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 вращательного движения в поступательное (при больших углах подъема винтовой линии, порядка γ > 12°). Когда угол подъема больше угла трения, эту передачу можно использовать для преобразования поступательного движения во вращательное.

Различают два типа передач винт - гайка: передачи трения скольжения или винтовые пары трения скольжения (рис. 4.1 - 4.3); передачи трения качения или шариковые винтовые пары (рис. 4.4).

Ведущим элементом в передаче, как правило, является винт, ведомым - гайка. Конструктивно передача винт - гайка может быть выполнена: а) с вращательным движением винта и по­ступательным движением гайки (см. рис. 4.1); б) с вращаю­щимся и одновременно поступательно перемещающимся вин­том при неподвижной гайке (см. рис. 4.2); в) с вращатель­ным движением гайки / и поступательным движением винта 2 (см. рис. 4.3).

Передачи винт - гайка находят применение в уст­ройствах, где требуется по­лучать большой выигрыш в силе, например в домкратах, винтовых прессах, нагрузоч­ных устройствах испытатель­ных машин, механизмах по­дач металлорежущих станков или в измерительных и дру­гих механизмах для точных делительных перемещений. Рис. 4.1

/.

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) и др.

Рис. 4.2

Рис. 4.3

Рис. 4.4

Рис. 4.5

Рис. 4.6

С учетом сведений, полученных в курсе черчения, по рис. 4.6, а опишите образование винтовой линии. Определите на рис. 4.6,6 профиль резьбы и кратко опишите способ получения такой 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 γ (рис. 4.6, а), образованный винтовой линией по среднему диаметру резьбы d₂ и плоскостью, перпендикулярной к оси винта, называют углом подъема винтовой линии (резьбы):

tg γ =S/πd₂

где S - ход резьбы (рис. 4.7).

Длину катета А₁ 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 многозаходную 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 одно-заходная резьба. В многозаходной резьбе: р - шаг резьбы;

Рис. 4.7

S - ход резьбы. Для однозаходной резьбы р = S. Для много-заходной резьбы S = pz, где S - ход резьбы; р - шаг резьбы; z - число заходов.

По рис. 4.7,6 определите направление винтовой линии резьбы.Что называется ходом резьбы? Можно ли считать шагом резьбы расстояние между точками АА', СС, А"С", А"'С"' (рис. 4.6,а)?

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.

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.

По рис. 4.4 кратко опишите устройство с шариковыми винтовыми парами.

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 (БрОФЮ-1, БрОЦС6-6-3, БрАЖ 9-4 и др.), а также из серого (СЧ 20, СЧ 25) и антифрикционного чугунов (АЧВ-2,

Рис. 4.8

АЧК-2). 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 резьб 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).

Силы, возникающие в резьбе: Fa - осевая сила; F_t - окруж­ная сила (F, = 2M/d₂, R_f=fN, где f-коэффициент трения; N - нормальная реакция).

На рис. 4.9 R- равнодействующая сил N и Rf_f угол φ между векторами сил R и N - угол трения. Из теорети­ческой механики известно, что f=tgφ. Зависимость между Fa и F_t найдем из уравнения равновесия гайки под дей­ствием сил Ft; Fa; R:

F_t+F_r+R=0

откуда получим соотношение модулей сил

F_t=F_atg(γ+φ) (4.1)

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

Ft = F_atg (φ+γ) (4.2)

где φ' = arctg (f/ cos a/ 2) - приведенный угол трения; а - угол профиля резьбы.

Уточните, как осуществляется преобразование вращательного движения в поступательное.

Рис. 4.9

4.7, Самоторможение в передаче винт - гайка. В этом случае под действием силы Fa гайка не может поворачиваться (из-за трения) относительно неподвижного винта.

Условие самоторможения

γ < φ'. (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 угол подъема винтовой линии резьбы γ = 8 ÷ 16°, угол трения ф = 2 4- 6° (для стального винта и бронзовой гайки) и φ = 4 ÷ 8° (для стального винта и чугунной гайки).

Расшифруйте формулу (4.3). Как определить угол φ'?

4.8. КПД винтовой пары определяют отношением

η_в.п.= А.п.с/Aз, (4.4)

где А.п.с - работа сил полезного сопротивления на винте; Aз - работа движущих сил, затраченная на один оборот винта (гайки). По известной осевой силе Fa и окружной силе F_t определяют Апс и Aз (см. рис. 4.9):

Апс = F_aS = Fa π d₂ tgγ; Aз = Ft π d₂ = Fa tg(γ + φ')π d₂. Следовательно, КПД винтовой пары

η_вп = tgγ/[tg(γ + φ')]. (4.5)

КПД можно определить и графическим путем. Для случая самоторможения (γ < φ') при подъеме груза КПД получается менее 50%.

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

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-= Fm u η_вп

где η_вп = 0,15 ÷ 0,8 при коэффициенте трения f= 0,10; η_вп = 0,20 ÷ 0,9 при f= 0,06; η_вп = 0,5 ÷ 0,97 при f= 0,02.

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

Рис. 4.11

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; простота 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.