3360

где: η – КПД червячной передачи,

N1 – передаваемая мощность, KBт, KT – коэффициент теплоотдачи

KT = 10 …16 ккал/м2

t0 – температура окружающего воздуха, °С,

S – свободная поверхность охлаждения корпуса передачи (плюс 50 % поверхности ребер), м2.

ψ – коэффициент, учитывающий теплоотвод в фундаментную плиту или раму ψ ≈ 0,3.

Приравнивая левые части уравнений /на основе теплового баланса: Q = Q1max, после преобразований можно получить рабочую температуру масла или мощность, длительно передаваемую передачей при условии, что температура масла в редукторе не превышает допустимой:

Если t > [t]max, т.е. Q > Qmax, то должен быть предусмотрен отвод избыточного тепла Q – Q1max. Это достигается оребрением редуктора, искусственной вентиляцией, змеевиками с охлаждающей жидкостью в масляной ванне и др. охлаждающими устройствами.

Если передача работает с перерывами и время непрерывной работы и паузы малы по сравнению с временем разогрева передачи до установившейся температуры, то расчет можно вести по тем же зависимостям, что и при постоянном режиме, но по среднему количеству тепла, выделяющемуся за единицу времени, тогда, в формулы вместо Q подставляют

29

Q Tp ,

Tобщ

где: ТР – время работы, Тобщ – общее время: время работы (Тр) плюс время пауз за

один цикл работы передачи или, например, за 1 час.

Для передач, работающих с длительными остановками, во время которых они успеют остыть, расчетом определяют время "Т" непрерывной работы до приобретения маслом предельно допустимой температуры.

21. ПЕРЕДАЧА ВИНТ-ГАЙКА

Учебные вопросы 1. Назначение, достоинства и недостатки, область приме-

нения 2. Виды передачи (разновидности). Передачи скольже-

ния

3.Передачи качения

4.Проектный расчет передачи (винт-гайка скольжения)

5.Проверка винта на устойчивость

21.1. Назначение, достоинства и недостатки, область применения

Назначение передач винт–гайка – преобразование вращательного движения в поступательное. Эти передачи при значительной несущей способности, нескольких габаритных размерах и массе конструктивно просты и технологичны в изготовлении. Они обеспечивают большой выигрыш в силе самоторможение при однозаходной резьбе, возможность получения медленного движения, достижение высокой точности перемещения.

30

Рис. 21.1. Схема с вращающимся винтом и поступательно перемещающейся гайкой

1 – двигатель; 2 – редуктор; 3 – винт; 4 – гайка

Схема с вращающимся винтом и поступательно перемещающейся гайкой (обеспечивает большие перемещения. Применяется в механизмах изменения стреловидности крыла самолета).

Передачи могут быть выполнены на основе трения скольжения и трения качения.

К недостаткам передач винт – гайка с трением скольжения следует отнести большие потери на трение и низкий КПД (0,25…0,4 при однозаходных резьбах) и невозможность применения при больших скоростях скольжения в резьбе больше скорости осевого перемещения в 1/sinθ. Что в 10…40 раз превышает скорость осевого перемещения и способствует повышенному износу и перегреву механизма.

Наиболее характерными областями применения передачи винт – гайка являются:

-поднятие грузов (домкраты);

-нагружение в испытательных машинах;

-осуществление рабочего процесса в станках (винтовые процессы);

-управление оперением самолетов (закрылки, руки направления и высоты, механизмы выпуска шасси и изменения стреловидности крыла);

-перемещение рабочих органов робота;

31

- точные делительные перемещения (в измерительных механизмах и станках).

21.2. Виды передачи (разновидности). Передачи скольжения

Передачи винт – гайка по характеру движения звеньев разделяются на:

-передачи с вращающимся винтом и ведомой, поступательно перемещающейся гайкой (наиболее распространенное исполнение). Такая схема обычно используется в силовых передачах при больших перемещениях (например, роботы, механизмы изменения стреловидности крыла);

-передачи с вращающейся гайкой и ведомым поступательно перемещающимся винтом. Такие передачи применяются при небольших перемещениях и значительных осевых нагрузках (например, в механизмах управления стабилизаторами ЛА.)

Рис. 21.2. Схема передачи винт-гайка с вращающейся гайкой

ипоступательно перемещающимся винтом

-с вращающимся и одновременно поступательно перемещающимся винтом при неподвижной гайке (простые домкраты);

-дифференциальная винтовая передача, которая состоит

из винта с двумя участками резьбы разных шагов (Р1 и Р2), но одного направления.

32

Рис. 21.3. Схема винтовой дифференциальной передачи

При вращении винта 1 гайка 2 совершает два поступательных движения: относительно винта 1 и вместе с винтом 1 относительно стойки 3.

Полное поступательное перемещение гайки 2 относительно стойки 3 пропорционально разности шагов (Р1 – Р2).

Следовательно, дифференциальная передача винт-гайка обеспечивает малые линейные перемещения.

- интегральная винтовая передача (рис. 22.4). Она устроена аналогично дифференциальной, но имеет различные направления резьбы на участках винта. Здесь осевое перемещение гайки относительно стойки пропорционально сумме шагов

(Р1 + Р2).

Рис. 21.4. Интегральная винтовая передача

33

При небольшом угле поворота винта интегральная передача обеспечивает увеличение осевого перемещения гайки.

- несоосная винтовая передача. Она состоит из винта 1, гайки 2, свободно вращающейся в подшипниках 3, нагружение кольца которых установлены в корпусе 4. Корпус 4 в осевом направлении перемещается вместе с гайкой 2.

21.3.Передачи качения. Передачи скольжением

Вотличие от резьбовых соединений, в которых важна повышенная надежность против самоотвинчивания (треугольная резьба), в передаточных винтах важно малое трение. Поэтому в передачах винт – гайка скольжения применяют главным образом трапециидальную резьбу с мелким, средним и крупным шагом. Эта резьба обладает высокой прочностью витков, технологична в изготовлении и имеет сравнительно небольшие потери на трение. Трапецеидальная резьба стандарти-

зована (ГОСТ 9484 – 81, ГОСТ 24737 – 91, ГОСТ 24739 – 81).

Для точных перемещений применяют прямоугольные резьбы, главным недостатком которых является трудность изготовления (невозможность окончательной обработки фрезерованием и шлифованием).

Для точных винтов измерительных и делительных механизмов иногда применяют метрическую резьбу мелкого шага.

Для винтов, подверженным большим односторонним осевым нагрузкам, например, в прессах, нажимных устройствах прокатных станков применяют упорную резьбу ГОСТ

10177 – 82.

Материалы винтов. Ходовые винты должны обладать достаточно высокой износостойкостью и хорошей обрабатываемостью.

Слабонапряженные и тихоходные винты не подвергаемые закалке, изготавливают из стали 45, 50 или А45, А50, У10 А. Тяжелонагруженные винты подвергают закалке и изготавливают из сталей 65Г, 40Х, 40ХН. Для получения особо твердой поверхности витков применяют азотирование (сталь 18ХСТ, 40 ХФА, 12ХН3А). Азотирование обеспечивает высо-

34

кую износостойкость и минимальное деформирование при упрочнении, поэтому его рекомендуют применять при изготовлении ходовых винтов станков.

Для уменьшения потерь на трение гайки выполняют из антифрикционных материалов: оловянистых (Бр. ОФ 10-1, Бр. ОЦС 6-6-3) и безоловянистых (Бр. Аж 9-4, АЖ Мц 0-3-1,5) бронз, способных воспринимать большие удельные нагрузки и обладающих хорошими антикоррозионными свойствами и прирабатываемостью. Оловянистые бронзы применяют при окружных скоростях 0,2…0,25 м/с. При меньших скоростях применяют безоловянистые бронзы, которые менее дефицитны, но в паре со сталью имеют более высокий коэффициент трения. При малых скоростях и нагрузках гайки изготавливают из антифрикционного чугуна (ГОСТ 1585-85).

21.4. Проектный расчет передачи (винт – гайка скольжения)

Основным видом разрушения в передаче винт – гайка скольжения является износ резьбы. Поэтому, для обеспечения необходимой износостойкости, прежде всего, нужно, чтобы среднее давление в резьбе Рср не превышало допускаемое:

где F – расчетная осевая сила, действующая на винт; d2 – средний диаметр резьбы;

h – рабочая высота профиля, принимаемая для трапецеидальной резьбы 0,5 Р, для упорной 0,75 Р, а для треугольной метрической 0,54 Р (где Р – шаг резьбы);

z – число витков резьбы на высоте гайки Н (z = Н/Р). Подставив в формулу значения h и z получаем для трапе-

цеидальной резьбы необходимый средний диаметр резьбы:

35

рают для целых гаек в пределах 1,2…2,5, а для разъемных

2,5…3,5.

Большие значения метров и наоборот.

Допускаемое давление в резьбе для пар [P]: закаленная сталь – бронза [10…15] МПа; незакаленная сталь – бронза [7…8] МПа; незакаленная сталь – чугун [5] МПа.

При проектировании нажимных устройств прокатных станков принимают [Р] = 15…20 МПа. Давление в резьбе винтов, служащих для точных перемещений (делительные цепи станков) должно быть в 2…3 раза меньше, чем в резьбе винтов общего назначения.

По найденному значению среднего диаметра резьбы и соответствующему стандарту находят все остальные параметры резьбы, а затем проверяют прочность витков резьбы гайки на срез:

где ξ – коэффициент полноты резьбы (трапецеидальная ξ = 0,65);

D – номинальный диаметр резьбы; Н – высота гайки;

[ηср] – допускаемое напряжение на срез, [ηср] =

(0,2…0,3)ζТ.

21.5. Проверочный расчет винта на прочность

При вращении винт сжимается и скручивается.

Если число циклов нагружения винта меньше 103 (N < 103), то стержень винта проверяют на прочность по эквивалентному напряжению:

36

где ζс = 4 F/(πd 12 );

-сжимающее нормальное напряжение, действующее на винт (d1 внутренний диаметр резьбы винта)

η= М/Wρ;

-касательное напряжение, действующее на винт (М – крутящий момент на винте, Wρ = 0,2 d13 – полярный момент

сопротивления сечения винта); [ζ]р – допускаемое напряжение, которое во избежание

местных пластических деформаций принимают [ζ]р ≤ ζТ/3. Если число циклов нагружения передачи больше 103 (для

механизмов ЛА N = 104…105), то расчет на прочность стержня винта ведут с учетом усталостного разрушения:

где [n] –допускаемый коэффициент запаса прочности. Для ходовых винтов ЛА [n] = 1,3…1,5.

21.6. Проверка винта на устойчивость

Сжатые винты проверяют на устойчивость. За расчетное принимают крайнее положение гайки, когда винт подвергается сжатию на максимальной длине.

Условие устойчивости винта при продольном изгибе имеет вид:

скр , n4

где ζс – расчетное напряжение сжатия; ζкр – критическое напряжение;

[nу] – допускаемый коэффициент запаса устойчивости (для ходовых и грузовых винтов [nу] = 3…5);

37

θ – коэффициент понижения допускаемого напряжения для сжатия стержней (выбирается в зависимости от гибкости стержня и материала винта).

Критическое напряжение ζкр определяют по диаграмме изменения критического напряжения в зависимости от гибкости стержня .

Рис. 21.5. График для определения критического напряжения

Для построения этой диаграммы сначала определяют гибкость пред материала винта, при которой критическое напряжение ζкр равно пределу пропорциональности ζпц материала винта:

где Е – модуль упругости материала винта, для стального вин-

та Е = (2,0…2,2) · 105 МПа;

ζпц – предел пропорциональности материала, определяется его механическими характеристика.

Находим начальную гибкость 0 при которой критическое напряжение равно пределу текучести ζт материала винта, используя формулу Ясинского:

где а и в – эмпирические коэффициенты для сталей

38