Глава 22

ПЕРЕДАЧИ ВИНТ - ГАЙКА

§ 1. Общие сведения

Передача винт - гайка представляет собой кинематическую винтовую пару, которую используют для преобразования вращательного движения в поступательное (с большой плавностью и точностью хода) в различных областях машино­строения, в приборостроении. Винтовые механизмы часто применяют в качестве подъемных (домкраты и др.) и нагружающих устройств (прессы и др.), так как с их помощью можно просто получать большие усилия (500— 1000 кН) при малых пере­мещениях.

Рис. 22.1. Распространенные типы механизмов

В зависимости от характера движения винта и гайки различают ряд механизмов. Простейшие из них показаны на рис. 22.1, а — в.

Винтовой механизм на рис. 22.1, а представляет собой двухзвенный механизм (стойка - неподвижная гайка 1 и подвиж­ное звено — винт 2) с винтовым движением подвижного звена, который используют на практике для создания силы.

В механизмах на рис. 22.1, б и в оба звена, образующих винтовую пару, подвижны. При этом в первом из них вращение гайки приводит к поступательному перемещению винта, а во втором — вращение винта вызывает поступательное перемещение гайки.

Эти две схемы винтовых механизмов применяют наиболее часто в приводах, так как передача вращательного движения на винт или гайку от двигателя не вызывает затруднений.

На практике используют механизмы с резьбой различных профилей (см. гл. 32). В силовых механизмах большое распространение получила трапецеидальная резьба (ГОСТ 9484 -73), а в механизмах приборов — метрическая резьба (ГОСТ 8724 - 81).

Преимущества механизмов — простота конструкций, плав­ность и точность хода, большое передаточное отношение, а также возможность самоторможения.

Основной недостаток передачи — низкий КПД.

§ 2. Кинематические характеристики и кпд передачи

Кинематические характеристики. Скорость относи­тельного перемещения гайки и винта, м/с:

где z — число заходов винта; Р — шаг резьбы; п — частота вра­щения гайки или винта, об/мин.

Число заходов z = 1 назначают для самотормозящихся винтов; для несамотормозящихся механизмов принимают z = 2; 4 (см. ниже).

Вращение винта или гайки в механизмах осуществляется обычно с помощью маховика (рукоятки), шестерни и т. п., при этом передаточное отношение можно условно представить в виде отношения перемещений маховика S_м к соответствую­щему перемещению гайки (винта) S_Г:

где D — диаметр маховика (шестерни и т. п.); S = zP — ход винта.

Зависимость между окружной силой на маховичке F_M и осевой силой на гайке (винте) F_a найдем из равенства работ:

откуда

, (22.1)

где — КПД механизма; и — перемещения маховика и гайки.

При D = 200 мм, Р = 1,5 мм, z = 1 и = 0,5 F_а = 200 F_М и и 420.

Таким образом, винтовая передача позволяет с малым вращающим моментом создать большую силу (получить выигрыш в силе) или осуществить медленные точные перемещения. Первое из указанных достоинств используют в домкратах, прессах и других устройствах, второе достоинство реализуют в регулировочных механизмах, механизмах подачи станков, механизмах управления механизацией крыльев летательных аппаратов и т. д.

Коэффициент полезного действия механизмов. Если винт 1 (рис. 22.1, б) нагружен осевой силой F_a, то для его поступа­тельного перемещения к маховичку 2 необходимо приложить момент , который будет расходоваться на преодоление сопротивления в резьбеи трение на опорном торце махо­вичкаТ_T. Обычно момент трения на торце невелик, так как передачу осевой силы осуществляют через упорный подшип­ник, т. е. положим Т₃ = Т_р.

а) б)

Рис. 22.2. К определению КПД винтовой пары

Зависимость между ними можно установить из равенства работ за один оборот винта. Предположим, что нагрузка F_a равномерно распределена между витками прямоугольного сече­ния (F₁ — усилие на один виток). Тогда, переходя к одному витку (рис. 22.2, а), введем в рассмотрение его расчетную мо­дель в виде наклонной плоскости (рис. 22.2, б), угол подъема которой где S и d₂ — ход и средний диаметр резьбы винта.

Если через F_tl обозначить окружную силу на одном витке и учесть, что реакция от гайки на винт будет наклонена к нормали под углом трения =arctg f ( f- коэффициент трения, f =0,080,12), то несложно установить

Из равенства работ за один оборот гайки

получим

(22.2)

КПД механизма найдем как отношение работ на завинчи­вание винта без учета сил трения (= 0 и= 0) и с учетом сил трения. Тогда из зависимости (22.2) следует

(22.3)

Рис. 22.3. Шариковинтовый механизм

Из формулы (22.3) видно, что КПД передачи возрастает с увеличением угла подъема и уменьшением коэффициен­та трения в резьбе (уменьшением).

Для увеличения угла подъема в вин­товых механизмах применяют много-заходные винты. Ход резьбы в этом случае S = Pz (Р и z — шаг и число заходов резьбы). Однако винты с > 25° на практике не применяют, так как дальнейшее увеличениене дает су­щественного повышения КПД, а пере­даточное отношение при этом снижа­ется. Обычно0,7.

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

В последние годы получили распространение шариковинтовые механизмы (рис. 22.3). В таких механизмах между витками винта и гайки размещаются шарики. При вращении винта шарики увлекаются в направлении его поступательного дви­жения, попадают в обводной канал в гайке и возвращаются в полость между винтом и гайкой. Механизмы имеют высокий КПД (0,9), так как коэффициент трения качения невелик (0,01).