Témata
Reklama

Speciální pohybové mechanismy

31. 01. 2001

Základním charakteristickým rysem výrobních strojů a zařízení, nezbytným pro plnění jejich funkce, jsou rotační a přímočaré pohyby udělované jednotlivým částem.

Tyto pohyby a jejich kombinace slouží ke konání hlavních (výrobních) a vedlejších (pomocných) činností prostřednictvím hnacích agregátů, převodů a mechanismů.

O mechanismech

Zvolený transformační mechanismus rotačního pohybu na lineární velmi úzce souvisí se zakomponováním do konstrukce stroje, vlastním realizovaným pohybem a jeho požadovanými parametry, zejména s rozsahem pohybu (zdvihem), rychlostí, zrychlením a potřebnou sílou. Neopomenutelná je požadovaná, přitom mechanismem docílitelná přesnost polohování a hnací agregát, který může být rotační nebo přímočarý. Pokud není potřeba docílit velkých zdvihů, má konstruktér pro dosažení přímočarého pohybu k dispozici např. klikový nebo vačkový mechanismus. Obdobnou délku dráhy, ovšem s možností změny jeho velikosti, zajistí kulisový mechanismus, používaný ve stavbě obrážeček. Velikostí "neomezený" rozsah pohybu může zajistit ozubený hřeben a pastorek nebo šnek a šnekový hřeben. Velikých zdvihů lze také docílit lanem či řemenem nataženým mezi dvě kladky. Pro krátké posuvy v řádu desítek mikrometrů mohou být využity piezoelektrické nebo magnetostrikční mechanismy. Rychlý, ale málo tuhý je pneumatický válec a píst, jenž je velmi často využíván v manipulační technice. Pro větší síly je tak vzduch nahrazen tlakem hydraulické kapaliny. Další možností pro zajištění přímočarých pohybů mohou být pružiny, u výrobních strojů ne příliš využitelné např. paralelogramy nebo způsobem zcela odlišné mechanismy, které jsou založeny na jiném fyzikálním principu (využívají např. chemickou energii).
Samostatnou skupinu mechanismů určených pro vyvození přímočarých pohybů tvoří pohybové šrouby, jež jsou velmi důležitou součástí většiny obráběcích strojů. Funkce tvářecích strojů, jako jsou např. vřetenové lisy, je přímo na jejich existenci založena. Využívány jsou v letectví, robotice a v dalších oborech, setkat se s nimi můžete v obyčejných stolních tiskárnách. Pojem pohybové šrouby je možno chápat ve více významech. V zúženém významu se jedná o kluzný šroub a matici, tvořené nejčastěji lichoběžníkovým, méně často čtvercovým profilem. Druhý - obecnější - označuje širokou skupinu všech mechanismů založených na principu transformace rotačního pohybu na přímočarý nebo naopak pomocí šroubu a matice ve spoustě konstrukčních provedení. Avšak existují mechanismy, které žádný závit nemají, přesto díky konstrukčnímu principu konají tutéž činnost - vyvodí přímočarý pohyb. V jejich případě se tedy nedá hovořit o pohybových šroubech, protože akční část je tvořena hladkou válcovou tyčí. Uvědomíme-li si, že závit šroubů je ve své podstatě pod úhlem stoupání nakloněná přímka (rovina) navinutá na tyč, nazývaná šroubovice, resp. šroubová plocha, tvořící trajektorií pohybu zmiňovaných mechanismů je také šroubovice, a tak by mohly být zařazeny mezi pohybové šrouby. Přesto bude rozumnější (i když názvem delší) ponechat je v kategorii mechanismů pro transformaci rotačního pohybu na lineární.
Z množství možných způsobů je zřejmé, že mnoho na výběr nemáme. Všechny mechanismy mají své výhody a nevýhody. Jejich konstrukce, výroba, údržba, docílitelné parametry i spolehlivost souvisí s jejich složitostí. Na nejnovějších obráběcích strojích je vidět snaha nahradit mechanické převody přímými, elektronicky řízenými lineárními pohony.

Pohybové šrouby

V úvodu článku neuvedeným, přitom pro všechny mechanismy důležitým parametrem je účinnost transformace či převodu pohybů. Účinnost šroubů závisí na velikosti stoupání šroubu a na velikosti tření v závitu mezi maticí a šroubem. Rostoucí stoupání a pokles pasivních odporů zvyšuje jejich účinnost. I když vyšší stoupání znamená vyšší účinnost šroubového převodu, klesá velikost axiální síly, kterou lze využít. Tření je velmi nepříznivé, protože je zdrojem tepla a s ním související tepelné dilatace, které jsou v případě přesné výroby, jakou zajišťují obráběcí stroje, nežádoucí. Proto je kluzné tření minimalizováno využitím nových materiálů, vyšší přesností výroby, nebo je nahrazeno jinými formami. Například posuvový šroub s hydrostatickou maticí je tvořen závitem s lichoběžníkovým profilem. V závitu matice jsou olejové kapsy, které zabezpečují hydrostatický styk matice se šroubem. Příznivé kapalinné tření, bezvůlový převod, "nulové" opotřebení jsou výhody získané na úkor potřeby hydraulického obvodu i např. komplikací se zachycením z matice prosakujícího oleje. Rozsáhlá skupina kuličkových šroubů (podrobnější popis v MM Průmyslovém spektru 6/1999) je založena na odvalování kuliček vložených do závitu mezi matici a šroub. Pro vyšší únosnost je používán gotický profil závitu, který zajišťuje optimální stykový úhel mezi kuličkou a boky závitu. Díky vysoké účinnosti, malému opotřebení a oteplení, možnosti vymezení vůlí i předepnutí je to v současnosti nejpoužívanější mechanismus ve stavbě obráběcích strojů sloužící pro přímočarý posuv nástroje i obrobku. I kuličkový šroub a matice mají nevýhody. Protože je délka matice omezená, je nutné vyjmutí kuliček ze závitu a jejich opětovné zavedení na začátek závitu v matici. Řešení převáděčů vyžaduje zvládnutí spousty konstrukčních problémů, což má za cíl potlačení zdroje vibrací působených převáděním kuliček. Proto vznikly mechanismy nazývané valivé šrouby, planetové šrouby nebo "beztřecí" šrouby apod.
Příklad konstrukčního provedení a princip je zobrazen na obr. 1 (viz. časopis). Skládají se ze šroubu, matice a většího počtu válcových valivých tělísek. Všechny tyto součástky jsou opatřeny závitem. Při otáčení šroubu dochází k obíhání válečků okolo šroubu obdobně jako u planetových převodovek. Rovnoměrné rozložení válečků po obvodu šroubu zajišťuje klec nebo jsou válečky zakončeny čepy, které se zasunou do otvorů ve víčku. V některých případech mohou být na čepech nasunutá valivá ložiska, která mají za následek zvětšení vnějších rozměrů matice. Víčko zároveň udržuje axiální polohu válečků v matici a chrání vnitřní prostor proti vnikání nečistot. Díky množství valivých tělísek a velkému množství nosných závitů je docíleno velké kontaktní plochy. Únosnost planetových šroubů mimo jiné závisí na drsnosti povrchu a povoleném kontaktním tlaku. Statická i dynamická únosnost těchto šroubů je vysoká a provozní otáčky jsou dovoleny do 3000 za minutu i vyšší.
V úvodu byla zmíněna existence transformačních mechanismů bez závitové části. Svým principem jsou založeny na třecích silách, a proto nemohou sloužit pro velká axiální silová působení. Zato mohou dovolit prokluz, což může být v některých případech využito. Existují v různých konstrukčních variantách. Na obrázku 2 (viz. časopis) je nakresleno dělené pouzdro, v němž je umístěno osm válcových kotoučů skloněných pod vhodným úhlem k válcovému povrchu. Při otáčení tyče rotující válečky unášejí pouzdro, přímočaře ve směru otáčení šroubu. Pomocí předepnutí je zajišťována přítlačná síla kotoučů. Kotouče mohou být vyrobeny z materiálů se zvýšeným součinitelem tření (plastů) a potřebný kontaktní tlak je docílen jejich deformací. Zvýšení axiální síly a zamezení prokluzu je možné docílit vytvořením šroubovitého výstupku půlkruhového profilu na tyči. Kotouče pak mají po obvodu drážku, která se opírá o výstupek na tyči. Vzniká mechanismus velmi blízký planetovým šroubům.
Obdobný způsob, přitom hojně praktický používaný, slouží pro rovnání hutních výrobků kruhového průřezu - trubek a tyčí. Rovnačka má válečky ve tvaru rotačního hyperboloidu, aby byl kontakt s tyčí co nejdelší, a navíc jsou válečky přímo poháněny. Motory a převodovky potřebných výkonů jsou rozměrné a z konstrukčních důvodů musí být posunuty daleko od pracovního prostoru. Přenos pohybu je realizován spojkami a dlouhými kardany. Průchod rovnačkou se děje šroubovým pohybem, kde osový posuv se získá sklonem válečků vzhledem k výrobku.
Jiné konstrukční uspořádání je na schematickém obrázku 3. (viz. časopis) V tomto případě jsou kotouče nahrazeny valivými ložisky, tyč prochází jejich vnitřními otvory a jsou, stejně jako v předchozím případě, uloženy v pouzdře, jež má charakter matice. Ložiska jsou skloněna vůči šroubu, jak je zobrazeno na obrázku, a zároveň pod úhlem korespondujícím s úhlem stoupání. Je tak učiněno pro dosažení požadované funkce a zároveň vzniká větší kontaktní plocha - křivka na povrchu tyče. Ložiska jsou zároveň uspořádána tak, aby se tyče dotýkaly na protilehlých místech, což zaručuje jednoznačnou radiální polohu.
Popisovaný způsob transformace rotačního pohybu na přímočarý je základem výrobku firmy INA, který do sebe skloubil více konstrukčních možností (obr. 4) (viz. časopis). Je zde opět využit šroub se závitem, ale s vyšším stoupáním, aby vznikl prostor pro ložisko. Vnitřní kroužek ložiska je tvarován tak, aby zapadl do závitu. Ložisko je vhodně orientováno vůči šroubu, aby se vnitřní kroužek dotýkal boku závitu. Počet ložisek i protilehlá orientace zůstávají zachovány. Pro zajištění funkce musí být vnitřní průměr ložiska dostatečně veliký, větší oproti variantě bez závitu, což je jistou nevýhodou. Toto konstrukční provedení pohybového šroubu plně využívá axiální únosnosti ložisek, a proto dovoluje vyvodit větší axiální síly.
Poslední zajímavý mechanismus, o kterém bych se chtěl zmínit, opět nemá jednoznačný název a jeho princip je znázorněn na obrázku 5. Skládá se ze šroubu a válečků opatřených drážkami. Vnitřní část matice nemá kruhový tvar, ale tvar polygonu o třech i více vrcholech. Možná je varianta se dvěma vrcholy (eliptický tvar). Valivá tělíska při rotačním pohybu okolo šroubu procházejí fází kontaktu se závitem šroubu (nosná část) a místem (vrcholy polygonu), kde ztrácí kontakt se šroubem. V tomto prostoru dojde k postupnému vysunutí válečků ze záběru se šroubem a před jeho opětným navedení dojde k posunu o jeden závit. Díky určité podobnosti s harmonickými převodovkami by název mohl znít harmonické šrouby.

Závěr

Popsané mechanismy a jejich konstrukční provedení nejsou úplným výčtem. Některé varianty popsaných mechanismů nejsou dosud prakticky používány, zvláště proto, že pro mnohé existuje alternativa, kterou je léta používaný a prověřený kuličkový šroub a matice. Společným omezením pohybových šroubů je použitelná délka. Ve svislé poloze nejsou omezení až tak výrazná, ale ve vodorovné poloze dochází u dlouhých šroubů k velikým průhybům a s nimi souvisejícím problémům, které omezují jejich běžné použití na rozmezí 1 až 5 metrů, v opravdu výjimečných případech nad délku deset metrů. Navíc je-li otáčející se šroub dlouhý, dochází k jeho torznímu kroucení. I přes jisté nevýhody hovoří ve prospěch použití kuličkových šroubových mechanismů cena, protože cena např. karuselu, portálové frézky s lineárním pohonem o délce pěti metrů by v současnosti ceně strojů se šrouby nemohla konkurovat. Navíc, který z těchto strojů by využil zrychlení 10g lineárního pohonu?
Reklama
Reklama
Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 10105
Datum: 31. 01. 2001
Rubrika: Výroba / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
Svět mobility se mění

Společnost Schaeffler představila optimalizované pohony se spalovacími motory, které přispívají k dosažení klimatických cílů, jež plynou z Pařížské klimatické dohody. Další novinkou v jejím portfoliu jsou elektromotory dotažené do stavu připravenosti na sériovou výrobu.

Energeticky úsporné řemeny

Optimalizací řemenových převodů lze dosáhnout zvýšení účinnosti, úspory energie, vyššího přenášeného výkonu, delší životnosti a snížení nákladů na údržbu. Změnou řemenového převodu lze uspořit až 15 % energie.

Jak se vyvíjí a vyrábí proudový motor?

V letošním roce uvedla První brněnská strojírna Velká Bíteš (PBS) na trh nový turbínový motor PBS TJ150. Jedná se o proudový motor, u kterého se výkon, resp. tah motoru uvádí v jednotkách Newton. Maximální tah tohoto motoru činí 1 500 N. Je to již pátý typ proudového motoru, který tato exportně orientovaná firma dodává na zahraniční trhy.

Související články
Přístroje a aplikace pro správnou funkci řemenových převodů

Praskl vám klínový nebo ozubený řemen? Co je třeba udělat, aby řemenové převody správně fungovaly?

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Špičkové technologie pro letectví a kosmonautiku

Jako jedno z nejinovativnějších a nejprogresivnějších odvětví na světě spojuje letectví a kosmonautika téměř všechny dnešní špičkové technologie. Elektronika a robotika se zde setkávají v měřicí, regulační a řídicí technice. Přitom se letectví a kosmonautika v první řadě ujímají vývoje a provozu leteckých objektů, jako jsou letadla nebo speciální kosmické dopravní prostředky a družice.

Ozubené řemeny v pohonech ekologických taxi člunů

Britská firma vyvinula hybridní pohon pro 550 vodních taxíků pro Benátky. Kombinace dieselového motoru a elektromotoru zde snižuje hluk, emise i náklady, přičemž vysoce výkonný řemen Synchrochain Carbon umožňuje použití kompaktního motoru s nízkou hmotností.

Optimalizace koncepce pohonu strojů

Pomocí celkové dynamické simulace různých vzájemně působících posuvových systémů stroje může být již v návrhu posuzována vzájemná souhra mezi jednotlivými souřadnými osami. Dále je možné pomocí takové simulace navrhnout cenově příznivý koncept celkového pohonu menších rozměrů s vysokou přesností.

Klínové řemeny pro pohony obráběcích strojů

Klínové řemeny ContiTech Conti V jsou určeny pro vysoká zatížení a osvědčují se ve ztížených provozních podmínkách. Snadno se instalují a vyznačují se nízkou hlučností v širokém spektru aplikací.

Navrhování ložisek s využitím systémových znalostí

Společnost Schaeffler uvedla novou verzi svého výpočetního softwaru Bearinx 10.0. Ten nyní zahrnuje i novou řadu toroidních ložisek TORB a přináší nové funkce také v zákaznických verzích.

Najít svou konkurenční výhodu

„Najít svou konkurenční výhodu je v dnešní době zásadní,” říká v rozhovoru Ing. Radek Socha, ředitel SKF CZ, a. s.

Profilové válečkové vedení

Produktivita a ekonomický úspěch každého zařízení závisí především na kvalitě vybraných dílů lineárního vedení. Tyto díly často rozhodují o tom, s jakým přijetím se zařízení setká na trhu, a tedy pomáhají výrobci získat konkurenční výhodu. Z toho důvodu musí umožňovat v co největší možné míře přesné přizpůsobení vedení požadavkům aplikace a navíc, v ideálním případě, s využitím standardních dílů.

Řemen místo výtahových lan

Výrobce výtahů firma MSV Liberec spoléhá na kompozitní ploché řemeny Polyrope od firmy Continental ContiTech. Více než 100 let nebylo možné představit si nahrazení ocelových lan jako závěsného prostředku u výtahů. Teprve na přelomu tisíciletí byly jako první alternativa vyvinuty robustní polyuretanové výtahové řemeny, které byly z důvodu patentových práv původně vyhrazeny pouze pro vybrané výrobce výtahů. Tato situace se však dnes radikálně mění. Jako příklad uveďme firmu MSV Liberec, která pro své výtahy používá řemeny Polyrope firmy ContiTech. Ty jsou nyní k dispozici výrobcům výtahů na celém světě.

Bezpečnostní spojka pro řemenové pohony

Aplikace bezpečnostních spojek se používají ve všech oblastech techniky, v každém stroji nebo zařízení, kde je třeba omezit krouticí moment z důvodu ochrany strojů či výrobků před přetížením.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 4.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových (polohovacích) šroubů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit