Применение, используемые материалы и основные типы передач

Назначение передачи винт-гайка — преобразование вра­щательного движения в поступательное. Передачи обеспечивают большой выигрыш в силе, возможность получения медленного движения, большую несущую способность при малых габаритах, возможность достижения высокой точности перемещений, простоту конструкции и изготовления,

К недостаткам передач скольжения следует отнести боль­шие потери на трение и низкий к. п. д., а поэтому невозможность применения при больших скоростях перемещений. Скорость скольжения в резьбе больше скорости осевого перемещения в раз, где — угол подъема резьбы, т. е. обычно в 10—40 раз.

Наиболее характерные области применения передач винт — гайка: поднятие грузов (домкраты); нагружение в испытательных машинах; осуществление процесса механической обработки (вин­товые прессы, станки), управление оперением самолетов; точные делительные перемещения (измерительные машины, станки); уста­новочные перемещения для настройки и регулирования машин; движение рабочих органов роботов.

Передачи винт — гайка делятся на передачи скольжения и качения.

Передачи скольжения сохранили применение ввиду прос­тоты.

В отличие от крепежных резьб, в которых важна повышенная надежность против самоотвинчивания, в передаточных (грузо­вых и ходовых) винтах важно малое трение. Поэтому для этих винтов применяют резьбы с малыми углами профиля — трапец­еидальные резьбы. Трапецеидальную резьбу в основ­ном диапазоне диаметров выполняют с мелкими, средними и круп­ными шагами. Основное применение имеет резьба со средними шагами. Мелкую резьбу применяют для перемещений повышенной точности и относительно медленных перемещений. Крупную резьбу применяют в тяжелых по износу условиях работы.

Для очень точных перемещений применяют трапецеидальные резьбы с уменьшенным углом профиля и прямоугольные резьбы, преимуществом которых является меньшее влияние неизбежных радиальных биений винта на точность перемещений, а также несколько меньшие потери на трение.

Недостатком прямоугольной резьбы, препятствующим ее распро­странению, является трудность изготовления — невозможность окончательной обработки фрезерованием и шлифованием.

Для точных винтов делительных и измерительных машин иногда применяют треугольные резьбы с углом профиля 30° или даже 60°, которые могут быть изготовлены с малыми шагами. Для винтов, подверженных большим односторонним осевым нагрузкам в прессах, нажимных устройствах прокатных станов и т. д., применяют упорную резьбу.

Винты, не подвергаемые закалке, изготовляют из сталей 45, 50 или А45, А50 и А40Г (с содержанием 0,15—0,5% свинца), У10А; подвергаемые закалке выполняют из сталей 65Г, 40Х и др.; азотируемые — из сталей 40ХФА, 18ХГТ. Материал гаек — бронзы оловянистые Бр.ОФ 10-1, Бр.ОЦС 6-6-3 и цинковый сплав ЦАМ 10-5 и др. Резьбу на винтах изготовляют на­резанием, фрезерованием, а в пос­леднее время также накаткой. Точ­ные резьбы после термической обра­ботки шлифуют.

Передача винт-гайка может быть выполнена с вра­щающимся винтом и поступательно перемещаемой гайкой (наиболее рас­пространенное исполнение), с вра­щающимся и одновременно поступательно перемещаемым винтом при неподвижной гайке (простые дом­краты, рисунок 3.30), а также с вращаю­щейся гайкой и поступательно перемещаемым винтом.

Рисунок 3.30 – Винтовые домкраты

Для увеличения хода применяют телескопические конструкции с двумя винто­выми парами.

Для очень медленных перемещений применяют винты с диф­ференциальный резьбой, т. е. с двумя резьбами одного направле­ния, но с разными шагами. При повороте винта на один оборот подвижный узел перемещается на величину, равную разности шагов резьб, которая может быть очень малой.

В отдельных случаях применяют передачи дифференциального типа с вращением и винта и гайки. Эти передачи позволяют осуществлять привод и сложение движений от двух источников. Например, в механических самоходных головках станков привод рабочей подачи часто осуществляется от главного двигателя вра­щением винта, а быстрый отвод и подвод от другого двигателя – вращением гайки, или наоборот.

При необходимости особо точных перемещений, например в прецизионных станках, применяют корректирующие устройства, компенсирующие ошибки винтов. Это достигается небольшими поворотами или осевыми перемещениями гайки, благодаря чему перемещаемый узел получает малые дополнительные поступа­тельные перемещения. Проверив точность выполнения ходового винта, изготовляют специальную коррекционную линейку, кото­рая воздействует на рычаг поворота гайки.

Винты обычно устанавли­вают на двух опорах, располо­женных по концам. Короткие винты выполняют с одной опо­рой, причем второй опорой служит гайка.

Осевую фиксацию вращающихся винтов от перемещений в обе стороны осуществляют обычно в одной опоре. Длинные винты иногда фиксируют в двух опорах, чтобы винт в обе стороны рабо­тал на растяжение.

Простые гайки выполняют в форме втулок с фланцем для осевого крепления (рисунок 3.32 а и б). Вращающиеся гайки обычно поддерживаются подшипниками скольжения, охватывающими гайку, и шариковыми подпятниками, реже подшипниками качения.

Рисунок 3.32 – Гайки скольжения

Гайки для точных перемещений узлов, подверженных знако­переменным нагрузкам, выполняют с компенсацией зазора. Это достигается применением сдвоенных гаек, которые для регули­рования смещаются одна относительно другой в осевом направле­нии. Смещение происходит с помощью клина, резьбы или пружины (рисунок 3.32 в).

Кинематика и КПД передачи

Скорость поступательного перемещения V гайки или винта, м/с

где z – число заходов винта;

P – шаг резьбы, мм;

n – частота вращения гайки или винта, об/мин.

При определении КПД пренебрегают потерями в опорах, и его определяют приближенно как отношение работ на завинчивание винта без учета сил трения

(µ =0 и ρ=0) и с учетом сил трения (µ ≠0 и ρ≠0). Тогда, используя зависимость между моментом сопротивления в резьбе и осевой силой, получим:

,

где - угол подъема резьбы, град, - приведенный угол трения в резьбе, град.

Из этой формулы видно, что КПД передачи возрастает с увеличением угла подъема и уменьшением коэффициента трения в резьбе (уменьшением ρ).

Для увеличения угла подъема в механизмах применяют многозаходные винты. Ход резьбы в этом случае (P и z – шаг и число заходов резьбы). Однако винты с углом на практике не применяют, так как дальнейшее увеличение β не дает существенного повышения КПД, а передаточное отношение при этом снижается. Обычно

Для повышения КПД механизмов стремятся уменьшить коэффициент трения в резьбе путем изготовления гаек из антифрикционных материалов (бронзы, латуни и др.), смазывания и тщательной обработки контактирующих поверхностей.

3.5.3 Проверка пе­редач винт-гайка на износ

Основной причиной выхода из строя пе­редач винт-гайка является износ. Для обеспечения необходимой износостойкости передачи прежде всего нужно, чтобы давление в резьбе не превышало допустимое:

,

где — расчетная осевая сила, действующая на винт; — сред­ний диаметр резьбы; — рабочая высота профиля, принимаемая для трапецеидальной резьбы, равной 0,55Р ; P — шаг резьбы; - число витков резьбы на высоте гайки H. Подставляя в формулу значения и , получаем:

Средний диаметр винта по условию износостойкости:

где y_r – коэффициент высоты гайки, ; ( Н₁ – высота гайки),

x – отношение высоты рабочего профиля резьбы к её шагу, для трапецеидальной резьбы x = 0,50; – осевая нагрузка, Н;

[p] – допустимое давление в резьбе, для материала винтовой пары сталь-бронза [p]=8…10 МПа.

Потребное число рабочих витков, определяющих высоту гайки, находят по формуле:

,

где – осевая нагрузка, Н;

d₂– средний диаметр резьбы, мм;

h – рабочая высота профиля, мм;

[р] – допустимое давление в резьбе, МПа.

Высота гайки определяется по следующей формуле: ,

где Р – шаг резьбы, мм