Передача гвинт - гайка
Загальні відомості і характеристики
Передача гвинт - гайка використовується для перетворення обертального руху однієї з ланок в поступальний рух іншої ланки.
Передачі гвинт - гайка ділять на передачі ковзання і кочення. У передачах кочення між витками гайки і гвинта розміщують тіла кочення - кульки або ролики (рис. 2д). в передачах ковзання використовують властивості різьблення, яка може мати різний профіль - прямокутний, трикутний, трапецеїдальний, круглий і т. п. (рис. 2г).
Гвинти в таких передачах ділять на вантажні та ходові.
Вантажні гвинти призначені для передачі значних осьових зусиль (найчастіше - в домкратах, гвинтових пресах і натискних пристроях). ходові - для настановних, робочих і холостих переміщень робочих органів механізмів.
У силових передачах найчастіше використовують наполегливу різьблення, в ходових - трапецеидальную, прямокутну або трикутну.
Для усунення «мертвого ходу» в ходових передачах внаслідок зносу різьблення гайки ходових гвинтів виконують роз'ємними (див. Рис. 2).
Для настановних (застосовуваних для точних переміщень і регулювань) передач гвинт - гайка найчастіше використовують метричну різьбу.
Переваги та недоліки передачі гвинт - гайка
До переваг передачі гвинт - гайка можна віднести наступні властивості:
- великий виграш в силі завдяки великому передавальному числу;
- можливість отримання повільного переміщення з високою точністю;
- плавність і безшумність;
- простота конструкції, виготовлення і монтажу;
- можливість виготовлення з високою точністю;
- самоторможіння в передачі;
- малі габарити при великій несучій здатності.
Основним недоліком передачі гвинт - гайка є низький ККД через великі втрат на тертя. Цей недолік можна зменшити використанням передачі кочення, але така передача складніше у виготовленні.
Область застосування передач гвинт - гайка
Передачі гвинт - гайка широко застосовують для створення великих осьових зусиль (преси, верстати, гвинтові домкрати, розривні машини, лещата і т. П.). а також для точних переміщень (механізми подачі в верстатах, регулювальні пристрої в приладах, механізмах управління і т. п.).
Матеріали, що застосовуються в передачах гвинт - гайка
Матеріали гвинта і гайки повинні представляти антифрикційні пару, т. Е. Бути зносостійкими і мати мінімальний коефіцієнт тертя. Вибір марки матеріалу залежить від призначення передачі, умов роботи і способу обробки різьби.
Для гвинтів застосовують стали марок 50, 40ХГ, 65Г і ін. В відповідальних передачах для підвищення зносостійкості застосовують загартування гвинтів до твердості ≥ 45 HRC з наступним шліфуванням різьби.
Замість загартування застосовують азотування, використовуючи в цьому випадку стали марок 40ХФА, 18ХГТ і ін. Азотування забезпечує максимальну твердість поверхні і мінімальну деформацію гвинтів.
Гайки відповідальних передач виготовляють із олов'яних бронз марок БрО10Ф1. БрО6Ц6С3 і ін. А в тихохідних передачах - з антифрикційних чавунів марок АВЧ-1. АКЧ-1 або сірого чавуну марки СЧ20.
Основні характеристики передачі гвинт - гайка
Провідною ланкою в передачі може бути як гвинт, так і гайка.
Швидкість поступального переміщення гайки (гвинта) в мм / сек можна визначити за формулами:
де:
z - число заходів різьби гвинта; p - крок різьби в мм; ph - хід гвинта: ph = pz; n - частота обертання гвинта (гайки) в об / хв.
Оскільки в передачі гвинт - гайка одна з ланок робить поступальний, а інше - обертальний рух, визначити передавальне число або передавальне відношення порівнянням частот обертання або кутових швидкостей неможливо. З цієї причини порівнюють лінійні переміщення або лінійні швидкості точок веденого і ведучого ланки.
При цьому у ланки, що здійснює обертальний рух, визначають лінійне переміщення (окружну швидкість) зовнішньої точки ланки (гайки, гвинти) або маховика, що передає (приймає) потужність. У ланки, що здійснює поступальний рух, визначають лінійне переміщення (або швидкість) будь-який з точок.
Передавальне відношення передачі гвинт - гайка визначається за формулою:
де:
D - діаметр маховика; ph - хід гвинта (див. рис.1): ph = pz. де p - крок різьби; z - число заходів різьби.
Окружна сила на маховику (див. Рис. 1):
де:
Fa - осьова сила на гайці (гвинті); i = передавальне відношення передачі; η - ККД передачі; без урахування втрат в опорах ККД передачі можна підрахувати за формулою:
де ψ - кут підйому гвинтової лінії (див. рис. 3); tgφ = f - коефіцієнт тертя:
φ = arctg f. (Про те, як розраховується ККД передачі гвинт - гайка з урахуванням втрат в опорах дивись в кінці статті.)
Допустимі напруги в передачі гвинт - гайка
Допустимі напруги для розрахунку деталей передачі гвинт - гайка ковзання приймають по наступних рекомендацій:
1. Допустиме тиск в різьбі:
незагартована сталь по чавуну [q] вив = 2 ... 5 Н / мм 2;
незагартована сталь по бронзі: [q] вив = 7 ... 8 Н / мм 2;
для гвинтів домкратів і струбцин, т. е. порівняно рідко використовуваних механізмів, значення допустимих напружень [q] вив підвищують на 30 ... 40%.
2. Допустиме напруження [σ] на розтягнення або стиснення сталевих гвинтів обчислюють за формулою:
де:
σт - межа плинності матеріалу гвинта;
[S] т - коефіцієнт запасу міцності (безпеки), який для сталевих гвинтів приймають рівним [s] т = 2 ... 4.
3. Допустимі напруги для матеріалу гайки:
на зминання бронзи або чавуну по чавуну або сталі [σ] см = 42 ... 55 Н / мм 2;
на розтягнення для бронзи [σ] р = 34 ... 44 Н / мм 2. для чавуну [σ] р = 20 ... 24 Н / мм 2.
Критерії працездатності передачі гвинт - гайка
Причиною відмови передачі гвинт - гайка найчастіше є знос різьби, тому основним критерієм працездатності передачі є зносостійкість різьблення. Для зменшення зносу застосовують антифрикційні пари матеріалів (сталь - бронза, сталь - чавун і т. П.). мастило поверхонь, малі допустимі напруження зминання.
Розрахунок передачі гвинт - гайка ковзання
Різьблення перевіряють на зминання. Розраховують середній тиск на поверхні витків з умови невидавліванія мастильного матеріалу. Міцність тіла гайки розраховують з умови міцності на розтяг. Гвинти перевіряють на стиск і стійкість.
При визначенні розмірів передачі виходять з розрахунку на зносостійкість різьблення по допустимому тиску [q] вив з подальшою перевіркою гвинта на міцність.
де:
d2 - середній діаметр різьби;
H1 - робоча висота профілю різьби;
Zв - число витків гайки.
Для проектувального розрахунку передачі:
де:
ψH = H / d2 - коефіцієнт висоти гайки, ψH = 1,2 ... 1,5 (для цільних гайок); ψH = 2,5 ... 3,5 (для рознімних і здвоєних гайок);
ψh - коефіцієнт висоти профілю різьби; ψh = 0,5 (для трапецеїдальної різьби); ψh = 0,75 (для наполегливої різьблення).
Зовнішній діаметр гайки:
D = 1,5d. де d - зовнішній діаметр різьби.
Втрата стійкості довгих стислих гвинтів теж може стати причиною відмови передачі, тому їх перевіряють на статичну стійкість за формулами Ейлера або Ясинського.
Сильно навантажені гвинти (гвинтові штовхачі, преси і т. П.) Перевіряють на міцність по еквівалентному напрузі σекв (за гіпотезою енергії формозміни):
де:
σекв - еквівалентне напруження для небезпечної точки розрахункового перетину гвинта;
N і MK - поздовжня сила і крутний момент, що діють в перевіряється перетині;
d3 - внутрішній діаметр різьби гвинта по дну западини.
При проектуванні передач гвинт - гайка ковзання, в яких неприпустимо рух в зворотному напрямку (наприклад, в домкратах). додатково проводять перевірочний розрахунок на виконання умови самоторможения.
ККД передачі гвинт - гайка
У передачі гвинт - гайка ковзання втрати виникають в різьбі та в опорах. Втрати в різьбі складають головну частину. Вони залежать від профілю різьби, її заходная, матеріалу гвинтової пари, точності виготовлення, шорсткості контактуючих поверхонь і виду мастила.
У загальному випадку ККД передачі визначається за формулою:
де ηоп - коефіцієнт, що враховує втрати в опорах (при опорах на підшипниках кочення ηоп = 0,98).
Рекомендації з конструювання передачі гвинт - гайка
1. Гвинти не повинні мати високі буртики і глибокі канавки, в іншому випадку в місцях різкої зміни поперечного перерізу гвинта будуть виникати високі місцеві напруги.
2. Щоб уникнути великої деформації гайки при запресовуванні і зменшення внаслідок цього зазору в різьбі товщина тіла гайки повинна бути δ ≥ 4 мм.
3. Для підвищення довговічності передачі гвинти захищають від забруднень телескопічними трубами або циліндричними гармоніками.
4. Гайка передачі може бути рознімної по осьовій площині (див. Рис. 2). що дає можливість зчіплювати або розчіплювати гвинт з гайкою під час роботи.