Глава 4

ПЕРЕДАЧА ВИНТ-ГАЙКА

§ 1. Устройство и назначение, достоинства и недостатки

4.1. Передача винт-гайка (рис. 4.1) состоит из винта 1 и гайки 2, сопри­касающихся винтовыми поверхностями.

Передача винт-гайка предназначена для преобразования вращательнег; движения в поступательное (при больших углах подъема винтовой линии, порядка у> 12°). Когда угол подъема больше угла трения, эту переда-г. можно использовать для преобразования поступательного движения бс вращательное.

Рис. 4.1. Передача винт-гайка

Различают два типа передач винт-гайка:

• передачи трения скольжения или винтовые пары трения скольженн- (рис. 4.1-4.3);

• передачи трения качения или шариковые винтовые пары (рис. 4.41 Ведущим элементом в передаче, как правило, является винт, вед:-

мым — гайка. Конструктивно передача винт-гайка может быть вы­полнена:

• с вращательным движением винта и поступательным движением гай­ ки (см. рис. 4.1);

• с вращающимся и одновременно поступательно перемещающимс^: винтом при неподвижной гайке (см. рис. 4.2);

• с вращательным движением гайки 1 и поступательным движение' винта 2 (см. рис. 4.3).

Передачи винт-гайка находят применение в устройствах, где требует; получать большой выигрыш в силе, например в домкратах, винтовых прес­сах, нагрузочных устройствах испытательных машин, механизмах

Рис. 4.2. Винтовой домкрат: 1—винт; 2 — гайка; 3 —стопорный

винт; 4 — рукоятка; 5 — чашка

домкрата; 6— шип, 7 — корпус

Рис. 4.3.Передача

винт-гайка: / — гайка;

2 — винт

Рис. 4.4.Передача

винт-гайка с трением

качения

металлорежущих станков или в измерительных и других механизмах для точных делительных перемещений.

Опишите работу простейшего винтового устройства — домкрата (см. рис. 4.2).

4.2. По конструкции винт представляет собой цилиндрический стер­жень цельной (см. рис. 4.2) или сборной конструкции с резьбой.

Резьба образуется путем нанесения на цилиндрический стержень винто­вых канавок с сечением определенного профиля.

По форме профиля резьбы делят на треугольные (рис. 4.5, а), прямо­угольные (рис. 4.5, б), трапецеидальные (рис. 4.5, в), упорные (рис. 4.5, г), круглые (рис. 4.5, д).

Рис. 4.5. Профили резьб:а — треугольная;

б — прямоугольная; г — упорная; д — с круговым профилем

Винтовая линия образуется, если прямоугольный треугольник АА_ХС (рис. 4.6) огибать вокруг прямого кругового цилиндра.

Рис. 4.6. Схема образования резьбы

Винтовую линию образует навиваемая на цилиндр гипотенуза АС тре­угольника, при этом один из катетов, совпадающий с плоскостью основа­ния цилиндра по длине, равен длине окружности основания nd₂, а второй катет — шагу винтовой линии.

На рис. 4.6, б показана резьба треугольного профиля. При перемеще­нии плоской фигуры, например треугольника abc (см. рис. 4.6, б), по вин­товой линии так, чтобы ее плоскость всегда проходила через ось О—О, бо­ковые стороны этой фигуры (ab и be) описывают поверхность резьбы.

4.3. Винтовая линия (и соответственно резьба) может быть правой и ле­вой.

Правая винтовая линия идет слева направо и вверх, левая — справа на­лево и вверх. Наиболее распространенной в машиностроении является правая резьба. Угол у (рис. 4.6, а), образованный винтовой линией по сред­нему диаметру резьбы d₂ и плоскостью, перпендикулярной к оси винта, на­зывают углом подъема винтовой линии (резьбы):

где S — ход резьбы (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Виды резьб: а — однозаходная; б — двухзаходная; в — трехзаходная

Длину катета А_{С (см. рис. 4.6, а) обозначают р и называют шагом вин­товой линии. Если по «параллельным» винтовым линиям перемещаются два или несколько рядом расположенных профиля, то они образуют мно-гозаходную резьбу. По числу заходов резьбы делятся на однозаходную (см

рис. 4.7, а), двухзаходную (см. рис. 4.7, б), трехзаходную (см. рис. 4.7, в) и т. д. Наибольшее распространение имеет однозаходная резьба.

В многозаходной резьбе: р — шаг резьбы; S — ход резьбы. Для одноза-ходной резьбы р = S. Для многозаходной резьбы S = pz, где S — ход резьбы; р — шаг резьбы; z — число заходов.

По рис. 4.7, б определите направление винтовой линии резьбы. Что назы­вается ходом резьбы! Можно ли считать шагом резьбы расстояние между точками АA^/, СО^/, А"С", А"'С" (рис. 4.6, й)?

4.4. Длинные винты путем свинчивания делают составными (рис. 4.8). В передаточных (грузовых и ходовых) винтах чаще применяют трапецеи­дальную резьбу со средним шагом. Резьбу с мелким шагом применяют для делительных перемещений повышенной точности, с крупным — при тяже­лых условиях работы силовой передачи.

Рис. 4.8. Составной винт

Для винтов, находящихся под действием больших односторонних нагру­зок, применяют упорную резьбу. Реже (для передаточных винтов) применяют прямоугольную резьбу.

Для шариковых винтовых пар применяют специальные профили резьб, одна из которых показана на рис. 4.4.

Конструкции винтов должны удовлетворять общим требованиям, предъявляемым к конструкции валов, т. е. не иметь резких переходов, кольцевых выступов большого диаметра и т. п.

Материал винтов — сталь 45, 50, Ст4, Ст5, У10, 40Х, 40ХГ, 40ХВГ, 65Г и др.

4.5. Гайку в большинстве случаев выполняют в форме втулки 2 (рис. 4.1), иногда с фланцем для ее осевого крепления (см. рис. 4.2), цельной или разъемной конструкции (например, гайка, состоящая из двух частей, охва­тывающих ходовой винт в токарно-винторезном станке). В отдельных слу­чаях выполняют гайки более сложных конструкций (с компенсацией изно­са и т. п.).

Основной причиной выхода из строя передач винт-гайка является изнаши­вание гайки (реже винта). Для уменьшения трения и изнашивания резьбы гайки передачи изготовляют из бронз (БрО10Ф1, БрОбЦбСЗ, БрА9Ж4 и др.), а также из серого (СЧ20, СЧ25) и антифрикционного чугунов. Для уменьшения расхода бронзы гайки делают из двух металлов: корпус гай­ки — из стали или чугуна; рабочую часть гайки — из бронзы, а иногда из баббита.

Какие виды резьбы применяют для гаек в передаче винт-гайка?

4.6. Силовые соотношения в винтовой паре передачи.

Для удобства рассмотрения сил в винтовой паре развернем виток резь­бы по среднему диаметру d₂ в наклонную плоскость, а гайку представим в виде ползуна (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Силовые соотношения в винтовой передаче

Силы, возникающие в резьбе: F_a — осевая сила; F, — окружная сила (F, = 2T/d₂; F_f=fN, где f — коэффициент трения; N — нормальная реак­ция).

На рис. 4.9 R — равнодействующая сил Nw F_f, угол ср между, векторами сил R и N — угол трения. Из теоретической механики известно, что/= tgc. Зависимост^между^ и F_t найдем из уравнения равновесия гайки под дей­ствием сил F_n F_a, R:

откуда получим соотношение модулей сил

(4.1)

Формула (4.1) справедлива только для прямоугольной резьбы. Для тре­угольной или трапецеидальной резьбы

(4.2)

где φ' = arctg(f/cosα/2) — приведенный угол трения; a — угол профиля резьбы.

Уточните, как осуществляется преобразование вращательного движения в поступательное.

4.7. Самоторможение в передаче винт-гайка.

В этом случае под действием силы F_a гайка не может поворачиваться (из-за трения) относительно неподвижного винта. Условие самоторможения

(4.3)

По условию (4.3) проверяют, например, винтовые домкраты (см. рис. 4.2). Груз не должен опускаться, пока к рукоятке не приложена сила Резьбы многозаходные для передачи движения (специальные) имеют уго.-подъема винтовой линии резьбы у = 8-^16°, угол трения ф = 2 -=- 6° (для стального винта и бронзовой гайки) и ф = 4 -ь 8° (для стального винта и чу­гунной гайки).

Формула (4.3) определяет условие самоторможения, а именно для са­моторможения передачи винт-гайка необходимо, чтобы угол подъема вин­товой линии резьбы (у) был меньше приведенного угла трения ср'.

Определение угла ср':

φ = arctgf— угол трения;

приведенный угол трения (см. шаг 4.6).

4.8. КПД винтовой пары определяют отношением

(4.4)

где А_пс — работа сил полезного сопротивления на винте; А₃ — работа дви­жущих сил, затраченная на один оборот винта (гайки).

По известной осевой силе F_a и окружной силе F, определяют А_пс и А₃ (см. рис. 4.9):

Следовательно, КПД винтовой пары

(4.5)

КПД можно определить и графическим путем. Для случая самотормо­жения (у < ф')Кпри подъеме груза КПД получается менее 50 %.

По графику (рис. 4.10) определите КПД передачи винт-гайка, если у = 10°, коэффициент трения f= 0,10.

Рис. 4,10. Зависимость КПД винтовой передачи от угла подъема винтовой линии

4.9. Передаточное число передачи винт-гайка условно можно записать

u=C/S, (4.6)

где С = πD — длина окружности маховичка, с помощью которого осуществ­ляется вращение винта (рис. 4.11); S — ход винта.

Зависимость между окружной силой на маховичке и осевой силой F:

^F= F_Mur]_Bn,

где η_BП = 0,15 ÷0,8 при коэффициенте трения f= 0,10;

η_ВП = 0,20 ÷ 0,9 при f=0,06;

η_b, = 0,5 ÷ 0,97 при f=0,02.

Определить передаточное число и, если диаметр маховичка D = 300 мм, ход винта S = 1 мм.

Рис. 4.11. Кинематическая схема передачи винт-гайка

4.10. Достоинства и недостатки передачи винт-гайка.

Основные достоинства: возможность получения большого выигрыша в силе; высокая точность перемещения; плавность и бесшумность работы; большая несущая способность при малых габаритных размерах; прбстота конструкции.

Недостатки передач винт-гайка: большие потери на трение и низкий КПД; затруднительность применения при больших частотах вращения.

Запишите в конспект достоинства и недостатки передачи винт-гайка. Дайте определение параметрам р и S.