Передачи винт гайка Предназначена для взаимного преобразования вращательного и поступательного движений соосно расположенных звеньев – винта и гайки. Первое упоминание о передаче винт гайка относится к 4 веку до н. э. и связано с изобретением винтовых прессов. В основе работы передачи лежит эффект клина: витки являются свернутой наклонной плоскостью, и один клин выдавливается другим. Вращательное и поступательное движения могут совершать как винт, так и гайка. Передача обеспечивает большой выигрыш в силе, возможность получения медленного движения, большую несущую способность при малых габаритах, возможность достижения высокой точности перемещений, простоту конструкций и изготовления. гайка винт
Передачи винт гайка Достоинства: передача обеспечивает большой выигрыш в силе, возможность получения медленного движения, большую несущую способность при малых габаритах, возможность достижения высокой точности перемещений, простоту конструкций и изготовления. Недостатки: большие потери на трение и низкий КПД (как следствие невозможность применения передачи при больших скоростях перемещений). Скорость в резьбе больше скорости осевого перемещения в 1/sinψ раз, где ψ – угол подъема резьбы, т. е. обычно в 10… 40 раз. Области применения. поднятие грузов (в домкратах); нагружение в испытательных машинах; осуществление процесса механической обработки (в винтовых прессах, станках); управляющие механизмы (подвижные части крыльев самолетов); точные делительные перемещения (в измерительных машинах, станках); установочные элементы для настройки и регулирования машин; перемещение рабочих органов роботов. 2
Передачи винт гайка. Основные сведения о резьбах Размерные параметры резьбы. Диаметры резьбы (винта и гайки): наружный d, D; средний d 2, D 2; внутренний d 1, D 1. Диаметры винта, как охватываемой детали, обозначаются малыми буквами, диаметры гайки, как охватывающей детали, – большими. Номинальные значения одноименных диаметров равны; отличие – в допустимых отклонениях. На поверхности воображаемого цилиндра диаметром d 2 ширины витков и впадин резьбы одинаковы. Профиль резьбы – это профиль выступа и канавки резьбы в плоскости ее осевого сечения. Профиль резьбы характеризуется: а) углом профиля λ – угол между смежными боковыми сторонами резьбы осевого сечения; б) высотой исходного треугольника резьбы H, т. е. треугольника, вершины которого образуются точками пересечения продолженных боковых сторон профиля. в) рабочей высотой профиля резьбы H 1, равной длине проекции участка взаимного перекрытия профилей сопрягаяемых наружной и внутренней резьб на перпендикуляр к оси резьбы. 3
Передачи винт гайка. Основные сведения о резьбах Шаг резьбы P – расстояние по линии, параллельной оси резьбы между средними точками ближайших одноименных боковых сторон профиля резьбы, лежащими в одной осевой плоскости по одну сторону от оси резьбы. Ход винта Ph (для многозаходных резьб) – произведение шага на число заходов. Угол подъема резьбы ψ – угол, образованный касательной к винтовой линии, описываемой средней точкой боковой стороны резьбы и плоскостью, перпендикулярной к оси резьбы 4
Передачи винт гайка. Основные сведения о резьбах Виды резьб. Треугольный профиль. Наиболее распространен, поскольку технологичен и стандартизован (самый первый в мире стандарт – на дюймовые резьбы, был разработан в Англии Витвортом в 1840 году). Ему свойственно повышенное трение между витками и, как следствие, – склонность к самоторможению. Различают два основных вида треугольных резьб – метрическая и дюймовая. Метрическая резьба. Характеризуется углом профиля =60 , срезом по прямой вершин профиля резьбы винта на расстоянии H/8 и вершин профиля резьбы гайки на расстоянии H/4 от вершин исходного треугольника резьбы. Дюймовая резьба. Характеризуется углом профиля =55 и числом витков резьбы на один дюйм. Используется в деталях из стран, в которых действует дюймовая система мер, либо в деталях старых машин, и в трубной резьбе. В связи с действием в нашей 5 стране метрической системы (SI), изготовление дюймовых резьб осложняется возможным отсутствием необходимого оборудования и инструмента.
Передачи винт гайка. Основные сведения о резьбах Виды резьб. Трапецеидальный профиль. Стандартизован, технологичен, обладает улучшенными кинематическими и прочностными характеристиками. Является основной резьбой для передач винт гайка. Имеет меньшие потери на трение, чем треугольная резьба, удобна в изготовлении и болшее прочна, чем прямоугольная резьба. 6
Передачи винт гайка. Основные сведения о резьбах Виды резьб. Упорный профиль. Стандартизован, но по сравнению с трапецеидальным профилем несколько сложнее в изготовлении. Позволяет сочетать повышенную прочность витков и невысокие потери на трение. Используют для винтов с большой односторонней осевой нагрузкой в прессах, нажимных устройствах прокатных станов, в грузовых крюках и др. Профиль витков – несимметричный трапециидальный. Угол наклона рабочей стороны профиля для повышения КПД, выбран равным 3 (резьба с углом наклона 0 неудобна в изготовлении), угол наклона нерабочей стороны профиля 30. 7
Передачи винт гайка. Основные сведения о резьбах Виды резьб. Трубный профиль. Применяется для соединения труб и арматуры трубопроводов. Трубная резьба представляет собой мелкую дюймовую резьбу, которая выполняется с закруглениями профиля и без зазоров по выступам и впадинам для лучшего уплотнения. 8
Передачи винт гайка. Основные сведения о резьбах Виды резьб. Прямоугольный профиль. Нестандартизован, сложен в изготовлении, форма профиля по высоте не является равнопрочной, но способен обеспечить наивысший из всех профилей КПД резьбовой передачи и хорошее взаимное центрирование винта и гайки. Круглый профиль. Нестандартизован, сложен в изготовлении, но позволяет существенно снизить концентрацию напряжений в резьбе и резьбовых деталях. Конические резьбы. Обеспечивают непроницаемость без специальных уплотнений; их применяют для соединения труб, установки пробок, масленок и т. п. 9
Передачи винт гайка. Теория винтовой пары Зависимость между моментом, приложенным к гайке, и осевой силой винта. Если винт нагружен осевой силой F, то для завинчивания гайки к ключу необходимо приложить момент Тз, а к стержню винта — реактивный момент Тр, который удерживает стержень от вращения: где Тт – момент сил трения на опорном торце гайки; Тр – момент сил в резьбе. Примем, что сила трения на торце гайки действует на приведенном радиусе Dср/2, тогда где Dср=(D 1+dотв)/2; D 1 – наружный диаметр опорного торца гайки; dотв – диаметр отверстия под винт; f – коэффициент трения на торце гайки. 10
Передачи винт гайка. Теория винтовой пары Момент сил в резьбе Тр. Гайка рассматривается как ползун, поднимающийся по виткам резьбы, как по наклонной плоскости. Ползун находится в равновесии, если равнодействующая Fn системы внешних сил отклонена от нормали n-n на угол трения φ. В данном случае внешними являются осевая сила F и окружная сила Ft=2 Tр/d 2, где Тр=Тз-Тт. Из условия равновесия сил Тогда где ψ – угол подъема резьбы φ – угол трения в резьбе fпр – приведенный коэффициент трения. Тогда момент завинчивания 11
Передачи винт гайка. Теория винтовой пары При отвинчивании гайки окружная сила Ft и силы трения меняют направление. При этом Тогда момент отвинчивания 12
Передачи винт гайка. Теория винтовой пары Самоторможение. Условие самоторможения заключается в том, чтобы момент отвинчивания гайки был больше нуля. Рассматривая самоторможение только в резьбе (fг=0), получим т. е. условие самоторможения сводится к тому, чтобы угол подъема резьбы был меньше угла трения. КПД винтовой пары определяется как отношение работы, затрачиваемой на завинчивание гайки без учета трения, к той же работе с учетом трения. Работа завинчивания равна произведению момента завинчивания на угол поворота, т. к. углы поворота равны в том и в другом случае, то КПД равняется отношению моментов завинчивания Тогда КПД собственно винтовой пары (без учета потерь на торце гайки fг=0 ) 13
Передачи винт гайка. Расчет резьбы на прочность Критерии работоспособности. Крепежные резьбы – срез витков (прочность по напряжениям среза τ); ходовые винты – износ витков (прочность по напряжениям смятия σсм). Условие прочности резьбы по напряжениям среза где H – высота гайки или глубина завинчивания винта в деталь; K=ab/p или K=ce/p – коэффициент полноты резьбы; Km – коэффициент неравномерности нагрузки по виткам резьбы. Если материалы гайки и винта одинаковы, то по напряжениям среза расчитывают только резьбу винта, т. к. d 1<d. Уточняем коэффициент высоты гайки 14
Передачи винт гайка. Материалы винтов в первую очередь должны обладать достаточно высокой износостойкостью и хорошей обрабатываемостью. Материалы тяжелонагруженных винтов должны иметь высокую прочность, а точных винтов – не иметь остаточных напряжений. Слабонапряженные и тихоходные винты, не подвергаемые закалке, изготовляют из сталей 45, 50 или А 45, А 50 и А 40 Г; а подвергаемые закалке – из сталей 65 Г, 40 Х и др; азотируемые – из сталей 40 ХФА, 18 ХГТ. Азотирование обеспечивает высокую износостойкость и минимальное деформирование при упрочнении, поэтому его применяют при изготовлении ходовых винтов станков. Материалы гаек – бронзы оловянистые Бр. О 10 Ф 1, Бр. О 4 Ц 7 С 5 и др. , а также цинковый сплав ЦАМ 10 5. При малых скоростях и нагрузках допускается использование антифрикционного чугуна. Изготавливают резьбу на винтах нарезанием, фрезерование, а также накаткой. Точные резьбы после обработки шлифуют. 15
Передачи винт гайка. Конструкции 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); – с вращающейся гайкой и поступательно перемещаемым винтом. Для увеличения хода применяют телескопические конструкции с двумя винтовыми парами. Для очень медленных перемещений применяют винты с дифференциальной 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 некоторых 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. При необходимости особо точных перемещений, в прецизионных станках применяют корректирующие устройства, компенсирующие ошибки винтов. Это достигается небольшими поворотами гайки, благодаря чему перемещаемый узел получает малые дополнительные поступательные перемещения. Проверив точность выполнения 16 ходового винта, изготовляют специальную коррекционную линейку, которая воздействует на рычаг поворота гайки.
Передачи винт гайка. Конструкции Длинные винты для облегчения изготовления выполняют составными. Соединение осуществляется свинчиванием с дополнительным креплением при помощи клиньев или конических штифтов. Реже применяют сварку. Винты обычно устанавливают на двух опорах, расположенных по концам. Короткие винты выполняют с одной опорой, причем второй опорой служит гайка. Очень длинные винты выполняют с промежуточной опорой, поддерживающей нарезанную часть винта. Промежуточные опоры выполняют переставными вдоль оси, или откидными, или половинными, полуохватывающими винт, чтобы они не мешали перемещению гайки, выполняемую также половинной. 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. 17
Передачи винт гайка. Расчет на износ Отказы передачи винт гайка вызываются: недопустимо высоким давлением между витками резьбы, что ведет к износу и схватыванию поверхностей витков; срезом витков; потерей устойчивости винта при его сжатии; разрушением винта от совместного действия крутящего момента и осевой силы. Износ является основной причиной выхода из строя передачи винт гайка. Для обеспечения необходимой износостойкости передачи необходимо, чтобы среднее давление в резьбе не превышало допускаемое или по другому говоря, чтобы допускаемые напряжения смятия были больше чем рабочие напряжения где F – расчетная осевая сила, действующая на винт; d 2 – средний диаметр резьбы; h – рабочая высота профиля: для трапециидальной и прямоугольной резьбы равной 0. 5 P, для упорной 0. 75 P, для треугольной метрической резьбы 0. 54 P, где P шаг резьбы; z=H/P – число витков резьбы на высоте гайки H. 18
Передачи винт гайка. Расчет на износ вводя обозначения коэффициент высоты гайки, коэффициент высоты резьбы, получаем формулу проектировочного расчета ходовых винтов Значения ψH выбирают обычно в пределах 1, 2… 2, 5. Причем большие значения выбирают для резьб меньших диаметров и наоборот. Допускаемое давление в резьбе для пар материалов: закаленная сталь – бронза 10… 15 МПа; незакаленная сталь – бронза 8… 10 МПа; незакаленная сталь – чугун 4 6 МПа. При редкой работе передачи, а также при гайках малой высоты давление в резьбе может быть повышено до 20%; в случае, если винт нагружается не во время вращения, давление может быть значительно повышено; при работе винтов нажимных устройств прокатных станов допускают давления до 15… 20 МПа; давление в резьбе винтов, служащих для точных перемещений, например, делительных цепей станков должно быть в 2… 3 раза меньше, чем в резьбе винтов общего назначения. 19
Передачи винт гайка. Расчет на прочность Сильно нагруженные винты проверяют на прочность по эквивалентному напряжению где T – момент, скручивающий винт; A 1 и W 1 – площадь и момент сопротивления кручению сечения винта по внутреннему диаметру резьбы. Допускаемое напряжение во избежание местных пластических деформаций материала выбирают 20
Передачи винт гайка. Расчет на устойчивость Длинные винты, подверженные сжимающей нагрузке, проверяют на устойчивость (продольный изгиб). За расчетное принимают крайнее положение гайки, когда винт подвергается сжатию на максимальной длине. Условие устойчивости винта по Эйлеру где μl – приведенная длина (μ – коэффициент приведения, l – для двухопорных винтов – расстояние между опорами, п для винтов, у которых второй опорной служит гайка, – расстояние между опорой и серединой гайки); S – коэффициент безопасности, принимаемый обычно равным 3… 4; J – приведенный осевой момент инерции сечения винта где d и d 1 – диаметры резьбы винта соответственно наружный и внутренний. Формула Эйлера применима при μl ≥ 100 i или приближенно μl ≥ 25 d 1, где – радиус инерции сечения винта. 21
Передачи винт гайка. Расчет на прочность и устойчивость Винты любой длины можно проверять по объединенному условию прочности и устойчивости по формуле где [σсж]– допускаемое напряжение на сжатие; φ – коэффициент понижения допускаемого напряжения в зависимости от гибкости стержня μl/i: 22
Передачи винт гайка качения Передачи винт–гайка качения применяют в механизмах точных перемещений, в следящих системах и в ответственных силовых передачах. КПД передач качения (без предварительного натяга) достигает 0, 9. Силы трения в передачах зависят от скорости. В резьбе в большинстве случаев полностью выбирается зазор и создается предварительный натяг, обеспечивающий высокую осевую жесткость. Основное применение из передач винт–гайка качения имеют шариковые передачи. На винте и в гайке выполняют винтовые канавки, которые служат дорожками качения для шариков. Шариковые передачи применяют в широком диапазоне размеров. В станкостроении их изготовляют централизованно по ОСТ 1 1 72 6— 81. Диапазоны длин в станках обычно до 2. . . 3 м, наибольшие длины 7. . . 8 м. Диаметр шариков обычно составляет 0, 6 шага винта. 23
Передачи винт гайка качения Наибольшее распространение имеет полукруглый профиль канавок с радиусом, превышающим на 3. . . 5 % радиусы шариков, и с углом контакта шариков α= 45° (рис. а). Успешно применяют также профиль «стрельчатая арка» (рис. б), который труднее в изготовлении, но позволяет создать предварительный натяг подбором диаметров шариков. При недопустимости осевых зазоров гайки с этим профилем делают сдвоенными и смещают одну относительно другой в осевом направлении прокладками (рис. в) или пружинами, иногда путем поворота. 24
Передачи винт гайка качения В передачах с малым ходом гайку удлиняют настолько, чтобы при крайних ее положениях шарики не выходили за пределы резьбы гайки. В большинстве конструкций шарики перемещаются по замкнутой траектории в гайке. Выкатываясь из резьбы, они возвращаются в исходное положение по обводным каналам, которые выполнены в специальных вкладышах, вставленных в окна гайки. Шарики не выводятся из контакта с винтом, а переваливаются через выступ резьбы. Обычно на гайке предусматривают три вкладыша, и их располагают под углом 120° один к другому, причем шарики разделены на три независимо циркулирующие группы. 25
Передачи винт гайка качения Рабочие поверхности закаливают до твердости 60 HRCэ и выше. Винты изготовляют из сталей: ХВГ и 7 ХГ 2 ВМ с объемной закалкой, 8 ХФ с закалкой при индукционном нагреве и 20 ХЗМВФ с азотированием. Для гаек применяют стали 9 ХС, ШX 15, ХВГ с объемной закалкой и цементуемые стали 18 ХГТ, 12 ХН 3 А и др. Передачи требуют высокой точности изготовления. Для обеспечения точности позиционирования (установки узлов в заданное положение) колебания момента сил трения в резьбе должны быть минимальными. Передачи винт гайка требуют хорошей защиты от загрязнений, которая преимущественно обеспечивается гармоникообразными мехами и пластмассовыми уплотняющими гайками с двумя — тремя выпуклыми витками по профилю канавок. Уплотняющие гайки крепятся к каждому торцу основной гайки. 26
Передачи винт гайка. Роликовая планетарная передача винт гайка В роликовых планетарных передачах винт — гайка для обеспечения трения качения между резьбой винта 1 и резьбой гайки 4 катаются резьбовые ролики 3, которые одновременно являются сателлитами планетарных зубчатых передач с внутренним зацеплением. Углы подъема резьбы на гайке и роликах одинаковы. Для этого резьба гайки делается многозаходной с числом заходов (целое число), равным отношению средних диаметров резьбы и роликов. Это обеспечивает невыкатывание роликов из гайки. На роликах нарезана треугольная резьба с выпуклым профилем, обеспечивающим точечный начальный контакт. На концах роликов нарезаны зубья, которые сцепляются с зубьями на венцах 2, запрессованных в гайку по ее концам. Эти зацепления исключают возможность проскальзывания роликов. Ролики направляются сепараторами 5. Число заходов винта берется равным числу заходов гайки. В связи с малым шагом и большим передаточным числом передачи удобно встраиваются в машины, не требуя специальных редуцирующих передач от приводного электродвигателя. Роликовые планетарные передачи винт — гайка обладают большей несущей способностью и жесткостью, чем шариковые. Поэтому роликовые 27 передачи следует считать перспективными.
Передачи винт гайка. Гидростатические пары винт гайка В связи с тем, что в передачах винт–гайка скольжения практически невоз можно осуществить гидродинамическую смазку, применяют гидростатические пары винт– гайка. На рабочих поверхностях витков гайки посередине их высоты делают выточки, которые не имеют выхода к торцам гаек (перекрываются мастикой или клеем). Ширина выточек составляет 1/3. . . 1/4 высоты профиля. Через отверстия в выточки подводится масло под давлением. Масло проходит через отдельные дроссели для каждой (правой и левой) стороны витка. Давление масла в выточках меньше, чем в сети; оно определяется соотношением гидравлических сопротивлений в дросселях и в зазорах. При действии на пару осевой нагрузки зазоры с одной стороны витков (по направлению силы) уменьшаются, но при этом сопротивление вытеканию масла увеличивается и давление в соответствующей канавке повышается. С другой стороны витков в связи с увеличением зазора давление масла падает. Таким образом возникают гидравлические силы, которые уравновешивают внешнюю силу и стремятся к выравниванию зазоров. По условию одинаковой несущей способности с обычными передачами винт–гайка давление масла выбирают порядка 4 МПа, а высоту профиля резьбы – в 2 раза большую, чем у обычной трапецеидальной резьбы. Достоинства гидростатических пар винт–гайка: малое трение, отсутствие изнашивания, отсутствие зазора при 28 ра боте передачи (гидравлический натяг), повышенная точность (вследствие осреднения циклических ошибок).
Передачи винт гайка. Волновые передачи винт гайка Для превращения вращательного движения в медленное поступательное удобно применять волновые передачи винт–гайка. В этих передачах винт тонкостенный, деформируемый в радиальном направлении. В результате деформирования винта вращающимся генератором, имеющим форму эллиптического цилиндра, винт входит в зацепление с резьбой гайки и обкатывается по ней. Так как периметр резьбы винта меньше длины окружности резьбы гайки, то винт смещается в осевом направлении на величину шага, деленного на передаточное число фрикционной волновой передачи вращательного движения. При типичных для волновых передач передаточных числах порядка 100 можно получить линейные перемещения на один оборот генератора, равные нескольким микрометрам или сотым миллиметра. Можно выполнять винт жестким, а гайку гибкой, деформируемой охватывающим генератором. 29
Передачи винт гайка. Задача. Рассчитать винт домкрата, нагруженный по схеме на рисунке, а также определить его КПД. Исходные данные: резьба самотормозящая, упорная; грузоподъемность Fa=150000 Н, l=1000 мм, винт – сталь 35, гайка – чугун, подпятник 1 шариковый. Решение. 1. Определяем диаметр винт по условию износостойкости (по напряжениям смятия): принимаем для пары незакаленная сталь чугун [σсм]=6 МПа; для упорной резьбы ψh=0. 75; коэффициент высоты резьбы примем средний ψh=1. 8: По стандарту выбираем резьбу 85× 12: d=85 мм, d 1=64. 2 мм, d 2=76 мм, h=9 мм, p=? ? мм. 30
Передачи винт гайка. 2. Выбор шага резьбы. Стандартом предусмотрены три шага (p=20, 12, 5 мм) для данного диаметра резьбы. Выбор шага резьбы в данном случае зависит от соблюдения условия самоторможения Принимаем, что в процессе работы винт хорошо смазывается: коэффициент трения скольжения для пары сталь бронза f=0. 1. Тогда Видно, что при p=5 мм будет почти четырехкратный запас по условию самоторможения; при p=12 мм – двойной; а при p=20 мм его почти не будет. Рационально выбрать p=12 мм. 31
Передачи винт гайка. 3. Высота гайки. 3. 1 Число витков резьбы Уточняем коэффициент высоты гайки 4. Расчет на устойчивость (на прочность с учетом устойчивости) Для стали 35 предел текучести σТ=320 МПа; по рекомендациям примем коэффициент запаса прочности S=2, тогда Гибкость стержня μl/i =4 l/d 1=4∙ 1000/64. 2=62, φ=0. 8, здесь μ=1 (шарнирное закрепление концов); для круглого сечения i= d 1/4. Тогда 32
Передачи винт гайка. 5. КПД передачи. 33
Скачать презентацию Передачи винт гайка Предназначена для взаимного преобразования вращательного
Лекция 9_Передача Винт-Гайка.ppt