Ходовой винт

В ходовых винтах используются три типа резьбы :
3 и 4: контрфорсирующая резьба
5: круглая нить
6: квадратная резьба

( Ходовой винт или ходовой винт ), также известный как силовой винт. ^[1] или переводной винт , ^[2] Это винт , используемый в качестве рычажного механизма в машине для перевода вращательного движения в линейное . Из-за большой площади скользящего контакта между охватывающими и охватывающими элементами винтовая резьба имеет большие потери энергии на трение по сравнению с другими звеньями. Они обычно не используются для передачи высокой мощности, а больше для периодического использования в приводов механизмах и позиционеров малой мощности. Ходовые винты обычно используются в линейных приводах , направляющих машин (например, в станках ), тисках , прессах и домкратах . ^[3] Ходовые винты являются распространенным компонентом электрических линейных приводов.

Ходовые винты изготавливаются так же, как и другие формы резьбы: их можно накатывать, нарезать или шлифовать .

Ходовой винт иногда используется с разъемной гайкой (также называемой полугайкой), которая позволяет при необходимости отсоединить гайку от резьбы и перемещать ее в осевом направлении, независимо от вращения винта (например, при одноточечной резьбе на ручном токарном станке ). ). Разрезную гайку также можно использовать для компенсации износа за счет сжатия частей гайки.

Гидростатический ходовой винт преодолевает многие недостатки обычного ходового винта, имея высокую точность позиционирования, очень низкое трение и очень низкий износ, но требует постоянной подачи жидкости под высоким давлением и высокоточного изготовления, что приводит к значительно более высоким затратам, чем большинство других ходовых винтов. линейные подвижные связи. ^[4]

Типы

Силовые винты классифицируются по геометрии их резьбы .

V-образная резьба

V-образная резьба менее подходит для ходовых винтов, чем другие резьбы, такие как Acme, поскольку у них больше трения между резьбами. Их резьба спроектирована таким образом, чтобы вызвать трение и не допустить ослабления застежки. С другой стороны, ходовые винты предназначены для минимизации трения. ^[5] Поэтому в большинстве случаев коммерческого и промышленного использования V-образную резьбу при использовании ходового винта избегают. Тем не менее, V-образную резьбу иногда успешно применяют в качестве ходовых винтов, например на микротокарных и микрофрезерных станках. ^[6]

Квадратная резьба

Квадратные резьбы названы в честь их квадратной геометрии. Они наиболее эффективны , имеют наименьшее трение , поэтому их часто используют для винтов, имеющих большую мощность; однако их сложнее всего обрабатывать и, следовательно, они самые дорогие.

Резьба Acme / Трапециевидная резьба

Винт Acme

Резьба Acme имеет угол резьбы 29° , который легче обрабатывать, чем квадратную резьбу. Они не так эффективны, как квадратная резьба, из-за повышенного трения, вызванного углом резьбы. ^[3] Резьба Acme, как правило, прочнее квадратной резьбы благодаря трапециевидному профилю резьбы, который обеспечивает большую несущую способность.

Контрфорсная резьба

Контрфорсные нити имеют треугольную форму. Они используются там, где сила нагрузки на винт прикладывается только в одном направлении. ^[7] В этих случаях они так же эффективны, как и квадратная резьба, но их легче производить.

Преимущества и недостатки

Преимущества ходового винта: ^[2]

Большая грузоподъемность
Компактность
Простота конструкции
Простота изготовления
Большое механическое преимущество
Точное и точное линейное движение
Плавная и тихая работа
Низкие эксплуатационные расходы
Минимальное количество деталей
Большинство из них самоблокирующиеся (не имеют обратного привода).

Недостатком является то, что большинство из них не очень эффективны. Из-за низкого КПД их нельзя использовать в системах непрерывной передачи энергии. У них также высокая степень трения резьбы, что может привести к быстрому износу резьбы. При квадратной резьбе гайку необходимо заменить; для трапециевидной резьбы можно использовать разрезную гайку для компенсации износа. ^[5]

Альтернативы

Альтернативы приведению в действие ходовым винтом включают:

Шарико-винтовые пары и роликовые винты (иногда их относят к типам ходовых винтов, а не к разным типам)
Гидравлическая энергия (т. е. гидравлика и пневматика )
Зубчатые передачи (например, червячные передачи , реечные передачи)
Электромагнитное срабатывание (например, соленоиды )
Пьезоэлектрическое срабатывание

Механика

Крутящий момент, необходимый для подъема или опускания груза, можно рассчитать, «развернув» один оборот нити. Это легче всего описать для квадратной или контрфорсной резьбы, поскольку угол резьбы равен 0 и не имеет никакого отношения к расчетам. Развернутая нить образует прямоугольный треугольник, основание которого находится $\pi d_{\text{m}}$ длина и высота — это свинец (на фото справа). Сила нагрузки направлена вниз, нормальная сила перпендикулярна гипотенузе треугольника, сила трения направлена в противоположную направлению движения сторону (перпендикулярно нормальной силе или вдоль гипотенузы), а мнимая Сила «усилия» действует горизонтально в направлении, противоположном направлению силы трения. Используя эту диаграмму свободного тела, можно рассчитать крутящий момент, необходимый для подъема или опускания груза: ^[8]^[9]

T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}}{\pi d_{\text{m}}-\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi +\lambda \right)}

T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi -\lambda \right)}

Коэффициент трения для резьбы ходового винта ^[10]
Материал винта	Материал гайки
Материал винта	Сталь	Бронза	Латунь	Чугун
Сталь, сухая	0.15–0.25	0.15–0.23	0.15–0.19	0.15–0.25
Сталь, машинное масло	0.11–0.17	0.10–0.16	0.10–0.15	0.11–0.17
Бронза	0.08–0.12	0.04–0.06	-	0.06–0.09

где

$T$ = крутящий момент
$F$ = нагрузка на винт
$d_{\text{m}}$ = средний диаметр
$\mu \,$ = коэффициент трения (общие значения приведены в соседней таблице)
$l$ = вести
$\phi \,$ = угол трения
$\lambda \,$ = угол подъема

На основе $T_{\text{lower}}$ Из уравнения можно найти, что винт является самотормозящимся, когда коэффициент трения больше тангенса угла подъема. Эквивалентное сравнение – когда угол трения больше угла опережения ( $\phi >\lambda$ ). ^[11] Если это не так, винт будет двигаться назад или опускаться под тяжестью груза. ^[8]

Эффективность

КПД, рассчитанный с использованием приведенных выше уравнений крутящего момента, составляет: ^[12]^[13]

{\mbox{efficiency}}={\frac {T_{0}}{T_{\text{raise}}}}={\frac {Fl}{2\pi T_{\text{raise}}}}={\frac {\tan {\lambda }}{\tan {\left(\phi +\lambda \right)}}}

Ненулевой угол резьбы

Для винтов с углом резьбы, отличным от нуля, например, с трапециевидной резьбой, это необходимо компенсировать, поскольку это увеличивает силы трения. Уравнения ниже учитывают это: ^[12]^[14]

T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }}{\pi d_{\text{m}}-\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }+\tan {\lambda }}{1-\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)

T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }-\tan {\lambda }}{1+\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)

где $\alpha \,$ составляет половину угла резьбы.

Если ходовой винт имеет буртик, на котором находится нагрузка, то при расчете крутящего момента необходимо также учитывать силы трения между интерфейсом. В следующем уравнении предполагается, что нагрузка сосредоточена на среднем диаметре муфты ( $d_{\text{c}}$ ): ^[12]

T_{\text{c}}={\frac {F\mu _{\text{c}}d_{\text{c}}}{2}}

где $\mu _{\text{c}}$ - коэффициент трения между манжетой о груз и $d_{\text{c}}$ средний диаметр воротника. Для колец, в которых используются упорные подшипники, потери на трение незначительны, и приведенное выше уравнение можно игнорировать. ^[15]

Эффективность для ненулевых углов резьбы можно записать следующим образом: ^[16]

$\eta ={\frac {\cos \alpha \ -\ \mu \tan \lambda }{\cos \alpha \ +\ \mu \cot \lambda }}$

Коэффициент трения упорных буртиков ^[15]
Комбинация материалов	Начало $\mu _{\text{c}}$	Бег $\mu _{\text{c}}$
Мягкая сталь/чугун	0.17	0.12
Закаленная сталь/чугун	0.15	0.09
Мягкая сталь/бронза	0.10	0.08
Закаленная сталь/бронза	0.08	0.06

Скорость бега

Безопасная скорость вращения гаек из различных материалов и нагрузок на стальной винт. ^[17]
Материал гайки	Безопасные нагрузки (фунты на квадратный дюйм)	Безопасные нагрузки (бар)	Скорость (фут/мин)	Скорость (м/с)
Бронза	2500–3500 фунтов на квадратный дюйм	170–240 бар	Низкая скорость
Бронза	1600–2500 фунтов на квадратный дюйм	110–170 бар	10 футов в минуту	0,05 м/с
Чугун	1800–2500 фунтов на квадратный дюйм	120–170 бар	8 футов в минуту	0,04 м/с
Бронза	800–1400 фунтов на квадратный дюйм	55–97 бар	20–40 футов в минуту	0,10–0,20 м/с
Чугун	600–1000 фунтов на квадратный дюйм	41–69 бар	20–40 футов в минуту	0,10–0,20 м/с
Бронза	150–240 фунтов на квадратный дюйм	10–17 бар	50 футов в минуту	0,25 м/с

Скорость вращения ходового винта (или шарико-винтовой передачи) обычно ограничивается максимум 80 % от расчетной критической скорости . Критическая скорость – это скорость, при которой возбуждается собственная частота винта. Для стального ходового винта или стальной шарико-винтовой передачи критическая скорость составляет примерно ^[18]

N={(4.76\times 10^{6})d_{\text{r}}C \over L^{2}}

где

$N$ = критическая скорость в об/мин
$d_{\text{r}}$ = наименьший (корневой) диаметр ходового винта в дюймах
$L$ = длина между опорами подшипников в дюймах
$C$ = 0,36 для одного конца фиксированного, одного свободного конца
$C$ = 1,00 для обоих концов просто
$C$ = 1,47 для одного конца фиксированного, одного конца простого
$C$ = 2,23 для обоих концов фиксировано

Альтернативно использование метрических единиц: ^[19]

$N={\frac {Cd_{\text{r}}\times 10^{7}}{L^{2}}}$

где переменные идентичны указанным выше, но значения указаны в миллиметрах и $C$ заключается в следующем:

$C$ = 3,9 для неподвижных свободных опор ^[20]
$C$ = 12,1 для обоих концов поддерживается
$C$ = 18,7 для конструкции с фиксированной опорой
$C$ = 27,2 для обоих концов фиксировано

См. также

Ссылки

^ Шариковые винты и ходовые винты , извлечены 16 декабря 2008 г. .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бхандари, с. 202.
^ Перейти обратно: ^а ^б Шигли, с. 400.
^ US 5499942 , Пфлагер, Уильям В., «Узел гидростатической гайки и ходового винта, а также способ формирования указанной гайки», опубликован 19 марта 1996 г., передан компании Western Atlas Inc.
^ Перейти обратно: ^а ^б Бхандари, с. 203.
^ Мартин 2004 , с. 266.
^ Бхандари, с. 204.
^ Перейти обратно: ^а ^б Шигли, с. 402.
^ Бхандари, стр. 207–208.
^ Шигли, с. 408.
^ Бхандари, с. 208.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Шигли, с. 403.
^ Бхандари, с. 209.
^ Бхандари, стр. 211–212.
^ Перейти обратно: ^а ^б Бхандари, с. 213.
^ Чайлдс, Питер Р.Н. (24 ноября 2018 г.). Справочник по машиностроению (Второе изд.). Оксфорд, Великобритания. п. 803. ИСБН 978-0-08-102368-6 . OCLC 1076269063 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Шигли, с. 407.
^ Нук Индастриз, Inc. «Глоссарий и технические данные по сборке Acme и ходового винта». Архивировано 5 июля 2008 г. на Wayback Machine.
^ Мориц, Фредерик Г.Ф. (2014). Электромеханические системы движения: проектирование и моделирование . Чичестер, Англия: Уайли. п. 121. ИСБН 978-1-118-35967-9 . OCLC 873995457 .
^ «Критическая скорость — August Steinmeyer GmbH & Co. KG» . www.steinmeyer.com . Проверено 26 августа 2020 г.

Библиография

Бхандари, В.Б. (2007), Проектирование элементов машин , Тата МакГроу-Хилл, ISBN 978-0-07-061141-2 .
Мартин, Джо (2004), Настольная обработка: базовый подход к изготовлению мелких деталей на миниатюрных станках , Vista, Калифорния, США: Sherline, Inc., ISBN 978-0-9665433-0-8 . Первоначально опубликовано в 1998 году; контент обновляется с каждым тиражом, аналогично «пересмотренному изданию». На данный момент в четвёртом тираже.
Шигли, Джозеф Э.; Мишке, Чарльз Р.; Будинас, Ричард Гордон (2003), Проектирование машиностроения (7-е изд.), McGraw Hill, ISBN 978-0-07-252036-1 .

Внешние ссылки

[1] Шариковые винты и ходовые винты , извлечены 16 декабря 2008 г. .

[bhandari202-2] Перейти обратно: ^а ^б Бхандари, с. 202.

[shigley-3] Перейти обратно: ^а ^б Шигли, с. 400.

[4] US 5499942 , Пфлагер, Уильям В., «Узел гидростатической гайки и ходового винта, а также способ формирования указанной гайки», опубликован 19 марта 1996 г., передан компании Western Atlas Inc.

[bhandari203-5] Перейти обратно: ^а ^б Бхандари, с. 203.

[6] Мартин 2004 , с. 266.

[7] Бхандари, с. 204.

[shigley402-8] Перейти обратно: ^а ^б Шигли, с. 402.

[9] Бхандари, стр. 207–208.

[10] Шигли, с. 408.

[11] Бхандари, с. 208.

[shigley403-12] Перейти обратно: ^а ^б ^с Шигли, с. 403.

[13] Бхандари, с. 209.

[14] Бхандари, стр. 211–212.

[bhandari213-15] Перейти обратно: ^а ^б Бхандари, с. 213.

[16] Чайлдс, Питер Р.Н. (24 ноября 2018 г.). Справочник по машиностроению (Второе изд.). Оксфорд, Великобритания. п. 803. ИСБН 978-0-08-102368-6 . OCLC 1076269063 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[17] Шигли, с. 407.

[18] Нук Индастриз, Inc. «Глоссарий и технические данные по сборке Acme и ходового винта». Архивировано 5 июля 2008 г. на Wayback Machine.

[19] Мориц, Фредерик Г.Ф. (2014). Электромеханические системы движения: проектирование и моделирование . Чичестер, Англия: Уайли. п. 121. ИСБН 978-1-118-35967-9 . OCLC 873995457 .

[20] «Критическая скорость — August Steinmeyer GmbH & Co. KG» . www.steinmeyer.com . Проверено 26 августа 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]