach odbywa się przez osiowe przemieszczenie ślimaka względem ślimacznicy, podobnie jak w przekładni ze ślimakiem dwuskokowym. Należy pamiętać o uwzględnieniu kierunku przemieszczania się ślimacznicy, gdy ślimak ma beczkowatą powierzchnię podziałową. W przekładni tej zmniejszenie luzu polega na przesuwaniu ślimaka w kierunku przeciwnym do kierunku przemieszczania się ślimacznicy w strefie zazębiania. Rys. 14. Widok bezluzowej przekładni ślimakowej z dwoma przesuwnymi ślimakami Wiele zalet eksploatacyjnych ma przekładnia ślimakowa według patentu P [11] z mechanizmem do osiowej regulacji przesuwu ślimaka. Przekładnia ta ma dwa ślimaki o przeciwnym kierunku zwojów, usytuowane równolegle obok siebie i sprzężone ze sobą za pomocą przekładni zębatej bezluzowej znajdującej się między wałkami tych ślimaków. Co najmniej jeden ślimak ma mechanizm do osiowej regulacji położenia. Każdy z dwóch ślimaków zazębiony jest z jedną osobną ślimacznicą. Obie ślimacznice osadzone są na wspólnym wale. Niewielkie przesunięcia osiowe gwarantują zmniejszenie luzu. Kolejne ważne zalety tej przekładni to możliwość regulacji luzu bez demontażu przekładni oraz jej efektywna praca w przypadku zmiany kierunku obrotów. Jednak wykonanie ślimaka stożkowego jest trudniejsze niż ślimaka dwuskokowego. Technologia wykonania ślimaków stożkowych stwarza wiele problemów [29]. Przekładnia ze ślimakiem mającym osiowy otwór wewnętrzny W przekładni ślimakowej o tej konstrukcji zastosowano ślimak z osiowym otworem wewnętrznym, dlatego grubość ścianki między powierzchnią otworu a walcem dna wrębów jest niewielka. Dzięki temu poprzez oddziaływanie elementem rozpierającym można wskutek odkształcenia sprężystego powiększać nieznacznie średnicę ślimaka w strefie zazębienia ze ślimacznicą, co powoduje zmniejszenie luzu w przekładni. Wadami tego rozwiązania są bardzo mały zakres regulacji luzu, niewielka obciążalność przekładni oraz skomplikowana konstrukcja układu rozpierającego. Dodatkowo, ponieważ układ rozpierający musi znajdować się wewnątrz ślimaka, ten sposób minimalizacji luzów nie może być stosowany do przekładni o małych średnicach ślimaków [20]. Przekładnia z lokalnie podatnym osiowo ślimakiem Kolejnym rozwiązaniem ze zmodyfikowanym ślimakiem jest przekładnia ślimakowa bezluzowa według patentu nr [9]. Ślimak ma wydrążony osiowy otwór o średnicy równej lub nieco większej od średnicy dna wrębów. Najważniejszym elementem tego rozwiązania jest przecięcie dna zwoju wzdłuż linii śrubowej tylko w środkowej części ślimaka (rys. 15). Dzięki temu ślimak w środkowej części staje się specyficzną sprężyną o utwierdzonych końcach, charaktery-

6 zującą się dużą sztywnością osiową. W wyniku tego przecięcia ślimak jest lokalnie podatny w kierunku osiowym i może być ściskany lub rozciągany. Tak wykonany ślimak osadzony jest suwliwie na trzpieniu (rys. 16) i jednym końcem ustalony osiowo oraz zabezpieczony przed obrotem względem trzpienia. To zamocowanie umożliwia przemieszczanie drugiego (swobodnego) końca ślimaka w kierunku osiowym za pomocą mechanizmu przesuwu. Rys. 15. Ślimak podatny lokalnie osiowo Przekładnia ma mechanizm przesuwny, który zapewnia odkształcenia bezrdzeniowej części ślimaka. Przez ściskanie ślimaka dokonuje się zmiany podziałki, a zatem reguluje się wartość luzu. Długość części ślimaka, która ma rozcięte dno wrębu wzdłuż linii śrubowej, zależy od długości strefy zazębienia oraz warunków eksploatacji i musi być mniejsza od długości części uzębionej ślimaka [18, 20, 21]. Zaletą tej przekładni jest prostota konstrukcji i łatwość regulacji luzu bocznego, której można dokonać nawet podczas pracy przekładni. Ma dobre warunki smarowania między obciążonymi stronami zębów w strefie zazębienia, niezależnie od kierunku pracy przekładni. Podatność bezrdzeniowej części uzębienia ślimaka (rys. 16) wpływa korzystnie na zmniejszenie nadwyżki dynamicznej i tłumienie drgań. Na tłumienie drgań można ponadto wpływać poprzez wprowadzenie elastycznego materiału w rowek powstały po przecięciu dna zwoju [19]. Rys. 16. Przekładnia ślimakowa ze ślimakiem podatnym lokalnie osiowo Aby poprawić właściwości eksploatacyjne przekładni tego typu, stosuje się dodatkowo modyfikację zarysu zębów ślimaka [7, 20, 22, 23]. Polega ona na zmniejszeniu promienia krzywizny boków zębów, co powoduje zwiększenie ich wypukłości. Wprowadzenie takiej modyfikacji sprzyja ograniczeniu lokalnych przemieszczeń rzeczywistej strefy zazębienia. W innym rozwiązaniu [24], z myślą o ograniczeniu możliwości niekorzystnego zbyt dużego przesunięcia osiowego jednego z końców ślimaka, czyli zbyt dużego skrócenia skoku w części środkowej, wprowadzono dodatkowo możliwość odkształceń promieniowych w tej strefie. Następuje to w wyniku osadzenia ślimaka na trzpieniu, który w części środkowej ma nieco mniejszą średnicę (rys. 16). Wyniki badań W pomiarach zarysu zębów ślimaka można wykorzystać przyrządy do dokładnych pomiarów współrzędnych lub metodę według patentu [8, 19]. Wyniki badań luzu bocznego dla jednej z badanych przekładni [24] z osiowo i promieniowo podatnym ślimakiem dla różnych nastaw regulacyjnych przedstawiono na rys. 17. Wartość luzu dla zerowej nastawy regulacji wynosiła średnio ok. 40 µm, a dla nastawy największej Δ = 150 µm zmniejszyła się do ok. 5 µm, przy czym rozstęp wartości luzu zmniejszył się z 30 µm do 2 µm. Rys. 17. Wykres zależności luzu bocznego od kątowego położenia ślimacznicy dla różnych nastaw regulacyjnych Δ (ściśnięcia osiowego) przekładni [2] Podsumowanie Problemy z modyfikacją zarysu zębów ślimaków były tematem prac [25, 26, 28, 30, 33, 36] oraz ich zastosowań [27, 31, 34, 35], w tym również w zadaniach związanych z kształtowaniem narzędzi. Przedstawione rozwiązania konstrukcyjne opatentowanych przekładni ślimakowych pozwalają na regulację lub eliminowanie luzu bocznego poprzez zastosowanie innowacyjnych konstrukcji ślimaków i ślimacznic. Te rozwiązania stanowią dobrą alternatywę dla stosowanych obecnie przekładni falowych lub precyzyjnych przekładni konwencjonalnych. W przypadku wielu z przedstawionych przekładni ślimakowych przeprowadzono badania symulacyjne i eksploatacyjne oraz wykazano, że można uzyskać korzystne efekty. Na podstawie badań eksperymentalnych i analiz numerycznych sformułowano następujące wnioski: Analiza odchyłek wymiarów i kształtu współpracujących elementów oraz odchyłek ich wzajemnego położenia pozwala na prognozowanie wartości luzu bocznego przekładni przed jej montażem. Opracowane nowe konstrukcje przekładni ślimakowej, w tym ze ślimakiem lokalnie podatnym osiowo i promieniowo, pozwalają na skuteczne, znaczne zmniejszenie luzu bocznego oraz rozproszenia wartości luzu. Podatność osiowa w tych przekładniach przyczynia się do zmniejszenia średniej wartości luzu i rozproszenia jego wartości. Podatność promieniowa ułatwia samoczynne zmniejszanie lokalnych zmian wartości luzu bocznego. Przeprowadzone badania wykazały, że dla dokładnych przekładni o modułach m = 2 4 możliwe jest zmniejszenie wartości średniej luzu bocznego do 7,5% wartości początkowej (od 40 do 3 µm) oraz nawet dwudziestokrotne zmniejszenie odchylenia standardowego luzu (od 13 do 0,6 µm). Lokalne ugięcia promieniowe zwoju ślimaka nie wpływają niekorzystnie na dokładność kinematyczną przekładni, a powiększenie sztywności osiowej ślimaka z przeciętym lokalnie dnem zwoju, poprzez przyjęcie większej wartości modułu, pozwala uzyskać wystarczającą obciążalność przekładni. Znając wartość obciążenia przekładni oraz zakładając wartość wymaganej dokładności kinematycznej przekładni, można określić graniczną podatność ślimaka. Opracowane przekładnie można z powodzeniem stosować w mechanizmach do precyzyjnego pozycjonowania stolików układów pomiarowych, w precyzyjnych urządzeniach technologicznych, oprzyrządowaniu technologicznym oraz w przypadku miniaturyzacji również w mechanizmach odpornych na trudne warunki pracy. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/05/B/ST8/02802.

7 LITERATURA 1. Biedny D., Kacalak W. Cechy eksploatacyjne przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym. XXII Sympozjon Podstaw Konstrukcji Maszyn, Gdynia Jurata 2005, t. II, referaty sesyjne i plakatowe, s Biedny D. Podstawy regulacji luzu bocznego i doboru parametrów geometrycznych przekładni ślimakowej ze ślimakiem strefowo podatnym osiowo i promieniowo. Praca doktorska. Politechnika Koszalińska 2007 (niepublikowana). 3. Gnat K. Obwiedniowe frezowanie uzębień ślimacznic pojedynczym nożem. Cz. 1. Mechanik nr 5 6/1990, s Gnat K. Obwiedniowe frezowanie uzębień ślimacznic pojedynczym nożem. Cz. 2. Mechanik nr 7 8/1990, s Gnat K. Spezifische Probleme beim Walzfresen von Schneckenradern mit Einzel-Meisseln ( Specyficzne problemy frezowania obwiedniowego kół ślimakowych pojedynczym ostrzem ). Werkstatt und Betrieb, 1990, 123, No. 10, pp Gnat K. Frezowanie pojedynczym nożem ślimacznic współpracujących ze ślimakami dwuskokowymi. Mechanik, nr 1/1998, R. 71, s Kacalak W. Profilmodifikation geschliffener Gewindeschnecken. Werkstatt und Betrieb 1984, Vol. 117, pp Kacalak W., Lewkowicz R., Lechowski T. Sposób pomiaru niedokładności zarysu powierzchni śrubowej ślimaka oraz urządzenie do jego realizacji. Patent nr , 1986 r. 9. Kacalak W. Przekładnia ślimakowa. Patent nr , 1988 r. 10. Kacalak W., Lubiński A. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1989 r. 11. Kacalak W., Derkacz A., Tatoń J. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1989 r. 12. Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S. Przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym. Patent nr , 1990 r. 13. Kacalak W., Ryckiewicz J. Precyzyjna przekładnia ślimakowa. Patent nr , 1990 r. 14. Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S. Przekładnia ślimakowa do bezluzowego przenoszenia momentów obrotowych. Patent nr , 1990 r. 15. Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1990 r. 16. Kacalak W. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1992 r. 17. Kacalak W. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Zgłoszenie patentowe nr , 1993 r. 18. Kacalak W., Lewkowicz R. Nowe rozwiązania przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna: Koła Zębate KZ 1993 Wytwarzanie, pomiar, eksploatacja. PAN, Poznań 1993, s Kacalak W., Lewkowicz R. Neue Lösungen für Schneckengetriebe mit geregeltem Seitenspielraum. ANT Antriebstechnik Mainz, Niemcy, Kacalak W. Wybrane problemy konstrukcji i technologii precyzyjnych przekładni ślimakowych. Monografia Wydziału Mechanicznego nr 51, Koszalin Kacalak W. Wybrane problemy budowy i eksploatacji przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym. Łódź Arturówek : Politechnika Łódzka, s Kacalak W., Biedny D. Selected problems of side play adjustment in worm gear with zonary flexible worm ( Wybrane problemy regulacji luzu bocznego w przekładni ślimakowej ze ślimakiem strefowo podatnym ). Advances In Manufacturing Science And Technology, Vol. 28, No. 3, 2004, pp Kacalak W., Biedny D. Przekładnie ślimakowe z regulowanym luzem bocznym. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna KOŁA ZĘBATE 2004, Wytwarzanie, pomiary, eksploatacja. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, nr 217, Mechanika, z. 64, s Kacalak W., Biedny D. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 2005 r. 25. Kornberger Z. Przekładnie ślimakowe. Warszawa: WNT Marciniak T. Geometrical Analysis of Tools for Worm Wheels Cutting. International Conference Development of Metal Cutting DMC 98, Koszyce, Słowacja 1998, pp Marciniak T. Obciążalność zazębienia przekładni ślimakowych. Zeszyty Naukowe nr 934, Politechnika Łódzka, Łódź, Marciniak T. Technologia przekładni ślimakowych. Łódź: Politechnika Łódzka. Radom: Państwowy Instytut Badawczy, Instytut Technologii Eksploatacji, Nieszporek T. Analiza zarysu osiowego ślimaków stożkowych obrabianych frezem palcowym stożkowym. Mechanik, nr 1/1999, s Ochęduszko K. Koła zębate [w:] Konstrukcja. T. I. Warszawa: WNT Sabiniak H.G. Teoria i praktyka eksploatacji przekładni ślimakowych. Monografie Politechniki Łódzkiej, Łódź Schoo A., Rauhut A., Funk F. Chervjachnye peredachi s reguliruemym bokovym zazorom, ( Przekładnie ślimakowe z regulacją luzu bocznego ). Det.Mash.(EhI), 1992, No. 18, Ref. 28, pp Skoczylas L. Synteza geometrii zazębienia walcowych przekładni ślimakowych ze ślimakiem o dowolnym zarysie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Staniek R. Poprawa dokładności i dynamiki pozycjonowania stołów obrotowych sterowanych numerycznie. Mechanik, nr 2/2002, s Thyssen W., Sackingen B. Process and device for dressing a grinding worm and for grinding pre-cut toothed workpiece. Patent nr US (2002), DE (2000, 2009). 36. Yuan Q., Sun D.C., Brewe D.E. Effect of worm gear geometry on its contact properties. Tribology Transactions, Vol. 39, No. 1 (1996), pp