2. Винтовые передачи (пары «винт-гайка»). Общие сведения.

Винтовая передача служит в основном для преобразования вращательного движения в прямолинейное поступательное; превращение прямолинейного поступательного движения во вращательное с помощью винтового механизма встречается редко и применяется в некоторых областях техники, например в приборостроении.

В зависимости от профиля резьбы в осевом сечении передачи винт-гайка могут быть с прямоугольной, трапецеидальной, упорной, треугольной и специальной резьбой (рис. 1.1).

В зависимости от числа ниток (винтовых линий) приходящихся на ход резьбы (относительное перемещение гайки по оси винта за один оборот) винтовые пары могут быть одно-, двух- и многозаходными.

При однозаходной винтовой паре выступы (впадины), образующие резьбу расположены по одной винтовой линии, образуя витки резьбы, имеющие одно начало – один заход.

При многозаходной винтовой паре выступы (впадины), расположены на разных винтовых линиях, образуя витки резьбы, имеющие разные начала - разные заходы. Необходимое условие при этом – заходы должны быть равномерно распределены по окружности, т. е. между ними должны быть одинаковые углы.

По направлению винтовой линии пары винт-гайка (винтовые передачи) могут быть с правой и левой резьбой.

Прямоугольная резьба не стандартизирована. Она обеспечивает минимальное трение в винтовой паре, но обладает рядом недостатков:

1. Вследствие износа между боковыми поверхностями резьбы винта и гайки появляется зазор, что приводит к появлению «мертвого хода» винта и удару при изменении направления вращения винта;

2. Плохая центровка гайки по отношению к винту из-за наличия радиального зазора у вершины профиля;

3. Ниже прочность и жесткость витка по сравнению с другими профилями;

4. Технологические сложности изготовления – невозможна обработка высокопроизводительными способами, например фрезерованием.

Трапецеидальная резьба обладает по сравнению с прямоугольной большей прочностью и жесткостью витка, более технологична и хорошо центруется боковыми поверхностями. Она стандартизирована (см. приложение 1) и широко применяется при больших знакопеременных и ударных нагрузках, но имеет меньший коэффициент полезного действия.

Упорная резьба также стандартизирована (см. приложение 2) и широко применяется, когда осевая сила, действующая на винтовую пару постоянна. Упорная резьба обеспечивая такое же трение и коэффициент полезного действия как прямоугольная, но обладает большей прочностью и жесткостью, чем трапецеидальная. Закругление впадин резьбы на винте повышает усталостную прочность винта и позволяет воспринимать ударные нагрузки.

Треугольный профиль резьбы в винтовых парах используется редко (обычно это винтовые пары измерительного инструмента) из-за низкого коэффициента полезного действия, большого трения и самоторможения. Обычно этот профиль используется для крепежных резьб.

Различают кинематические (ходовые) передачи, используемые в механизмах настройки и измерительных приборах и силовые (грузовые) – в грузоподъемных механизмах, натяжных устройствах и т.п. В металлорежущих станках передача винт-гайка, применяемая для перемещения столов, суппортов, силовых головок и т.п., одновременно и силовая и кинематическая.

По виду трения в паре винт-гайка передачи делятся на передачи трения скольжения (рис. 2.1) и трения качения (шариковая винтовая передача с промежуточными телами качения в виде шариков или роликов; рис. 2.2).

Рис. 2.1 Передача трения скольжения Рис. 2.2 Передача трения качения

Достоинство пары трения скольжения (рис. 2.1) – простота, большое передаточное отношение (отношение окружного перемещения винта к перемещению гайки); самоторможение и возможность изготовления с большой точностью по шагу; большая по сравнению с шариковой винтовой передачей (ШВП) площадь контакта винта и гайки, что позволяет увеличить нагрузку (все грузовые пары, как правило, пары скольжения). Недостатки пары скольжения «винт-гайка» – сравнительно большое трение в резьбе (отсюда ее износ) и низкий коэффициент полезного действия (КПД) передачи.

Шариковая винтовая пара (ШВП) обладает всеми основными техническими преимуществами пары винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ (рис. 2.2).

Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) в гайке возвращаются в исходное положение. Недостатки ШВП: сложность конструкции гайки; ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности); ограничение по скорости вращения винта (из-за вибраций); высокая стоимость ШВП; невозможность использовать ШВП в качестве силовой винтовой пары (в грузоподъемных винтовых механизмах, прессах, натяжных устройствах). ШВП применяются в приборостроении и станкостроении (обычно в виде отдельного модуля или узла).