Innowacyjne przekładnie ślimakowe do zastosowań w precyzyjnych mechanizmach i napędach

Transkrypt

1 LOSOWOŚĆ ODCHYŁKI SKOKU KACALAK Wojciech 1 MAJEWSKI Maciej 2 BUDNIAK Zbigniew 3 Innowacyjne przekładnie ślimakowe do zastosowań w precyzyjnych mechanizmach i napędach 1 TECHNOLOGICZNE SPOSOBY MINIMALIZACJI LUZU BOCZNEGO Współczesnym przekładniom stawia się coraz wyższe wymagania dotyczące dużej dokładności kinematycznej lub wymagania bezluzowej pracy przekładni, zwłaszcza w mechanizmach precyzyjnych przemieszczeń i układów pozycjonujących. Dlatego w wytwarzaniu przekładni o wysokiej dokładności kinematycznej wykorzystywanych w środkach transportu konieczne jest stosowanie technologii [10-24] zapewniających minimalizację odchyłek skoku i odchyłek zarysu. Metody minimalizacji odchyłek wymiarów polegają głównie na zastosowaniu najnowszych środków technicznych zapewniających wysoką dokładność obróbki lub nowych metod szlifowania. Zaznaczyć trzeba jednak, że koszty wytworzenia precyzyjnych przekładni rosną wykładniczo wraz ze wzrostem dokładności podziałki i skoku. Podczas szlifowania powierzchni śrubowych na dokładność obróbki wpływa wiele czynników, które powodują zmiany położenia powierzchni ściernicy względem szlifowanej powierzchni. Należą one do dwóch grup: czynników niezależnych (rys. 1) i zależnych (rys. 2) od parametrów szlifowania [20]. Głównymi przyczynami powstawania systematycznych zmian odchyłki skoku obrabianego przedmiotu są niedokładności geometryczne obrabiarki, odkształcenia cieplne i mechaniczne szlifowanego przedmiotu oraz obrabiarki. Ważniejszymi przyczynami wywołującymi lokalne, losowe lub harmoniczne zmiany odchyłki skoku jest bicie osiowe wrzeciona przedmiotu, niedokładność łańcucha kinematycznego obrabiarki oraz odchyłki osiowe wrzeciona przedmiotu [20]. Największy wpływ na odchyłkę skoku mają odkształcenia cieplne przedmiotu obrabianego (rys. 3), cieplne i mechaniczne odkształcenia śruby pociągowej oraz bicie osiowe śruby pociągowej i wrzeciona przedmiotu. WAŻNIEJSZE PRZYCZYNY ODCHYŁKI SKOKU NIEZALEŻNE OD PARAMETRÓW SZLIFOWANIA BICIE OSIOWE WRZECIONA PRZEDMIOTU ODCHYŁKI SKOKU I BICIE OSIOWE ŚRUBY POCIĄGOWEJ BICIE PROMIENIOWE WRZECIONA PRZEDMIOTU OBRABIANEGO ODKSZTAŁCENIA CIEPLNE ŚRUBY POCIĄGOWEJ ODCHYŁKA POŁOŻENIA OSI PRZEDMIOTU WZGLĘDEM KIERUNKU RUCHU STOŁU NIEDOKŁADNOŚĆ ŁAŃCUCHA KINEMATYCZNEGO ŚRUBA POCIĄGOWA WRZECIONO PRZEDMIOTU LUB INNEGO SYSTEMU POZYCJONOWANIA ZDETERMINOWANA ZMIENNOŚĆ ODCHYŁKI WZDŁUŻ DROGI SZLIFOWANIA Rys. 1. Ważniejsze przyczyny odchyłki skoku szlifowanej powierzchni śrubowej niezależne od parametrów procesu obróbki 1 Prof. dr hab. inż. W. Kacalak, profesor zwyczajny, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny. Tel: , wojciech.kacalak@tu.koszalin.pl 2 Dr hab. inż. M. Majewski, profesor nadzwyczajny, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny. Tel: , maciej.majewski@tu.koszalin.pl 3 Dr inż. Z. Budniak, adiunkt, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny. zbigniew.budniak@tu.koszalin.pl 5027

2 LOSOWOŚĆ ODCHYŁKI SKOKU WAŻNIEJSZE PRZYCZYNY ODCHYŁKI SKOKU ZALEŻNE OD PARAMETRÓW SZLIFOWANIA ZUŻYCIE WYMIAROWE ŚCIERNICY CIEPLNE I MECHANICZNE ODKSZTAŁCENIA ŚRUBY POCIĄGOWEJ LUB ODCHYŁKI POZYCJONOWANIA ODKSZTAŁCENIA MECHANICZNE PRZEDMIOTU I OBRABIARKI ODKSZTAŁCENIA CIEPLNE SZLIFOWANEGO ŚLIMAKA ZDETERMINOWANA ZMIENNOŚĆ ODCHYŁKI WZDŁUŻ DROGI SZLIFOWANIA Rys. 2. Ważniejsze przyczyny odchyłki skoku zależne od parametrów szlifowania Ze względu na wpływ wielu czynników zakłócających proces szlifowania długich powierzchni śrubowych (ślimaki) stosuje się odpowiednie technologie zapewniające minimalizację odchyłek skoku. Ponadto stosowane są dodatkowe zabiegi sprzyjające zwiększeniu dokładności obróbki. Jednym z głównych, a przy tym tanich sposobów jest wprowadzenie chłodzenia strefy obróbki oraz dodatkowo chłodzenia obrobionej już części powierzchni [20]. Dzięki wprowadzeniu wydajnego źródła chłodzenia (układ chłodzenia płynu obróbkowego) można ograniczyć przyrost temperatury obrabianego przedmiotu do kilku stopni Celsjusza. Ogranicza się przez to zakłócenia procesu szlifowania związane z odkształceniami cieplnymi obrabianego przedmiotu i szlifierki. Istotny jest również optymalny dobór parametrów obróbki. Poprzez właściwy ich dobór można wpływać również na zmniejszenie odkształceń cieplnych obrabianego przedmiotu. Zwiększenie prędkości posuwu obwodowego szlifowanego przedmiotu wiąże się ze zwiększeniem wydajności procesu, a dzięki temu, że źródło ciepła przemieszcza się szybciej zmniejsza się czas przejmowania ciepła przez przedmiot i powoduje to, że przyrost temperatury jest mniejszy. Dla ustalonej wydajności obróbki można wówczas zmniejszyć głębokość szlifowania, co dodatkowo korzystnie wpływa na zmniejszenie odkształceń cieplnych. ΔT ucpft v s ΔT(x 1 ) ΔTśr αpβa ucpft vs ΔTśr [1 exp( αpβat/(mpc p ))] t αpβa r t j obniżenie temperatury podczas powrotu jałowego wzrost temperatury podczas przejścia roboczego numer przejścia strefa szlifowaniapołożenie źródła ciepła 1 kierunek ruchu źródła ciepła x t Rys. 3. Zmiana średniej temperatury przedmiotu podczas szlifowania powierzchni śrubowej w kolejnych przejściach [20] 5028

3 W celu podwyższenia dokładności obróbki opracowywane są również nowe metody szlifowania. Nowa metoda precyzyjnego szlifowania powierzchni śrubowych [20] polega na sterowaniu wzajemnym położeniem przedmiotu i ściernicy podczas obróbki. Zadaniem sterowania jest przemieszczenie przedmiotu wzdłuż jego osi w celu kompensacji odkształceń cieplnych obrabianego przedmiotu i obrabiarki. W szlifowaniu dokładnych powierzchni śrubowych ściernica przemieszcza się w kierunku od konika do wrzeciennika. W pierwszym przejściu wydłużenie cieplne podczas szlifowania następuje głównie w tej części przedmiotu od strony konika, która była już szlifowana. Kompensacja odkształceń cieplnych przedmiotu polega na tym, że kieł konika dociska się sprężyście do prawego nakiełka przedmiotu początkowo z siłą, 10 do 20 razy większą od osiowej siły szlifowania, a następnie, wraz z przesuwaniem się ściernicy w kierunku do wrzeciennika przedmiotu, zmniejsza się siłę docisku kła do pewnej wartości minimalnej, 5 do 7 razy większej od składowej osiowej siły szlifowania. W wyniku tego kieł konika przemieszcza się stopniowo wraz z wydłużaniem się przedmiotu szlifowanego, tak, aby kieł wrzeciennika nie został przesunięty w lewo wskutek wydłużenia cieplnego przedmiotu. W przejściu drugim i przejściach następnych szlifowany przedmiot posiada wyższą temperaturę i w związku z tym jego długość jest większa. Przed każdym następnym przejściem wywołuje się początkowe przemieszczenie osiowe przedmiotu szlifowanego, zamocowanego w kłach, w kierunku wrzeciennika przedmiotu, o wartość odpowiadającą sumie wydłużeń w poprzednich przejściach. Następnie, w czasie kolejnego przejścia, wraz z przesuwaniem się ściernicy w kierunku od konika do wrzeciennika przedmiotu przemieszcza się stopniowo przedmiot szlifowany wzdłuż osi kłów w kierunku konika, przemieszczając w tym samym kierunku kieł konika i zmniejszając początkowe przemieszczenie przedmiotu szlifowanego do wartości minimalnej bliskiej zera. Wartość przemieszczenia w trakcie przejścia ściernicy uzależnia się od jej położenia wzdłuż osi przedmiotu szlifowanego według funkcji określanej eksperymentalnie. Na dokładność obrabianego przedmiotu ma wpływ również charakterystyka ściernicy. Czas pracy ściernicy w jednym przejściu jest długi i narzędzie powinno charakteryzować się odpowiednią trwałością. Stosowanie narzędzi z materiałów supertwardych, które charakteryzują się wysoką trwałością sprzyja zwiększeniu dokładności obróbki. Wskazane jest również wykorzystanie w procesie precyzyjnego szlifowania nowoczesnych systemów diagnostyki procesu i systemów kontroli stanu narzędzia. Są to elementy, z którymi wiążą się już większe koszty, ale niewątpliwie mają one wpływ na uzyskanie dokładnych elementów. W warunkach bardzo wysokich wymagań, dotyczących dokładności obróbki zaleca się, aby cały proces obróbki odbywał się w klimatyzowanym pomieszczeniu z użyciem nowoczesnych obrabiarek CNC, wyposażonych w specjalne układy chłodzenia węzłów łożyskowych lub śrub pociągowych. Odchyłki zarysu spowodowane są niedokładnością geometryczną i kinematyczną szlifierki, odkształceniami układu technologicznego, niedokładnością położenia pozycjonowanych elementów szlifierki oraz niedokładnością zarysu ściernicy (rys. 4). Wszystkie przyczyny odchyłek zarysu sprowadzają się do trzech grup przyczyn: odchyłki kąta pochylenia linii śrubowej, odchyłki kąta pochylenia osi ściernicy, odchyłki zarysu ściernicy. Główną przyczyną odchyłki zarysu szlifowanej powierzchni śrubowej jest niedokładność zarysu ściernicy. Istotny wpływ ma jeszcze odchyłka kąta pochylenia osi ściernicy. Natomiast wpływ przesunięcia pionowego przedmiotu, odchyłki skoku, odchyłki średnicy podziałowej jest w precyzyjnym szlifowaniu pomijalnie mały, zazwyczaj jest mniejszy niż 0,1μm. 5029

4 PRZYCZYNY ODCHYŁKI ZARYSU POWIERZCHNI ŚRUBOWEJ ŚLIMAKA NIEDOKŁADNOŚĆ GEOMETRYCZNA SZLIFIERKI NIEDOKŁADNOŚĆ KINEMATYCZNA SZLIFIERKI ODKSZTAŁCENIA UKŁADU TECHNOLOG. NIEDOKŁADNOŚĆ NASTAW ODCHYŁKA ZARYSU ŚCIERNICY ODCHYŁKA POŁOŻENIA OSI PRZEDMIOTU BŁĘDY KINEMAT. ŁAŃCUCHA SP-WR NIEDOKŁAD. NASTAW PRZYRZĄDU DO OBCIĄG. ODCHYŁKA PO OCIĄGANIU ODCHYŁKA POŁOŻENIA OSI ŚCIERNICY BŁĘDY KINEMAT. ŚRUBY POCIĄGOWEJ ZUŻYCIE KSZTAŁTOWE ODCHYŁKA KĄTA POCHYLENIA LINII ŚRUBOWEJ ODCHYŁKA KĄTA POCHYLENIA OSI ŚCIERNICY ODCHYŁKA ZARYSU ŚCIERNICY Rys 4. Przyczyny odchyłek zarysu szlifowanej powierzchni śrubowej ślimaków walcowych [20] Przyczyny odchyłek zarysu ściernicy można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej należą przyczyny związane z procesem przygotowania ściernicy. Zalicza się do nich niedokładność geometryczną i kinematyczną układu do kształtowania powierzchni czynnej ściernicy, odkształcenia układu do kształtowania powierzchni czynnej ściernicy oraz niedokładność nastawienia i położenia przemieszczalnych zespołów tego układu. Druga grupa przyczyn obejmuje zużycie narzędzia i wynikające z tego zmiany kształtu wymiarów. Powierzchnia śrubowa ślimaka jest obwiednią przemieszczającej się względem niej powierzchni czynnej ściernicy, dlatego od jej kształtu i jego zmiany podczas obróbki zależy dokładność wykonania przekładni i jej właściwości eksploatacyjne. Zmiana promienia krzywizny ma istotny wpływ na stan zazębienia przekładni. Jeżeli otrzymany promień krzywizny będzie mniejszy od nominalnego, przyczyni się to do bardzo niekorzystnego lokalnego wzrostu nacisków w strefie zazębiania, co jest powodem znacznego obniżenia obciążalności i trwałości przekładni oraz prowadzi do szybkiego pogarszania jej dokładności. Tak, więc istotne jest, aby krzywizna zarysu nie była mniejsza od nominalnej i mieściła się równocześnie w polu tolerancji zarysu. Jest to najskuteczniejszym sposobem uzyskania lepszych właściwości eksploatacyjnych przekładni ślimakowych. Zastosowanie technologicznych sposobów likwidacji luzu nie prowadzi do bezluzowego stanu pracy przekładni. Ponadto luz przekładni powiększa się podczas jej eksploatacji ze względu na zużywanie się elementów współpracujących. Dlatego w przekładniach służących do precyzyjnych przemieszczeń lub podziałowych, od których oczekuje się najwyższej dokładności, stosuje się konstrukcyjne sposoby regulowania lub eliminowania luzu bocznego. 2 ZNANE KONSTRUKCYJNE SPOSOBY REGULOWANIA LUZU BOCZNEGO Nawet najdokładniejsze konwencjonalne przekładnie zębate nie zapewniają bezluzowej pracy urządzenia, ponieważ występuje luz wynikający z niedokładności wykonania elementów przekładni, niedokładności montażu lub zużycia eksploatacyjnego. 5030

5 Problemy budowy i eksploatacji przekładni ślimakowych zostały opisane w wielu publikacjach [20, 24, 25-28, 31, 33, 34, 36]. Przekładniami, które mogą zapewnić bezluzową pracę układu technicznego są specjalne przekładnie ślimakowe [20, 24]. Jednym z takich rozwiązań jest napęd ślimacznicy dwoma ślimakami. Jednym z najczęściej stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych [24], mających na celu zmniejszenie luzu bocznego w przekładni ślimakowej, jest zastąpienie typowego ślimaka ślimakiem dwuskokowym. Według [6] przekładnie ślimakowe ze ślimakiem dwuskokowym są stosowane jako przekładnie podziałowe obrabiarek, podzielnic oraz stołów podziałowych. W wyniku zastosowania dwóch różnych skoków obu stron zwoju ślimak posiada 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 aby nie wywoływać podcięcia zębów ślimacznicy [6, 25]. Do wad tego rodzaju przekładni możemy zaliczyć konieczność dużego przesuwu osiowego ślimaka, w celu zmniejszenia niewielkiego luzu, co może się przyczyniać do zwiększenia gabarytów przekładni. Przekładnia taka posiada zmniejszone pole przyporu, co wiąże się ze zmniejszoną obciążalnością tej przekładni lub szybszym zużyciem w czasie jej pracy pod dużym obciążeniem [32]. Dodatkowo podczas pracy przekładni w zakresie jednego pełnego obrotu ślimacznicy tylko w jednym położeniu jest ona w stanie pracy bezluzowej. Natomiast w innych położeniach przekładnia posiada luz w zazębieniu, którego wielkość jest uzależniona od różnicy skoków różnoimiennych stron powierzchni zwoju ślimaka. Przekładnia ślimakowa z dzieloną ślimacznicą [24] charakteryzuje się tym, że ślimacznica podzielona jest płaszczyzną symetrii, prostopadłą do jej osi (rys. 5). Składająca 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 odbywać się samoczynnie poprzez zastosowanie elementów sprężystych lub okresowo. Okresowa zmiana nastawy jest trudniejsza i ponadto wymaga częściowego demontażu przekładni lub stosowania odejmowanych pokryw mających na celu ułatwienie dostępu do elementów nastawczych. Niestety rozwiązanie to posiada wadę, jaką jest niska obciążalność i trwałość przekładni spowodowana nieciągłością linii zębów ślimacznicy. Powstanie nieciągłości oznacza współpracę ślimaka tylko z połową szerokości wieńca ślimacznicy, co jest podstawową przyczyną ograniczeń w zastosowaniu tego rodzaju przekładni. Rys. 5. Ukształtowanie elementów tworzących dzieloną ślimacznicę 5031

6 Nowe rodzaje przekładni ślimakowych z możliwością regulacji lub eliminowania luzu międzyzębnego [20, 23, 24] nie posiadają wielu wad rozwiązań znanych wcześniej. Dlatego są one dobrą alternatywą dla drogich przekładni falowych lub precyzyjnych przekładni konwencjonalnych. 3 NOWE KONSTRUKCYJNE SPOSOBY REGULOWANIA LUZU BOCZNEGO Jednym z rozwiązań ze zmodyfikowaną ślimacznicą jest przekładnia opisana w patencie nr P [17]. Charakterystyczną cechą tej przekładni jest ślimacznica, która posiada na obu bocznych powierzchniach koła ślimakowego, głębokie pierścieniowe wgłębienia, współśrodkowe z otworem ślimacznicy (rys. 6a). Głębokość wgłębień jest większa od połowy szerokości koła ślimakowego, dlatego posiadają one różne średnice i tworzą w przekroju poprzecznym dwa przeciwległe po obu stronach przewężenia. Celem wprowadzenia takiej modyfikacji jest otrzymanie podatności promieniowej i osiowej wieńca ślimacznicy [21]. Podatność taką można otrzymać również poprzez wykonanie ślimacznicy z dwóch elementów, osobno wieńca i piasty oraz połączenie ich za pomocą cienkiej ścianki (rys. 6b). Ścianka ta powinna posiadać jednak, co najmniej jedno faliste wygięcie, współosiowe z wieńcem ślimacznicy [17]. Rys. 6. Podatna ślimacznica: a) z wgłębieniami, b) z elementem łączącym Podatne ślimacznice (rys. 6) mogą być zastosowane w przekładni, w której odległość osi jest tak dobrana, że skutkuje to ustalonym, początkowym odkształceniem korpusu i wieńca ślimacznicy. Mogą też być wykorzystane w układzie z regulowanym mechanizmem zmiany rozstawu osi. Jednym z takich rozwiązań [24] jest przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym, 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]. Przekładnia ślimakowa bezluzowa, według polskiego patentu nr P [16] charakteryzuje się tym, iż 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 w wyniku odkształcania wieńca za pomocą dociskowego elementu stożkowego, mającego kształt pierścienia. Mogą być różne rozwiązania konstrukcyjne, w których w wyniku przemieszczania podzielnych części wieńca ślimacznicy następuje zmniejszanie luzu bocznego oraz przemieszczenie się strefy zazębienia w kierunku wierzchołków zębów ślimacznicy. Ten efekt można uwzględnić na etapie projektowania przekładni, 5032

7 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]. Jedno z rozwiązań według wspomnianego wyżej 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 wykonania rozwiązania oraz łatwość regulacji luzu. Widok modelu bryłowego tego rozwiązania konstrukcyjnego przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Ślimacznica z wieńcem rozdzielonym obwodową szczeliną: a) ślimacznica, b) złożenie ślimacznicy Autorzy opracowali korzystniejsze rozwiązanie [24], w którym jedna część ślimacznicy ma odkształcany wieniec. Odkształcanie tego wieńca następuje z wykorzystaniem tarczy dociskowej o stożkowej powierzchni docisku z korzystnie podatną powierzchnią roboczą. Opracowano kolejne rozwiązanie (rys. 8), w którym element dociskający ma postać tarczy posiadającej wgłębienie obwodowe, powodujące zwiększenie 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. 8. Ślimacznica z elementem dociskającym posiadającym wgłębienie obwodowe Umieszczenie wieńca ślimacznicy na cienkościennej tulei jest następnym rozwiązaniem ułatwiającym zmniejszanie luzu bocznego w przekładni. To rozwiązanie konstrukcyjne może być wprowadzone na różne sposoby i znane są również polskie patenty o numerach P , P

8 104, P , P , w których wieniec ślimacznicy usytuowany jest na tulei cienkościennej [12-15, 20]. Przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym według patentu P (rys. 9) 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]. Dalsze zbliżanie współpracujących elementów powoduje sprężyste odkształcenie się tulei cienkościennej i wzrost nacisków powierzchniowych zębów proporcjonalnie do naprężeń tulei, co umożliwia całkowite wyeliminowanie luzów. Rys. 9. 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] 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. 10). Przekładnia wyposażona jest ponadto w regulowany, osiowy mechanizm dociskowy, który ma postać 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, wraz z usytuowanym na jej obwodzie wieńcem ślimacznicy [13, 20]. 5034

9 Rys. 10. 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] 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 podparta jest osiowo odpowiednio ukształtowanym kołnierzem opartym na stopniu wałka, a w drugim końcu dociskana jest przez tarczę z wewnętrzną stożkową fazą. Rozwiązanie to umożliwia równomierne, promieniowe przemieszczenie zębów ślimacznicy, co powoduje zbliżenie zębów ślimacznicy do zębów ślimaka, a tym samym zmniejszenie luzów. Przekładnia ślimakowa do bezluzowego przenoszenia momentów obrotowych według patentu P posiada podobną budowę jak przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym 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. 11, 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. 11. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej: 1-wieniec, 2-wał, 3-tuleja cienkościenna, 4-ślimak [20] Przekładnia taka umożliwia samoczynne eliminowanie luzów międzyzębnych w strefie zazębienia ślimaka i ślimacznicy, w zakresie wywołanych konstrukcyjnie odkształceń sprężystych tulei cienkościennej, przy założeniu sztywnego i nieodkształcalnego wieńca ślimacznicy, albo odkształceń 5035

10 sprężystych tulei cienkościennej i wieńca ślimacznicy, przy założeniu stosowania odkształcalnego wieńca ślimacznicy [14, 20, 24]. Zbliżonym rozwiązaniem do patentu P jest przekładnia ślimakowa bezluzowa według patentu P , przedstawiona na rys. 12. 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, 24]. Rys. 12. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej odkształcanej promieniowo Tuleja cienkościenna, jako sprężysty element podatny łączący ślimacznicę z wałkiem napędzanym, charakteryzuje się dużą podatnością na odkształcenia promieniowe. Umożliwia to przemieszczanie wieńca ślimacznicy w kierunku ślimaka w celu kasowania luzów międzyzębnych, przy równoczesnym zachowaniu dużej sztywności skrętnej, umożliwiającej utrzymanie dużej dokładności kinematycznej przenoszenia momentu obrotowego. Regulowany, rolkowy mechanizm dociskowy zapewnia możliwość kontrolowanego, bezstopniowego przemieszczania wieńca ślimacznicy, łatwego w realizacji i pewnego w działaniu. Każde z rozwiązań powoduje zbliżenie się obwodu ślimacznicy do osi ślimaka. Dzięki deformacji tulei można osiągnąć nawet całkowitą 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. Kolejną grupą rozwiązań konstrukcyjnych przekładni ślimakowych [24] z regulowanym luzem bocznym są przekładnie, w których wprowadzono modyfikacje ślimaków. Jedną z nich jest przekładnia ślimakowa według patentu P [10], w której wprowadzono zmianę geometrii powierzchni podziałowej ślimaka. Posiada ona ślimak, który zamiast walcowej powierzchni podziałowej ma obrotową powierzchnię podziałową o stopniowo zmieniającej się średnicy. Powierzchnia wierzchołków zwojów ślimaka jest powierzchnią o kształcie zbliżonym 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 powierzchnię podziałową o kształcie beczkowatym, przy czym różnice średnic zewnętrznych są mniejsze od różnic 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 5036

11 się w strefie wychodzenia zębów ślimaka z zazębiania ze ślimacznicą. Takie położenie ślimaka, zdaniem autora [10, 20], pozwala na wydłużenie pola przyporu. Kasowanie luzu w przedstawionych rozwiązaniach dokonywane jest przez osiowe przemieszczenie ślimaka względem ślimacznicy, podobnie jak ma to miejsce w przekładni ze ślimakiem dwuskokowym. Pamiętać należy o uwzględnieniu kierunku przemieszczania się ślimacznicy, gdy ślimak posiada beczkowatą powierzchnię podziałową. W przekładni tej zmniejszenie luzu polega na przesuwaniu ślimaka w kierunku przeciwnym do kierunku przemieszczania się ślimacznicy w strefie zazębiania. W przekładni ślimakowej o tej konstrukcji zastosowano ślimak z osiowym otworem wewnętrznym, co powoduje, że grubość ścianki między powierzchnią otworu a walcem dna wrębów jest niewielka. Dzięki temu poprzez oddziaływanie elementem rozpierającym, wskutek odkształcenia sprężystego, można powiększać nieznacznie średnicę ślimaka w strefie zazębienia ze ślimacznicą, co powoduje zmniejszenie luzu w przekładni. Wadą tego rozwiązania jest bardzo mały zakres regulacji luzu, niewielka obciążalność przekładni oraz skomplikowana konstrukcja układu rozpierającego. Dodatkowo, ponieważ układ rozpierający musi znajdować się wewnątrz ślimaka, powyższy sposób minimalizacji luzów nie może być stosowany do przekładni o małych średnicach ślimaków [20]. Kolejnym rozwiązaniem ze zmodyfikowanym ślimakiem jest przekładnia ślimakowa bezluzowa według patentu nr [9]. Przekładnia charakteryzuje się tym, że 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. Dzięki temu ślimak w środkowej części staje się specyficzną sprężyną o utwierdzonych końcach, charakteryzującą 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. 13) i jednym końcem ustalony osiowo oraz zabezpieczony przed obrotem względem trzpienia. Takie zamocowanie ślimaka umożliwia przemieszczanie drugiego (swobodnego) końca w kierunku osiowym za pomocą mechanizmu przesuwu. Przekładnia posiada mechanizm przesuwny w celu zapewnienia odkształceń bezrdzeniowej części ślimaka. Ściskając ślimak 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 od warunków eksploatacji i musi być mniejsza od długości części uzębionej ślimaka [18, 20, 21]. Rys. 13. Przekładnia ślimakowa ze ślimakiem podatnym lokalnie osiowo Zaletą tej przekładni jest prostota konstrukcji, łatwość regulacji luzu bocznego, której można dokonać nawet podczas pracy przekładni. Posiada dobre warunki smarowania między obciążonymi stronami zębów w strefie zazębienia niezależnie od kierunku pracy przekładni. Podatność bezrdzeniowej części uzębienia ślimaka (rys. 13) wpływa korzystnie na zmniejszenie nadwyżki 5037

12 dynamicznej i tłumienie drgań. Na tłumienie drgań można ponadto wpływać poprzez wprowadzenie elastycznego materiału w rowek powstały po przecięciu dna zwoju [19]. W przekładni tego typu w celu poprawienia jej właściwości eksploatacyjnych korzystne jest wprowadzenie dodatkowo modyfikacji zarysu zębów ślimaka [7, 20, 22, 23, 24]. Polega ona na zmniejszeniu promienia krzywizny boków zębów, co spowoduje zwiększenie ich wypukłości. Wprowadzenie takiej modyfikacji sprzyja ograniczeniu lokalnych przemieszczeń rzeczywistej strefy zazębienia. W innym rozwiązaniu [23], dla ograniczenia 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 według rys. 13, w wyniku osadzenia ślimaka na trzpieniu, który w części środkowej ma nieco mniejszą średnicę. 4 WYNIKI BADAŃ W pomiarach zarysu zębów ślimaka można wykorzystać przyrządy do dokładnych pomiarów współrzędnych lub metodą według patentu [8, 19]. Wyniki badań luzu bocznego dla jednej z badanych przekładni [23] z osiowo i promieniowo podatnym ślimakiem dla różnych nastaw regulacyjnych przedstawiono na rys. 14. Wartości luzu dla zerowej nastawy regulacji wynosiła średnio około 40 µm, a dla nastawy największej Δ=150 µm zmniejszyła się do poziomu około 5 µm, przy czym rozstęp wartości luzu zmniejszył się z 30 µm do 2 µm Osiowe ściśnięcie ślimaka [µm] Δ l =0 Δ l =40 Δ l =80 Δ l =120 Δ l =150 Luz boczny [µm] Kąt obrotu ślimacznicy [ ] Rys. 14. Wykres zależności luzu bocznego od kątowego położenia ślimacznicy dla różnych nastaw regulacyjnych (ściśnięcia osiowego) przekładni [2] PODSUMOWANIE Problemy modyfikacji zarysu zębów ślimaków były tematem prac [25, 26, 28, 30, 33, 36 ] oraz ich zastosowań [27, 31, 34, 35], w tym również w zadaniach kształtowania narzędzi [3, 4, 5, 29]. Przedstawione rozwiązania konstrukcyjne [24] opatentowanych przekładni ślimakowych pozwalają na regulację lub eliminowanie luzu bocznego poprzez zastosowanie innowacyjnych rozwiązań specjalnych konstrukcji ślimaków i ślimacznic. Proponowane rozwiązania stanowią dobrą alternatywę dla stosowanych przekładni falowych lub precyzyjnych przekładni konwencjonalnych. Dla wielu z przedstawionych przekładni ślimakowych przeprowadzono badania symulacyjne i eksploatacyjne i wykazano, że można uzyskać korzystne efekty eksploatacyjne. Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych i analiz numerycznych sformułowano następujące wnioski: 5038

13 1. Analiza odchyłek wymiarów i kształtu współpracujących elementów oraz odchyłek ich wzajemnego położenia pozwala na prognozowanie wartości luzu bocznego przekładni przed jej montażem. 2. Opracowane nowe konstrukcje przekładni ślimakowej, w tym ze ślimakiem lokalnie podatnym osiowo i promieniowo, pozwalają na skuteczne, znaczne zmniejszenie luzu bocznego, a w tym, co ważne, również na znaczne zmniejszenie 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. 3. Przeprowadzone badania wykazały, że możliwe jest dla dokładnych przekładni o modułach m=2 4, zmniejszenie wartości średniej luzu bocznego do 7,5 % wartości początkowej (od 40 µm do wartości 3 µm) oraz zmniejszenie odchylenia standardowego luzu nawet dwudziestokrotne (od wartości 13 µm do 0,6 µm). 4. 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. 5. Opracowane przekładnie można z powodzeniem stosować w mechanizmach do precyzyjnego pozycjonowania stolików układów pomiarowych, w budowie precyzyjnych urządzeń technologicznych, oprzyrządowania technologicznego 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/ Streszczenie Przedstawiono nowe rozwiązania konstrukcyjne opatentowanych przekładni ślimakowych, zapewniających regulację luzu bocznego w wyniku zastosowania specjalnych konstrukcji ślimaków i ślimacznic. Proponowane rozwiązania mogą być stosowane w precyzyjnych mechanizmach dosuwu i pozycjonowania oraz w mikronapędach. Innovative worm gears for use in precision mechanisms and drives Abstract The article presents new engineering solutions of the patented worm gears, providing backlash adjustment through the use of specially designed worms and worm gears. The suggested solutions can be used in precision positioning mechanisms and microdrives. BIBLIOGRAFIA 1. Biedny D., Kacalak W. Cechy eksploatacyjne przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym. XXII Sympozjon Podstaw Konstrukcji Maszyn, Gdynia Jurata 2005, tom 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. Mechanik Nr 5-6/1990, s Gnat K. Obwiedniowe frezowanie uzębień ślimacznic pojedynczym nożem. Mechanik Nr 7-8/1990, s

14 5. Gnat K. Spezifische Probleme beim Walzfresen von Schneckenradern mit Einzel-Meisseln ( Specyficzne problemy frezowania obwiedniowego kół ślimakowych pojedynczym ostrzem ). Werkstatt und Betrieb, 1990, t. 123, nr 10, pp Gnat K. Frezowanie pojedynczym nożem ślimacznic współpracujących ze ślimakami dwuskokowymi. Mechanik, 1998, t. 71, nr 1, s Kacalak W. Profilmodifikation geschliffener Gewindeschnecken. Werkstatt und Betrieb 117 (1984), pp Kacalak W., Lewkowicz R., Lechowski T. Sposób pomiaru niedokładności zarysu powierzchni śrubowej ślimaka oraz urządzenie do jego realizacji. Patent nr , 1986r. 9. Kacalak W. Przekładnia ślimakowa. Patent nr , 1988r. 10. Kacalak W., Lubiński A. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1989r. 11. Kacalak W., Derkacz A., Tatoń J. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1989r. 12. Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S. Przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym. Patent nr , 1990r. 13. Kacalak W., Ryckiewicz J. Precyzyjna przekładnia ślimakowa. Patent nr , 1990r. 14. Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S. Przekładnia ślimakowa do bezluzowego przenoszenia momentów obrotowych. Patent nr , 1990r. 15. Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1990r. 16. Kacalak W. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 1992r. 17. Kacalak W. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Zgłoszenie patentowe nr , 1993r. 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. Politechnika Łódzka, Łódź Arturówek , 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 Postępy Technologii Maszyn, Vol. 28, No. 3, 2004, s Kacalak W., Biedny D. Przekładnia ślimakowa bezluzowa. Patent nr , 2005r. 24. Kacalak W., Majewski M., Budniak Z. Przekładnie ślimakowe z regulowanym luzem bocznym. Miesięcznik Naukowo-Techniczny MECHANIK nr 7/2014, SIMP 2014, s Kornberger Z. Przekładnie ślimakowe". WNT Warszawa 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. Politechnika Łódzka, Łódź, Państwowy Instytut Badawczy w Radomiu, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom, Nieszporek T. Analiza zarysu osiowego ślimaków stożkowych obrabianych frezem palcowym stożkowym. Mechanik Nr 1/1999, s Ochęduszko K. Koła zębate. Tom I. Konstrukcja". WNT Warszawa 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, nr 18, ref. 28, pp

15 33. 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 2002, nr 2, s Thyssen W., Sackingen B. Process and device for dressing a grinding worm and for grinding precut 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, nr 1 (1996), pp