12. Передача винт-гайка

Общие сведения. Передачи винт – гайка применяют в различных машинах и механизмах для преобразования вращательного движения в поступательное и для получения большого выигрыша в силе.

Основными достоинствами передач винт–гайка являются: возможность получения медленного движения и высокой точности перемещений при простой и недорогой конструкции передачи, а также большая несущая способность и компактность.

Недостатком передач винт – гайка является низкий КПД.

Передачи винт – гайка применяют в различных машиностроительных конструкциях, например, в подъемно-транспортных машинах (домкраты), в станках (механизмы подачи рабочих инструментов и делительных перемещений), в измерительных приборах (механизмы регулирования и настройки), в винтовых прессах и др.

Рис. 12.1. Передача винт–гайка по схеме домкрата:

H – высота гайки; – высота подъема груза;

Т – крутящий момент на маховике

Основы теории винтовой пары (типы резьб, силовые и кинематические зависимости, КПД) изложены в главе 4.

В винтовых механизмах вращение винта или гайки осуществляется с помощью маховика, рукоятки и т. п. (см. рис. 12.1). Передаточное отношение можно выразить отношением окружного перемещения маховика S_M к перемещению гайки (винта) S_Г:

(12.1)

где d_M – диаметр маховика; р₁ – ход винта. При малом ходе винта и большом диаметре маховика можно получить большое передаточное отношение i.

Зависимость между окружной силой F_t на маховике и осевой силой F_a на гайке (винте) запишем в виде

(12.2)

где η – КПД винтовой пары.

Расчет резьбы винтовых механизмов. Основным критерием работоспособности этих резьб является износостойкость. Для уменьшения износа используют антифрикционные пары материалов (сталь – чугун, сталь – бронза), смазку трущихся поверхностей, малые допускаемые напряжения смятия при проектном расчете. Значение в ходовой резьбе определяют по такой же формуле, как и в крепежной, а именно:

(12.3)

где d₂ – средний диаметр резьбы; h – рабочая высота профиля; z – число витков гайки.

Для проектного расчета формулу (12.3) преобразовывают, заменив и обозначив:

— коэффициент высоты гайки,

— коэффициент высоты резьбы. (12.4)

Тогда получим

(12.5)

Здесь = 0,5 для трапецеидальной и прямоугольной резьбы; = 0,75 для упорной резьбы. Значение коэффициента высоты гайки выбирают в интервале = 1,2...2,5. Закаленная сталь – бронза [ ]_см = 11... 13 МПа; незакаленная сталь – бронза [ ]_см = 8... 10 МПа; незакаленная сталь – чугун [ ]_см = 4...6МПа.

После расчета по формуле (12.5) значение d₂ принимают по ГОСТу.

Винты, работающие на сжатие, например винты домкратов, проверяют на прочность и устойчивость (см. соответствующие разделы курса «Сопротивление материалов»).

13. Валы и оси

13.1. Общие сведения

На валах и осях размещают вращающиеся детали: шкивы, зубчатые колеса, барабаны и т.п. Вал отличается от оси тем, что передает вращающий момент от одной детали к другой, а ось вращающий момент не передает. Например, на рис. 13.1 момент от полумуфты 3 к шестерне 1 передается валом 2, а на рис. 13.2, барабан грузоподъемной машины передает момент от зубчатого венца канату самим барабаном. При передаче вращающего момента, вал всегда вращается, а ось может быть вращающейся (рис. 13.2, а) или не вращающейся (рис. 13.2, б). Валы, несущие на себе детали, через которые передается вращающий момент, воспринимают от этих деталей нагрузки и поэтому такие валы работают одновременно на изгиб и кручение. При действии осевых нагрузок, как, например в косозубых цилиндрических, конических и червячных передачах, валы работают также на растяжение или на сжатие.

Рис. 13.1. Прямой ступенчатый вал: 1 – шестерня; 2 – вал;

3 – полумуфта

Рис. 13.2. Оси: а) вращающаяся ось; б) не вращающаяся ось

По форме геометрической оси различают валы прямые, коленчатые и гибкие. По конструкции различают валы и оси: гладкие, фасонные или ступенчатые, а также сплошные и полые.

Для осевого фиксирования деталей на валу или оси используются уступы (рис. 13.3, д–ж), буртики (рис. 13.3, а), конические участки (рис. 13.3, б), стопорные кольца (рис. 13.3, в), распорные втулки, которые могут монтироваться в одном комплекте с другими деталями (рис. 13.3, г). Переходные участки между двумя диаметрами выполняют: 1) с галтелью постоянного радиуса (рис. 13.3, ё); 2) с галтелью переменного радиуса (рис. 13.3, ж). Такая галтель снижает концентрацию напряжений. Применяется она на сильно нагруженных участках валов и осей. Полыми валы изготовляют для уменьшения массы или в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло.

Рис. 13.3. Виды переходных участков валов

Для обеспечения необходимого вращения деталей вместе с осью или валом применяют шпонки, шлицы, штифты, профильные участки валов и посадки с натягом.

Оси и валы изготовляют в основном из углеродистых и легированных конструкционных сталей, так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках. Чаще применяют сталь Ст5 для валов без термообработки; сталь 45 или 40Х для валов с термообработкой (улучшение); сталь 20 или 20Х для быстроходных валов.