prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak, dr hab. inż. Maciej Majewski, dr inż. Zbigniew Budniak, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin. Email: wojciech.kacalak@tu.koszalin.pl, maciej.majewski@tu.koszalin.pl, zbigniew.budniak@tu.koszalin.pl Przekładnie ślimakowe z regulowanym luzem bocznym Worm gears with adjustable side clearance Streszczenie (powinno zawierać 300-400 znaków): W artykule 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 dobrą alternatywę dla stosowanych przekładni falowych lub precyzyjnych przekładni konwencjonalnych. Słowa kluczowe: przekładnie ślimakowe, ślimacznica, ślimak, regulacja luzu. Keywords: worm gears, methods of play liquidation, Abstract: 1. Konstrukcyjne sposoby likwidacji luzu bocznego 1
Nawet najdokładniejsze konwencjonalne przekładnie, które są bardzo drogie, nie zapewnią bezluzowej pracy urządzenia, ponieważ zawsze posiadają pewien luz wynikający z odchyłek wymiarów i niedokładności kształtu elementów przekładni. Ponadto luz ten ulega powiększeniu wraz z postępującym zużyciem współpracujących powierzchni. Najczęstszym sposobem zapewnienia bezluzowej pracy mechanizmu bez stosowania precyzyjnej przekładni konwencjonalnej jest zastąpienie jej przez przekładnie walcowe zaopatrzone w drogie mechanizmy kasowania luzu międzyzębnego lub przez przekładnie falowe. Przekładnie falowe posiadają korzystne właściwości, które są pożądane w dokładnych urządzeniach. Jednak posiadają one wiele cech ograniczających ich zastosowanie [Kac1995]. Do najważniejszych należą dość duże gabaryty przekładni, brak samohamowności, małe tłumienie drgań, duża podatność i mała dokładność pracy w zakresie bardzo małych przemieszczeń z nawrotami. Przekładniami, które można stosować zamiast precyzyjnych przekładni konwencjonalnych są specjalne przekładnie ślimakowe. Jednym z takich rozwiązań jest napęd ślimacznicy dwoma ślimakami (rys. 1), który zapewnia współpracę każdego ze ślimaków z inną stroną zębów ślimacznicy. Jednakże do ich napędu konieczne są skomplikowane mechanizmy wyrównawcze. Zastosowanie dwóch ślimaków stwarza problemy w smarowaniu jednej ze stref zazębienia oraz przyczynia się do zwiększenia objętości przekładni. Wadą tego rozwiązania, podobnie jak w przypadku przekładni walcowej, jest złożoność i kosztowność konstrukcji. 2
Rys. 1. Przekładnia ślimakowa ze ślimacznicą napędzaną dwoma ślimakami Do zalet takiego rozwiązania konstrukcyjnego należy zaliczyć dobrą współpracę elementów przekładni przy zmiennych obciążeń oraz dużą trwałość. Przekładnia taka posiada możliwość przenoszenia dużych obciążeń. Jednym z najprostszych rozwiązań konstrukcyjnych przekładni ślimakowej z możliwością regulacji luzu bocznego jest modyfikacja polegająca na zmianie zamocowania typowego ślimaka w korpusie przekładni. Jedna strona ślimaka utwierdzona jest przegubowo, natomiast druga przymocowana jest do mechanizmu regulacyjnego (rys. 2). Za pomocą tego mechanizmu zmienia się 3
odległość ślimaka od koła ślimakowego i w ten sposób można regulować luz w przekładni poprzez zmianę 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 zostanie on tylko ograniczony, ponieważ wprowadzenie większej nastawy spowoduje gwałtowny wzrost nacisków powierzchniowych na zębach w miejscu, gdzie luz przekładni był minimalny. Do wad tego rozwiązania należy zaliczyć zmniejszanie luzu nie w środku strefy zazębienia lecz na jej skraju. Rys. 2. Przekładnia ślimakowa z regulowanym rozstawem osi Nowe rodzaje przekładni ślimakowych z możliwością regulacji lub eliminowania luzu międzyzębnego nie posiadają wielu wad rozwiązań znanych wcześniej [Bie2005], [Kac2004a]. Dlatego są one dobrą alternatywą dla drogich przekładni falowych lub precyzyjnych przekładni konwencjonalnych. 4
2. Przekładnia ślimakowa z dzieloną ślimacznicą Rozwiązanie to charakteryzuje się tym, że ślimacznica podzielona jest płaszczyzną symetrii, prostopadłą do jej osi (rys. 3). W ten sposób otrzymano ślimacznicę składającą się z dwóch symetrycznych części osadzonych na wspólnej piaście, która zwiększa grubość swych zębów poprzez kątowe przemieszczenie, przez obrót wokół własnej osi części podzielonych [Kac1995], [Sch1992]. Oczywiście 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. Dodatkowo wykonanie takiej ślimacznicy jest dość trudne technologicznie ze względu na konieczność zachowania dużej dokładności obu połówek ślimacznicy. Zaletą tego rozwiązania jest duża zwartość konstrukcji i elastyczność pracy przekładni przy zmiennych obciążeniach. 5
Rys.3. Ukształtowanie elementów tworzących dzieloną ślimacznicę 3. Przekładnia ślimakowa z podatną ślimacznicą Jednym z rozwiązań ze zmodyfikowaną ślimacznicą jest przekładnia opisana w zgłoszeniu patentowym nr P. 301 669 [Kac1993]. Jest to jedno z wielu rozwiązań opracowanych przez prof. dr hab. inż. Wojciecha Kacalaka. Charakterystyczną cech tej przekładni jest zmodyfikowana ślimacznica, która posiada na obu bocznych powierzchniach koła ślimakowego, głębokie pierścieniowe wgłębienia, współśrodkowe z otworem ślimacznicy (rys. 4a). 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 6
modyfikacji jest otrzymanie podatności promieniowej i osiowej wieńca ślimacznicy [Kac1997]. Podatność taką można otrzymać również poprzez wykonanie ślimacznicy z dwóch elementów, to jest osobno wieńca i piasty i połączenie ich za pomocą cienkiej ścianki (rys. 4b). Ścianka ta musi posiadać jednak, co najmniej jedno faliste wygięcie, współosiowe z wieńcem ślimacznicy [Kac1993]. W tym rozwiązaniu występuje trudność uzyskania współosiowości podczas łączenia wieńca z piastą. Rys. 4. Podatna ślimacznica: a) z nacięciami, b) z elementem łączącym Przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym przedstawiona powyżej, wyposażona jest w regulowany, mimośrodowy mechanizm dociskowy. Wałek napędzany osadzony jest w tulejach mimośrodowych, które pozwalają przemieszczać go wraz ze ślimacznicą w kierunku prostopadłym do osi. Dokonuje się tego poprzez zwolnienie śrub dociskowych i obrót obu tulei mimośrodowych o odpowiedni kąt. Po dokonaniu regulacji należy zablokować położenie kątowe tulei. W wyniku tego przemieszczania w strefie zazębienia ślimaka i ślimacznicy następuje stopniowe zbliżenie ślimacznicy do osi ślimaka, co wiąże się z 7
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 powstałego przewężenia. Dzięki temu naciski powierzchniowe w strefie zazębienia są proporcjonalne do naprężeń tulei, co umożliwia całkowite wyeliminowanie luzów, wynikających z geometrycznej niedokładności elementów przekładni, spowodowanych niedokładnością wykonania lub zużyciem eksploatacyjnym. Dodatkowe otwory na wieńcu ślimacznicy zostały wykonane w celu zmniejszenia jej sztywności. Zwiększono dzięki temu podatność na odkształcenia promieniowe przy nieznacznym zmniejszeniu sztywności skrętnej [Kac1993]. 4. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy rozdzielonym obwodową szczeliną Znana jest przekładnia ślimakowa bezluzowa, według polskiego patentu nr P. 169 114 [Kac1992]. Rozwiązanie to charakteryzuje się tym, iż wieniec ślimacznicy jest umieszczony na przewężeniu i podzielony jest symetrycznie obwodową szczeliną sięgającą do średnicy dna przewężenia. W wyniku tego szerokość wieńca została podzielona na dwie równe części, które można zbliżać do siebie za pomocą podparcia wieńca dociskowym elementem stożkowym. Powierzchnia bocznego przewężenia jest stożkowa i styka się z odpowiadającą jej powierzchnią elementu dociskowego mającego kształt pierścienia. Mogą to być stożkowo zakończone tarcze obustronnie nakręcane na piastę bądź stożkowe tarcze, których odległość od siebie jest zmniejszana za pomocą śrub (rys. 5a). Dzięki zbliżeniu połówek wieńca następuje zmniejszanie luzu bocznego oraz przemieszczenie się strefy zazębienia w kierunku wierzchołków zębów ślimacznicy, co można uwzględnić na etapie projektowania, zmniejszając pochylenie tych zębów o wartość odpowiednią do przewidzianego zakresu regulacji. Jednak to rozwiązanie obarczone jest wadą wynikającą z kątowego przemieszczania obu stron podatnego zęba ślimacznicy [Kac1995]. 8
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. 6a). Zaletą tego rozwiązania jest łatwość wykonania rozwiązania oraz łatwość regulacji luzu. Widok modelu bryłowego tego rozwiązania konstrukcyjnego przedstawiono na rys. 6. Rys. 5. Różne rozwiązania regulacji luzu w przekładni ze ślimacznicą o wieńcu rozdzielonym obwodową szczeliną: 1-wieniec, 2-szczelina, 3-przewężenie, 4- wgłębienie, 5-element dociskający, 6 i 7-elementy dociskające, 8-kołnierz, 9- element dociskający, 10-piasta, 11-śruba, 12-odsadzenie śruby, 13- nakrętka, 14-pierścień, 15-nakrętka pierścieniowa, 16-piasta, 17-nakrętka [Kac1995] W drugim przykładzie (rys. 5b) element dociskający ma postać tarczy, w której równo na obwodzie rozmieszczono śruby. Śruby te służą do osiowego przemieszczania pierścieniowych elementów dociskających [Kac1992]. W trzecim przykładzie (rys. 5c) wieniec koła ślimakowego osadzony jest suwliwie, bez możliwości obrotu, na piaście z kołnierzem oporowym, spełniający rolę elementu dociskowego. Z drugiej strony wieńca znajduje się tarczowy element dociskający i nakrętka. Kasowanie luzu bocznego przekładni w tym rozwiązaniu polega, tak samo jak w rozwiązaniu pierwszym, na wkręcaniu pierścieniowej nakrętki regulacyjnej. 9
Rys. 6. Ślimacznica z wieńcem rozdzielonym obwodową szczeliną 5. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej 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. 164 102, P. 164 104, P. 164 105, P. 163 445, w których wieniec ślimacznicy usytuowany jest na tulei cienkościennej [Kac1990], [Kac1990a], [Kac1990b], [Kac1990c], [Kac1995]. Przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym według patentu P. 164 102 (rys. 7) charakteryzuje się tym, że ślimacznica połączona jest z wałkiem napędzanym sprężystym elementem podatnym w postaci tulei cienkościennej. Tuleja cienkościenna ma kształt walcowego kubka z pogrubionym dnem 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 10
ślimacznicy do osi ślimaka, z równoczesnym zmniejszaniem się luzów obwodowych przekładni, aż do obwodowego oparcia się powierzchni zębów ślimacznicy na zębach ślimaka [Kac1990], [Kac1995]. 11
Rys. 7. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej: 1-wieniec, 2-wał, 3-tuleja cienkościenna, 4-gniazdo łożysk, 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 [Kac1995]. Dalsze zbliżanie współpracujących elementów powoduje sprężyste odkształcenie się tulei cienkościennej i wzrost nacisków powierzchniowych zębów proporcjonalnie do naprężeń tulei, co umożliwia całkowite wyeliminowanie luzów wynikających z geometrycznej niedokładności elementów przekładni spowodowanych niedokładnością wykonania lub zużyciem eksploatacyjnym. Zbliżonym rozwiązaniem jest przekładnia ślimakowa według patentu P. 164 104. Charakteryzuje się ona tym, że ślimacznica powiązana jest z wałkiem napędzanym sprężystym elementem podatnym w postaci tulei cienkościennej. 12
Istotne jest to, że wieniec ślimacznicy umieszczony jest w połowie długości tulei (rys. 8). Przekładnia wyposażona jest ponadto w regulowany, osiowy mechanizm dociskowy, który ma postać nakrętki osadzonej na gwintowanym czopie, która wywiera czołowo osiowy nacisk na tuleję, za pośrednictwem wewnętrznego pierścienia łożyska tocznego. Wymusza on sprężyste bezstopniowe odkształcenia tulei cienkościennej, wraz z usytuowanym na jej obwodzie wieńcem ślimacznicy [Kac1990a], [Kac1995]. 13
Rys. 8. 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 -tuleja dociskowa, 8-korpus, 9-wpust [Kac1995]. 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 wałka, a w drugim końcu dociskana jest przez tuleję 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. 14
Rys. 9. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej: 1-wieniec, 2-wał, 3-tuleja cienkościenna, 4-ślimak [Kac1995]. 15
Przekładnia ślimakowa do bezluzowego przenoszenia momentów obrotowych według patentu P. 164 105 posiada identyczną budowę jak przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym według patentu P. 164 102. Różnica między nimi polega na sposobie kasowania luzu. Wcześniej opisane rozwiązanie posiada mimośrodowy mechanizm do regulacji luzu natomiast to rozwiązanie przedstawione na rys. 9, charakteryzuje się tym, że rzeczywista, ustalona konstrukcyjnie odległość od 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. 10. Przekładnia ślimakowa z wieńcem ślimacznicy usytuowanym na tulei cienkościennej odkształcanej promieniowo 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 sprężystych tulei 16
cienkościennej i wieńca ślimacznicy, przy założeniu stosowania odkształcalnego wieńca ślimacznicy [Kac1990b], [Kac1995]. Zbliżonym rozwiązaniem do patentu P. 164 104 jest przekładnia ślimakowa bezluzowa według patentu P. 163 445, przedstawiona na rys. 10. 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 [Kac1990c], [Kac1995]. Tuleja cienkościenna, jako sprężysty element podatny łączący ślimacznicę z wałkiem napędzanym, charakteryzuje się dużą podatnością na odkształcenia promieniowe, przez co umożliwia osiowe przemieszczanie wieńca ślimacznicy w kierunku ślimaka w celu kasowania luzów międzyzębnych, przy równoczesnym zachowaniu dużej sztywności skrętnej, umożliwiającej utrzymanie dużej wierności 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 małej 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. 6. Przekładnia ślimakowa ze ślimakiem dwuskokowym Jednym z najczęściej stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, mających na celu zmniejszenie luzu bocznego w przekładni ślimakowej, jest zastąpienie typowego ślimaka ślimakiem dwuskokowym (rys. 11). Według [Gna1998] 17
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. Gdy ślimacznica jest unieruchomiona, to przesuw osiowy ślimaka musi być zastąpiony ruchem śrubowym, czyli wkręcaniem ślimaka w ślimacznicę. Wielkość przesunięcia osiowego ślimaka oraz różnica skoków różnoimiennych stron powierzchni zwoju ślimaka nie mogą być dowolne. Dla określonego zakresu regulacji określanego największą różnicą luzu przed i po regulacji, przesuw osiowy ślimaka musi być przynajmniej tyle razy większy od mniejszego skoku linii śrubowej zęba p 1, ile razy zakres regulacji luzu jest większy od różnicy skoków po obu stronach zęba. Zmiana grubości zęba powoduje kasowanie luzu nawet do jego całkowitego usunięcia [Kac1995], [Och1985]. Od różnicy skoków linii zęba ślimaka dwuskokowego minimalnego i maksymalnego, odpowiednio p 1 i p 2 obu stron zębów ślimaka, zależy czułość regulacji luzu. Dla dokładnej regulacji luzu, wybiera się małą różnicę skoków, co jednak oznacza, że zakres regulacji będzie niewielki. Różnice w skokach po obu stronach zęba powodują, że kąty wzniosu linii zęba po obu stronach są różne [Kor1973]. 18
Rys. 11. Ślimak dwuskokowy: a) profil ślimaka, b) fotorealistyczny widok modelu 3D. 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 [Gna1998], [Kor1973]. 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 zmniejszone pole przyporu, co wiąże się ze zmniejszoną obciążalnością tej przekładni lub szybszym zużyciem w czasie jej pracy pod dużym obciążeniem [Sch1992]. 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. 19
Wykonanie ślimacznicy współpracującej ze ślimakiem dwuskokowym jest trudne. Ślimacznice takie powinny być obrabiane specjalnym ślimakowym frezem dwuskokowym. Ze względu na występowanie dwóch różnych kątów zarysu powierzchni bocznych zwoju, możliwość wytworzenia ślimacznicy jako elementu wymiennego jest utrudniona [Gna1990], [Gna1990a], [Gna1990b], [Gna1998]. Zdaniem autorów proces obróbki ślimacznicy powinien być przeprowadzony pojedynczym nożem o odpowiedniej geometrii i usytuowaniu względem obrabianego przedmiotu oddzielnie dla każdej strony. Obwiedniowa metoda frezowania pojedynczym nożem do obróbki ślimacznic współpracujących ze ślimakiem dwuskokowym jest jednak stosowana rzadko ze względów ekonomicznych. 7. Przekładnia ślimakowa ze ślimakiem o powierzchni podziałowej o zmiennej średnicy Kolejną grupą rozwiązań konstrukcyjnych przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym są przekładnie, w których wprowadzono modyfikacje ślimaków. Jedną z nich jest przekładnia ślimakowa według patentu P. 160 312 [Kac1989], 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 [Kac1995], [Sch1992]. 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 się w strefie wychodzenia zębów 20
ślimaka z zazębiania ze ślimacznicą. Takie położenie ślimaka, zdaniem autora [Kac1989], [Kac1995], 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. 8. Przekładnia ślimakowa z dzielonym ślimakiem Przekładnia ślimakowa według patentu P. 160 312 [Kac1989] posiada ślimak dzielony składający się z dwóch ślimaków, osadzonych przesuwnie na wspólnym wałku. Obydwa ślimaki mają stożkowe powierzchnie podziałowe, skierowane mniejszymi średnicami ku sobie (rys. 12). Powierzchnia wierzchołków zwoju obu ślimaków jest powierzchnią o kształcie zbliżonym 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 [Kac1995]. Rys. 12. Schemat bezluzowej przekładni ślimakowej. 21
Zaletą tego rozwiązania jest to, że niewielkie przesunięcia osiowe gwarantują zmniejszenie luzu. Ważną zaletą tej przekładni jest możliwość regulacji luzu bez demontażu przekładni oraz jej efektywna praca w przypadku zmiany kierunku obrotów. Natomiast wykonanie ślimaka stożkowego w porównaniu do ślimaka dwuskokowego jest trudniejsze. Technologia ślimaków stożkowych nastarcza wiele problemów [Nie1999]. 9. Przekładnia ślimakowa ze ślimakiem mającym osiowy otwór wewnętrzny W przekładni ślimakowej o tej konstrukcji zastosowano ślimak z osiowym otworem wewnętrznym powodującym, że grubość ścianki między powierzchnią otworu a walcem dna wrębów jest niewielka. Dzięki temu poprzez oddziaływanie elementem rozpierającym, wskutek odkształcenia sprężystego, powiększa się nieco 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 średnicach ślimaków mniejszych od 10mm [Kac1995]. 10. Przekładnia ślimakowa z lokalnie podatnym osiowo ślimakiem Kolejną modyfikacją wcześniej opisanej konstrukcji jest przekładnia ślimakowa według patentu P. 160 314 [Kac1989b]. W przekładni tej ślimak, posiada otwór osiowy o średnicy równej lub nieco większej od średnicy dna wrębów. 22
Rys. 13. Przekładnia ślimakowa ze ślimakiem podatnym lokalnie osiowo Nowszym rozwiązaniem ze zmodyfikowanym ślimakiem jest przekładnia ślimakowa bezluzowa według patentu nr 137 131 [Kac1988]. Przekładnia charakteryzuje się tym, że ślimak ma wydrążony osiowy otwór o średnicy mniejszej od średnicy dna wrębów. Najważniejszym elementem tego 23
rozwiązania jest przecięcie, tylko w środkowej części ślimaka, dna zwoju wzdłuż linii śrubowej (rys. 13). Dzięki temu ślimak w środkowej części staje się specyficzną sprężyną o utwierdzonych końcach, charakteryzujących 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 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 [Kac1993a], [Kac1995], [Kac1997]. 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. 14) wpływa korzystnie na zmniejszenie nadwyżki dynamicznej i tłumienie drgań. Na tłumienie drgań można ponadto wpływać poprzez wprowadzenie odpowiedniego materiału w rowek powstały po przecięciu dna zwoju [Kac1994]. W przekładni tego typu w celu poprawienia jej właściwości eksploatacyjnych korzystne jest wprowadzenie dodatkowo modyfikacji zarysu zębów ślimaka [Kac1995], [Kac2004], [Kac2004a]. Polega ona na zmniejszeniu promienia krzywizny boków zębów, co spowoduje zwiększenie ich wypukłości. Wprowadzenie takiej modyfikacji sprzyja ograniczeniu lokalnych przemieszczeń rzeczywistej strefy zazębienia. 24
Rys. 14. Ślimak podatny lokalnie osiowo 11. Literatura [Bie2005] 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. 89-96. [Gna1998] Gnat K: Frezowanie pojedynczym nożem ślimacznic współpracujących ze ślimakami dwuskokowymi, Mechanik, 1998, t. 71, nr 1, s. 27-29. [Gna1990] Gnat K.: Obwiedniowe frezowanie uzębień ślimacznic pojedynczym nożem, Mechanik Nr 5-6/1990, s. 179. [Gna1990a] Gnat K.: Obwiedniowe frezowanie uzębień ślimacznic pojedynczym nożem, Mechanik Nr 7-8/1990, s. 241. [Gna1990b] 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, s. 791-795. [Kac1988] Kacalak W.: Przekładnia ślimakowa, Patent nr 137 131, 1988. [Kac1989] Kacalak W., Lubiński A.: Przekładnia ślimakowa bezluzowa, Patent nr 160 312, 1989. [Kac1989b] Kacalak W., Derkacz A., Tatoń J.: Przekładnia ślimakowa bezluzowa, Patent nr 160 314, 1989. [Kac1990] Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S.: Przekładnia ślimakowa z regulowanym luzem międzyzębnym, Patent nr 164 102, 1990. 25
[Kac1990a] Kacalak W., Ryckiewicz J.: Precyzyjna przekładnia ślimakowa, Patent nr 164 104, 1990. [Kac1990b] Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S.: Przekładnia ślimakowa do bezluzowego przenoszenia momentów obrotowych, Patent nr 164 105, 1990. [Kac1990c] Kacalak W., Ryckiewicz J., Ziółkowski S.: Przekładnia ślimakowa bezluzowa, Patent nr 163 445, 1990. [Kac1992] Kacalak W.: Przekładnia ślimakowa bezluzowa, Patent nr 169 114, 1992. [Kac1993] Kacalak W.: Przekładnia ślimakowa bezluzowa, Zgłoszenie patentowe nr 301 669, 1993. [Kac1993a] 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. 59-73. [Kac1994] Kacalak W., Lewkowicz R.: Neue Lösungen für Schneckengetriebe mit geregeltem Seitenspielraum. ANT Antriebstechnik Mainz, Niemcy, 1994. [Kac1995] Kacalak W.: Wybrane problemy konstrukcji i technologii precyzyjnych przekładni ślimakowych, Monografia Wydziału Mechanicznego nr 51, Koszalin 1995. [Kac1997] Kacalak W.: Wybrane problemy budowy i eksploatacji przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym, Politechnika Łódzka, Łódź Arturówek 24-25.11.1997, s.35-46. [Kac2004] 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. 5-17. [Kac2004a] 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. 82-91. [Kor1973] Kornberger Z.: Przekładnie ślimakowe", WNT Warszawa 1973. [Nie1999] Nieszporek T.: Analiza zarysu osiowego ślimaków stożkowych obrabianych frezem palcowym stożkowym, Mechanik Nr 1/1999, s. 29-32. [Och1985] Ochęduszko K.: Koła zębate. Tom I. Konstrukcja", WNT Warszawa 1985. 26
[Sch1992] 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, s. 2-11. Do dodania do treści: "Profilmodifikation geschliffener Gewindeschnecken" by Van Dr.-Ing. Habil. Wojciech Kacalak et al., Werkstatt und Betrieb 117(1984) pp. 85-88. 27