5. Коефіцієнт корисної дії передачі гвинт-гайка

Кінематична пара гвинт – гайка відноситься до п’ятого класу, тобто має одну ступінь рухливості.

У гвинтових механізмах гвинт або гайка обертаються за допомогою рукоятки, маховика або привода. Передаточне відношення при цьому визначається відношенням колового пересування рукоятки , мм до осьового пересування гайки або гвинта , мм

; (1.24)

де – довжина рукоятки, мм.

Недоліком гвинтових передач є низький ККД (до 50%). Коефіцієнт корисної дії є відношенням ефективної роботи до витраченої

; (1.25)

тут – колове зусилля на рукоятці, Н; – осьове зусилля на гайці або на гвинті, Н.

Виконуючи заміну з передаточним відношенням (1.24), остаточно отримуємо ККД

. (1.26)

Максимально можливий (теоретичний) ККД гвинтової передачі отримуємо за формулами для випадку, коли обертальний рух перетворюється у поступальний

; (1.27)

для випадку перетворення поступального руху в обертальний

. (1.28)

Досягнення таких значень ККД ускладнюється умовами роботи та особливостями привода механізму.

2. Методика розрахунку гвинтової пари

Критеріями розрахунку передачі гвинт – гайка з тертям ковзання є визначені експериментально допустимі значення: контактного тиску ; температур ; інтенсивності спрацювання матеріалу витків ; моменту опору (тертя) або еквівалентного обмеження за коефіцієнтом тертя ковзання ; швидкостей ковзання у контакті витків .

Розрахунок гвинтового механізму на спрацювання в етапі проектування є основним, оскільки ресурс передачі обумовлюється її стійкістю проти спрацювання (критерій працездатності). Параметром, який характеризує стійкість проти спрацювання різьби гвинтової пари обрано контактний тиск в різьбі гвинта та гайки, який не повинен бути більшим за допустимий питомий тиск (табл. 3).

За цим критерієм виконують проектний розрахунок гвинтової передачі.

Гвинт перевіряється на міцність та стійкість.

1. Вибір матеріалу та розрахунок допустимих напружень гвинта та гайки

Матеріали основних деталей передачі повинні утворювати антифрикційну пару, тобто мати низький коефіцієнт тертя та бути стійкими проти спрацювання.

Матеріал гвинта повинен добре оброблятися та бути достатньо міцним та твердим. Гвинти без термообробки виготовляють із сталей марок Ст4, Ст5, сталей 45, 50 або А45, А50, А40Г, У10А; загартовані гвинти – з марок 65Г, 40Х, 40ХГ; азотовані – з марок 40ХФА, 18ХГТ. Азотування забезпечує високу стійкість проти спрацювання і мінімальні деформації при зміцненні. Підвищити стійкість проти спрацювання можна електромеханічним зміцненням і поверхневим загартуванням.

Допустиме напруження на розтяг – стискання обчислюється за формулою

, МПа; (2.1)

де – границя текучості сталей (табл. 1), МПа; – допустимий коефіцієнт запасу міцності.

Таблиця 1. Механічні властивості сталей.

Марка сталі	Границя міцності , МПа	Границя текучості , МПа	Твердість за Бринелем НВ
Ст4	480	265	152
Ст5	570	285	170
45	640	360	180
50	640	380	190
65Г	1000	800	241
40Х	1000	800	241
40ХГ	1120	866	229
35Л	510	286	–
45Л	560	326	–

Для ходового гвинта з цих марок діаметром до 30 мм допустиме напруження стискання приймають МПа. Для гвинтів більших діаметрів МПа.

Матеріалом гайки служать олов’яні бронзи (таблиця 2), цинковий сплав ЦАМ 10-5, а за невеликих швидкостей та навантажень – антифрикційний чавун.

Гайки великих та середніх діаметрів заливають антифрикційним сплавом.

Таблиця 2. Механічні властивості олов’яних бронз.

Марка бронзи	Границя міцності , МПа	Границя текучості , МПа
БрОФ 10-1	350…400	140…200
БрОЦС 6-6-3	150…200	80…100

Допустимі напруження для гайок з бронзи при роботі:

на розтяг ; (2.2)

на згин ; (2.3)

на зріз ; (2.4)

на зминання . (2.5)

У менш відповідальних випадках гайку виконують з антифрикційних чавунів АЧС–1 та АЧС–3.

Допустимі напруження для гайок з антифрикційного чавуна МПа; МПа; МПа.

Значення допустимого контактного питомого тиску та коефіцієнта тертя для змащеної різьби наведені у таблиці 3 для різних матеріалів пари гвинт – гайка.

Таблиця 3. Допустимий питомий тиск та коефіцієнт тертя пари гвинт-гайка.

Матеріал гвинта та гайки	Допустимий питомий тиск , МПа	Коефіцієнт тертя
Чавун по чавуну	3,0...3,5	0,15
Незагартована сталь по антифрикційному чавуну	5,0...7,0	0,12...0,15
Сталь по сталі	7,0...13	0,11...0,12
Незагартована сталь по бронзі	7,0...10	0,08...0,10
Загартована сталь по бронзі	11...13	0,08...0,10