Детали машин





Передача винт - гайка



Общие сведения и характеристики

Передача винт – гайка используется для преобразования вращательного движения одного из звеньев в поступательное движение другого звена.
передачи винт - гайка Состоит такая передача из двух звеньев – винта и гайки, при этом одно из звеньев закреплено от осевого перемещения.

Передачи винт – гайка делят на передачи скольжения и качения. В передачах качения между витками гайки и винта размещают тела качения – шарики или ролики (рис. 2д), в передачах скольжения используют свойства резьбы, которая может иметь различный профиль – прямоугольный, треугольный, трапецеидальный, круглый и т. п.(рис. 2г).

Винты в таких передачах делят на грузовые и ходовые.
Грузовые винты предназначены для передачи значительных осевых усилий (чаще всего – в домкратах, винтовых прессах и нажимных устройствах), ходовые – для установочных, рабочих и холостых перемещений рабочих органов механизмов.
В силовых передачах чаще всего используют упорную резьбу, в ходовых – трапецеидальную, прямоугольную или треугольную.
Для устранения «мертвого хода» в ходовых передачах вследствие износа резьбы гайки ходовых винтов выполняют разъемными (см. рис. 2).
Для установочных (применяемых для точных перемещений и регулировок) передач винт – гайка чаще всего используют метрическую резьбу.


характеристика и расчет передачи винт-гайка

***

Достоинства и недостатки передачи винт – гайка

К достоинствам передачи винт – гайка можно отнести следующие свойства:

  • большой выигрыш в силе благодаря большому передаточному числу;
  • возможность получения медленного перемещения с высокой точностью;
  • плавность и бесшумность;
  • простота конструкции, изготовления и монтажа;
  • возможность изготовления с высокой точностью;
  • самоторможение в передаче;
  • малые габариты при большой несущей способности.

Основным недостатком передачи винт – гайка является низкий КПД из-за больших потерь на трение. Этот недостаток можно уменьшить использованием передачи качения, но такая передача сложнее в изготовлении.

***

Область применения передач винт – гайка

Передачи винт – гайка широко применяют для создания больших осевых усилий (прессы, станки, винтовые домкраты, разрывные машины, тиски и т. п.), а также для точных перемещений (механизмы подачи в станках, регулировочные устройства в приборах, механизмах управления и т. п.).

***

Материалы, применяемые в передачах винт – гайка

Материалы винта и гайки должны представлять антифрикционную пару, т. е. быть износостойкими и иметь минимальный коэффициент трения. Выбор марки материала зависит от назначения передачи, условий работы и способа обработки резьбы.

Для винтов применяют стали марок 50, 40ХГ, 65Г и др. В ответственных передачах для повышения износостойкости применяют закалку винтов до твердости ≥ 45 HRC с последующей шлифовкой резьбы.

Вместо закалки применяют азотирование, используя в этом случае стали марок 40ХФА, 18ХГТ и др. Азотирование обеспечивает максимальную твердость поверхности и минимальную деформацию винтов.

Гайки ответственных передач изготовляют из оловянных бронз марок БрО10Ф1, БрО6Ц6С3 и др., а в тихоходных передачах – из антифрикционных чугунов марок АВЧ-1, АКЧ-1 или серого чугуна марки СЧ20.

***

Основные характеристики передачи винт - гайка

Ведущим звеном в передаче может быть как винт, так и гайка.
Скорость поступательного перемещения гайки (винта) в мм/сек можно определить по формулам:

передача винт - гайка

v = zpn/60 = ωph/2π,

где:
z – число заходов резьбы винта; p – шаг резьбы в мм; ph – ход винта: ph = pz; n – частота вращения винта (гайки) в об/мин.

Поскольку в передаче винт – гайка одно из звеньев совершает поступательное, а другое – вращательное движение, определить передаточное число или передаточное отношение сравнением частот вращения или угловых скоростей невозможно. По этой причине сравнивают линейные перемещения или линейные скорости точек ведомого и ведущего звена.
При этом у звена, совершающего вращательное движение, определяют линейное перемещение (окружную скорость) внешней точки звена (гайки, винта) или маховика, передающего (принимающего) мощность. У звена, совершающего поступательное движение, определяют линейное перемещение (или скорость) любой из точек.

Передаточное отношение передачи винт – гайка определяется по формуле:

i = πD/ph,

где:
D – диаметр маховика; ph – ход винта (см. рис.1): ph = pz, где p – шаг резьбы; z – число заходов резьбы.

Окружная сила на маховике (см. рис. 1):

расчет передачи винт-гайка

Ft = Fa,

где:
Fa – осевая сила на гайке (винте); i = передаточное отношение передачи; η – КПД передачи; без учета потерь в опорах КПД передачи можно подсчитать по формуле:

η = tgψ/tg(ψ + φ),

где ψ – угол подъема винтовой линии (см. рис. 3); tgφ = f - коэффициент трения:
φ = arctg f. (О том, как рассчитывается КПД передачи винт – гайка с учетом потерь в опорах смотри в конце статьи.)

***



Допускаемые напряжения в передаче винт - гайка

Допускаемые напряжения для расчета деталей передачи винт – гайка скольжения принимают по следующим рекомендациям:

1. Допускаемое давление в резьбе:
незакаленная сталь по чугуну [q]изн = 2…5 Н/мм2;
незакаленная сталь по бронзе: [q]изн = 7…8 Н/мм2;
для винтов домкратов и струбцин, т. е. сравнительно редко используемых механизмов, значения допускаемых напряжений [q]изн повышают на 30…40 %.

2. Допускаемое напряжение [σ] на растяжение или сжатие стальных винтов вычисляют по формуле:

[σ]р = σт/[s]т,

где:
σт – предел текучести материала винта;
[s]т - коэффициент запаса прочности (безопасности), который для стальных винтов принимают равным [s]т = 2…4.

3. Допускаемые напряжения для материала гайки:
на смятие бронзы или чугуна по чугуну или стали [σ]см = 42…55 Н/мм2;
на растяжение для бронзы [σ]р = 34…44 Н/мм2, для чугуна [σ]р = 20…24 Н/мм2.

***

Критерии работоспособности передачи винт – гайка

Причиной отказа передачи винт – гайка чаще всего является износ резьбы, поэтому основным критерием работоспособности передачи является износостойкость резьбы. Для уменьшения износа применяют антифрикционные пары материалов (сталь - бронза, сталь – чугун и т. п.), смазку поверхностей, малые допускаемые напряжения смятия.

***

Расчет передачи винт – гайка скольжения

Резьбу проверяют на смятие. Рассчитывают среднее давление на поверхности витков из условия невыдавливания смазочного материала. Прочность тела гайки рассчитывают из условия прочности на растяжение. Винты проверяют на сжатие и устойчивость.

При определении размеров передачи исходят из расчета на износостойкость резьбы по допускаемому давлению [q]изн с последующей проверкой винта на прочность.

qизн = Fа/(πd2H1Zв) ≤ [q]изн,

где:
d2 – средний диаметр резьбы;
H1 - рабочая высота профиля резьбы;
Zв – число витков гайки.

Для проектировочного расчета передачи:

d2 ≥ √Fа/(πψHψh[p]изн),

где:
ψH = H/d2 – коэффициент высоты гайки, ψH = 1,2…1,5 (для цельных гаек); ψH = 2,5…3,5 (для разъемных и сдвоенных гаек);
ψh – коэффициент высоты профиля резьбы; ψh = 0,5 (для трапецеидальной резьбы); ψh = 0,75 (для упорной резьбы).

передача винт-гайка

Наружный диаметр гайки:

D = 1,5d, где d – наружный диаметр резьбы.

Потеря устойчивости длинных сжатых винтов тоже может явиться причиной отказа передачи, поэтому их проверяют на статическую устойчивость по формулам Эйлера или Ясинского.

Сильно нагруженные винты (винтовые толкатели, прессы и т. п.) поверяют на прочность по эквивалентному напряжению σэкв (по гипотезе энергии формоизменения):

σэкв = √(σ2 + 3τK2) = √[(4N/πd32)2 + 3(MK/0,2d33)2] ≤ [σ],

где:
σэкв – эквивалентное напряжение для опасной точки расчетного сечения винта;
N и MK – продольная сила и крутящий момент, действующие в проверяемом сечении;
d3 – внутренний диаметр резьбы винта по дну впадины.

При проектировании передач винт – гайка скольжения, в которых недопустимо движение в обратном направлении (например, в домкратах), дополнительно проводят проверочный расчет на выполнение условия самоторможения.

***

КПД передачи винт – гайка

В передаче винт – гайка скольжения потери возникают в резьбе и в опорах. Потери в резьбе составляют главную часть. Они зависят от профиля резьбы, ее заходности, материала винтовой пары, точности изготовления, шероховатости контактирующих поверхностей и вида смазки.

В общем случае КПД передачи определяется по формуле:

ηв.пер. = ηоп×ηрезьбы = ηоп×tgψ/tg(ψ + φ),

где ηоп – коэффициент, учитывающий потери в опорах (при опорах на подшипниках качения ηоп = 0,98).

***

Рекомендации по конструированию передачи винт – гайка

1. Винты не должны иметь высокие буртики и глубокие канавки, в противном случае в местах резкого изменения поперечного сечения винта будут возникать высокие местные напряжения.

2. Во избежание большой деформации гайки при запрессовке и уменьшения вследствие этого зазора в резьбе толщина тела гайки должна быть δ ≥ 4 мм.

3. Для повышения долговечности передачи винты защищают от загрязнений телескопическими трубами или цилиндрическими гармониками.

4. Гайка передачи может быть разъемной по осевой плоскости (см. рис. 2), что дает возможность сцеплять или расцеплять винт с гайкой во время работы.

***

Ременные передачи