Передача винт гайка способ передачи

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.
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.

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:

где:
z – число заходов резьбы винта; p – шаг резьбы в мм; p_h – ход винта: p_h = 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:

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

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

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

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/мм 2 ;
незакаленная сталь по бронзе: [q]_изн = 7…8 Н/мм 2 ;
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:

где:
σ_т – 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/мм 2 ;
на растяжение для бронзы [σ]_р = 34…44 Н/мм 2 , для чугуна [σ]_р = 20…24 Н/мм 2 .

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.

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

Для проектировочного расчета передачи:

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

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 σ_экв (по гипотезе энергии формоизменения):

где:
σ_экв – эквивалентное напряжение для опасной точки расчетного сечения винта;
N и M_K – 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:

где η_оп – коэффициент, учитывающий потери в опорах (при опорах на подшипниках качения η_оп = 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.

Источник

Передачи винт-гайка и их сборка.

Назначение и конструкция передач винт—гайка.

Передачи винт—гайка используют в различных механизмах для преобразо­вания вращательного движения в поступательное. В ряде случаев эти передачи применяют для выигрыша в силе. Винтовые переда­чи обладают рядом достоинств. Они позволяют получить медлен­ное поступательное движение с высокой точностью перемещения при достаточной простоте и надежности конструкции и отличают­ся компактностью при большой несущей способности.

Недостатком этих передач является низкий КПД, обусловлен­ный значительными силами трения, возникающими при работе передачи.

В передачах винт—гайка используют в основном трапецеи­дальные и прямоугольные резьбы. Грузовые винты имеют упор­ную резьбу.

Для уменьшения изнашивания винтовой пары в конструкциях привода металлорежущих станков применяют разъемные гайки. При необходимости, когда винтовая пара не используется, гайки могут размыкаться; в этом случае при вращении винта гайка не находится в контакте с его резьбой, что существенно уменьшает ее изнашивание. В тех случаях когда винтовая пара не находится в работе, предусматривают отключение винта от привода. Уменьше­нию изнашивания винтовой пары также способствует изготовле­ние гайки из антифрикционных материалов (бронзы ОФЮ-15 или цинково-свинцовой бронзы ЦС6-6-3), что позволяет значительно снизить коэффициент трения в паре. У таких винтовых пар КПД составляет 0,8…0,85.

Часто применяют винтовые пары, у которых трение скольже­ния заменено трением качения. В таких винтовых парах роль резьбовой поверхности выполняют шарики, размещенные в ка­навках, проточенных на поверхностях винта и гайки. Достоинством шариковых винтовых пар является достаточно высокий КПД, который при благоприятных условиях работы может дости­гать 0,95. Кроме того, эти передачи позволяют устранить радиаль­ные и осевые зазоры или значительно их уменьшить. Вследствие этого применение передач качения позволяет значительно увели­чить точность перемещения исполнительных узлов механизма.

В последнее время более широкое применение находят гидро­статические передачи винт—гайка, обеспечивающие работу вин­товой передачи практически без трения, что позволяет довести КПД передачи до 0,99. В таких передачах в зазор между резьбовы­ми поверхностями винта и гайки подают масло под высоким дав­лением от специального насоса.

К винтовым передачам предъявляют следующие технические требования:

Ось винта для привода подачи подвижного узла должна быть параллельна направляющим.

Ось винта при вращении в подшипниках не должна смещаться при любом положении гайки и должна совпадать с осью послед­ней.

Прежде чем приступить к сборке механизма с винтовой пере­дачей скольжения необходимо промыть и просушить детали, вхо­дящие в передачу, провести контроль «на краску» и подогнать опорные поверхности, проверить легкость перемещения гайки по винту. Чтобы осуществить сборку винтового механизма, необхо­димо выполнить следующие операции:

1. Установить винт в опорах.
2. Собрать гайку.
3. Установить гайку на винт.
4. Отрегулировать собранный механизм.
5. Проконтролировать качество сборки.

Сборка передачи винт—гайка скольжения.

Сборку винтового механизма (рис. 1) начинают с установки ходового винта. Левый конец винта 4 при помощи жесткой втулочной муфты 2 соединяют с хвостовиком 1 вала коробки подач коническими штифтами 3. Втулку 13 пригоняют по посадочной шейке правого конца винта 4 и собирают опорную часть подшипника правой опоры вала, наде­вая на него сферическое кольцо 12 и упорную шайбу 11 с радиаль­ной прорезью. Затем в крышку 7 запрессовывают штифты 5 и 6, предварительно просверлив отверстия под них, и устанавливают опорную пяту 10 таким образом, чтобы штифт 6 вошел в шлиц на ее наружной поверхности. Крышку 7 в сборе навинчивают на резьбу корпуса подшипника так, чтобы штифт 5 вошел в шлиц упорной шайбы 11. После установки ходового винта в крышку 7 устанавливают регулировочный винт 8 с контргайкой 9.

После сборки узла с ходовым винтом переходят к сборке гайки ходового винта. Сборку гайки ходового винта (рис. 2) начинают с выполнения пригоночных операций (осуществляют пригонку шипа 4 корпуса 9 гайки к пазу ползуна 5). После выполнения при­гоночной операции в корпус 9 гайки ходового винта с левой сто­роны запрессовывают полугайку 1, закрепляя ее винтами 2. С пра­вой стороны корпуса 9 гайки ходового винта устанавливают на шпонке 6 подвижную резьбовую полугайку 7, которую пригоняют к корпусу 9 так, чтобы ее можно было легко, без качки смещать вдоль оси отверстия корпуса (осевое перемещение полугайки 7 обеспечивается за счет регулировочной гайки 8, установленной на наружной резьбе полугайки 7).

Собранную гайку устанавливают на ходовой винт, для чего винт вынимают из правой подшипниковой опоры и навинчивают на него собранную гайку. После этого винт с установленной на нем гайкой монтируют на место таким образом, чтобы шип корпуса 9 гайки вошел в паз ползуна 3, и закрепляют гайку ходового винта на корпусе винтами 5 (см. рис. 2).

Регулирование и контроль качества сборки винтовой переда­чи.

Для обеспечения параллельности оси ходового винта направ­ляющим станины перед его окончательной установкой необходи­мо отрегулировать положение правой (подшипниковой) опоры (рис, 3). Правую (подшипниковую) опору закрепляют на стани­не, используя струбцины. На направляющие станины устанавли­вают приспособление 1 и при помощи индикаторов 3 и 5, разме­щенных на мостике 2 приспособления, определяют параллель­ность оси ходового винта направляющим станины. Измерения производят в горизонтальной и вертикальной плоскостях у право­го и левого концов винта.

Правильно смонтированный винт вращается без осевого пе­ремещения, которое регулируется винтом 8 с контргайкой 9 (см. рис. 1), а его торец, нагруженный осевой силой, при правом и левом вращении не смещается более чем на 0,03 мм.

Винтовые механизмы в связи с наличием зазоров в сопряжени­ях винт—гайка имеют холостой ход, т.е. при повороте винта на некоторый угол гайка остается неподвижной, а следовательно, и связанный с ней исполнительный механизм также остается не­подвижным. Поскольку для нормальной работы механизма необходимо обеспечение минимального холостого хода в гайках ходо­вого винта предусматривают устройства для его регулирования. В рассматриваемой конструкции винтовой передачи регулирова­ние осуществляется за счет осевого перемещения подвижной по­лугайки. Осевое перемещение осуществляется при вращении ре­гулировочной гайки 8, установленной на наружной резьбе полу­гайки 7 (см. рис. 2).

Сборка передач винт—гайка качения.

Передача винт—гайка качения (рис. 4) обеспечивает повышенную осевую жесткость и более равномерное движение исполнительного звена механизма. Винт 10 и полугайка 4 передачи имеют резьбу специального про­филя. Между витками резьбы ходового винта и полугайки поме­щают шарики 5, которые при вращении винта перекатываются, передавая движение гайке.

Для того чтобы обеспечить циркуляцию шариков в пределах одного витка резьбы, две соседние впадины гайки соединяют спе­циальным каналом, выполненным в виде вкладыша.

Сборку передачи начинают с установки полутайки 4 на винт 10, вводя между винтом и полугайкой шарики. Шарики вводят через окно гайки, предусмотренное для установки вкладыша. После вве­дения шариков устанавливают вкладыш с каналом перебега. Затем, перемещая полугайку 4 вдоль винта, ее вводят в корпус и устанав­ливают крышку 9 с уплотнением 1, закрепляя их винтами 7. После установки полугайки 4 переходят к монтажу в корпус полугайки 3, осуществляя его в той же последовательности, что и монтаж по­лугайки 4. Регулирование зазора в винтовой передаче осуществля­ется с помощью зубчатого сектора 8 и сегмента 6, которые крепят к корпусу гайки винтами. Регулирование положения подвижной полугайки 3 относительно неподвижной 4 осуществляется после установки крышки 9 и уплотнения 1 и их закрепления на корпусе винтами 2.

Источник