Винтовые передачи: скользим или катимся?

Винтовые системы линейного перемещения решают одну и ту же задачу - преобразование вращательного в поступательное движение. Существует два базовых типа таких систем, которые кардинально различаются по конструкции и характеристикам: винтовые передачи скольжения и шарико-винтовые передачи.

Винтовые передачи скольжения устроены просто: имеется ходовой винт с тем или иным видом резьбы, который напрямую контактирует с гайкой из бронзы, стали или пластика. Плюсом является очень простая конструкция, но трение скольжения приводит к большим потерям энергии (КПД 30–70%) и нагреву. Точность позиционирования таких передач невелика  ±0,1 мм.
В последние годы получили распространение пластиковые самосмазывающиеся гайки, что минимизирует обслуживание.

Шарико-винтовые передачи используют принцип качения: между винтом и гайкой циркулируют стальные шарики (диаметр 1–5 мм) по специальным каналам. Шарики возвращаются через отдельный канал или дефлектор. Благодаря этому КПД достигает 90–95%, а точность позиционирования – менее 0,01 мм. Однако конструкция сложнее, требуется прецизионная шлифовка винта и сложная гайка с системой рециркуляции шариков и обязательной смазкой.

 Из различий в характеристиках проистекает и разница в применении.
  
- Винтовые передачи скольжения обычно выбираются для бюджетных или высоконагруженных решений. Их устанавливают на Z-ось 3D-принтеров и в прочие низкоскоростные системы линейного перемещения (до 2000 мм/мин), где нагрузки в основном статические. Они в 3-5 раз дешевле шариковых альтернатив, устойчивы к вибрации, пыли и загрязнениям. Замена изношенного винта также обычно очень проста.

  - Шарико-винтовые передачи используются в тех видах оборудования, где высокие требования к точности и скорости перемещения (до 10000 мм/мин). Например, в X/Y-осях фрезерных станков и обрабатывающих центров, в робототехнике, средствах автоматизации, точном медицинском оборудовании и на полупроводниковых и оптических производствах, где критичен каждый микрон.
В числе очевидных преимуществ - минимальное трение, долговечность (миллионы циклов), высокая жесткость и точность позиционирования.
 
Иногда встречается и гибридный подход в одном и том же оборудовании: шарико-винтовые передачи используются на горизонтальных осях X/Y, где важна одновременно и скорость и точность, а ходовые винты с гайками скольжения – на вертикальной оси Z, где преимущественно статическая нагрузка.