Винтовой механизм

Информацию о винте в качестве крепежа см. в разделе винт . Чтобы узнать о других значениях, см. винт (значения) .

Анимация, показывающая работу винта. Когда вал винта вращается, гайка движется линейно вдоль вала. Этот тип называется ходовым винтом .

Машина, используемая в школах для демонстрации действия винта, 1912 года. Она состоит из вала с резьбой, продетого через резьбовое отверстие в стационарном креплении. Когда кривошип справа поворачивается, вал перемещается горизонтально через отверстие.

Винт вращательное — это механизм, преобразующий движение в линейное движение , а крутящий момент (силу вращения) в линейную силу . Это одна из шести классических простых машин . Наиболее распространенная форма состоит из цилиндрического вала со спиральными канавками или гребнями, называемыми резьбой, вокруг внешней стороны. Винт проходит через отверстие в другом объекте или среде с резьбой на внутренней стороне отверстия, которая входит в зацепление с резьбой винта. При вращении вала винта относительно неподвижной резьбы винт перемещается вдоль своей оси относительно окружающей его среды; например, вращение шурупа заставляет его врезаться в дерево. В винтовых механизмах либо вал винта может вращаться через резьбовое отверстие в неподвижном объекте, либо резьбовое кольцо, такое как гайка, может вращаться вокруг неподвижного винтового вала. Геометрически винт можно рассматривать как узкую наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра .

Как и другие простые машины, винт может усиливать силу; небольшая вращательная сила ( крутящий момент ) на валу может оказать большую осевую силу на нагрузку. Чем меньше шаг (расстояние между резьбой винта), тем больше механическое преимущество (отношение выходной и входной силы). Винты широко используются в резьбовых соединениях для скрепления предметов, а также в таких устройствах, как навинчивающиеся крышки для контейнеров, тиски , винтовые домкраты и винтовые прессы .

Другие механизмы, использующие тот же принцип, также называемые винтами, не обязательно имеют вал или резьбу. Например, штопор — это стержень в форме спирали с острым концом, а винт Архимеда — это водяной насос, который использует вращающуюся винтовую камеру для перемещения воды вверх. Общий принцип всех винтов заключается в том, что вращающаяся спираль может вызывать линейное движение.

История

Деревянный винт в древнеримском прессе для оливок

Винт был одной из последних простых машин, которые были изобретены. Впервые он появился в Месопотамии в неоассирийский период (911–609 гг. до н. э.). а затем позже появился в Древнем Египте и Древней Греции .

Записи указывают на то, что водяной винт или винтовой насос впервые был использован в Древнем Египте. за некоторое время до того, как греческий философ Архимед описал винтовой водяной насос Архимеда около 234 г. до н.э. Архимед написал самое раннее теоретическое исследование винта как машины. и считается, что он ввел винт в Древнюю Грецию. К первому веку до нашей эры винт использовался в виде винтового пресса и винта Архимеда.

Греческие философы определяли винт как одну из простых машин и могли рассчитать его (идеальное) механическое преимущество . Например, Герон Александрийский (52 г. н.э.) перечислил винт как один из пяти механизмов, которые могут «приводить груз в движение», определил его как наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра, и описал его изготовление и использование. включая описание метчика для нарезания внутренней резьбы.

Поскольку их сложную спиралевидную форму приходилось кропотливо разрезать вручную, винты использовались в качестве соединительных элементов лишь в нескольких машинах в древнем мире. Винтовые крепления начали использовать в часах только в 15 веке, после того как были разработаны токарно-винторезные станки . Примерно в это же время винт, по-видимому, применялся для сверления и перемещения материалов (кроме воды), когда изображения шнеков и сверл. на европейских картинах начали появляться Полная динамическая теория простых машин, в том числе винта, была разработана итальянским учёным Галилео Галилеем в 1600 году в книге Le Meccaniche («О механике»).

Ведение и подача

Шаг и шаг одинаковы у однозаходных винтов, но различаются у многозаходных винтов.

Тонкость или крупность резьбы винта определяется двумя тесно связанными величинами:

• Ход . определяется как осевое расстояние (параллельное оси винта), которое проходит винт за один полный оборот (360°) вала Ход определяет механическое преимущество винта; чем меньше шаг, тем выше механическое преимущество.
• Шаг . определяется как осевое расстояние между гребнями соседних резьб

В большинстве винтов, называемых « одинарными винтами», которые имеют одинарную винтовую резьбу, шаг и шаг равны. Они отличаются только « многозаходными » винтами, имеющими несколько переплетенных резьб. В этих винтах ход равен шагу, умноженному на количество заходов . Многозаходные винты используются, когда требуется большое линейное движение для заданного вращения, например, в завинчивающихся крышках на бутылках и шариковых ручках .

Рукава

Правая и левая резьба

Спираль резьбы винта может закручиваться в двух возможных направлениях, что называется ручностью . Большинство винтовых резьб ориентированы таким образом, что, если смотреть сверху, стержень винта отходит от наблюдателя (винт затягивается) при повороте по часовой стрелке. Такая резьба известна как правосторонняя ( RH ), поскольку соответствует правилу хвата правой рукой : когда пальцы правой руки обхватывают вал в направлении вращения, большой палец будет указывать в направлении движения резьбы. вал. Резьбы, ориентированные в противоположном направлении, называются левосторонними ( LH ).

По общему соглашению, правосторонность является стандартным для винтовой резьбы. Поэтому большинство резьбовых деталей и крепежных изделий имеют правостороннюю резьбу. Одним из объяснений того, почему правая резьба стала стандартной, является то, что для правши затягивать правый винт с помощью отвертки легче, чем затягивать левый винт, поскольку при этом задействуется более сильная супинаторная мышца руки, а не более слабая мышца -пронатор . Поскольку большинство людей — правши, правосторонняя резьба стала стандартной для резьбовых соединений.

Исключением являются винтовые соединения в машинах; они могут быть правшами или левшами, в зависимости от того, что более применимо. Левосторонняя резьба также используется в некоторых других приложениях:

• В случае, когда вращение вала приведет к тому, что обычная правосторонняя гайка будет ослабляться, а не затягиваться из-за прецессии, вызванной истиранием . Примеры включают в себя:
  • Левая педаль на велосипеде .
  • Левый винт, удерживающий полотно циркулярной пилы или шлифовальный круг.
• В некоторых устройствах, которые имеют резьбу на обоих концах, например, в талрепах и съемных сегментах труб. Эти детали имеют одну правую и одну левую резьбу, поэтому поворот детали затягивает или ослабляет обе резьбы одновременно.
• В некоторых соединениях подачи газа для предотвращения опасных ошибок. Например, при газовой сварке линия подачи горючего газа крепится с левой резьбой, поэтому ее нельзя случайно переключить на линию подачи кислорода, в которой используется правая резьба.
• левосторонние лампочки используются Чтобы сделать их бесполезными для населения (тем самым предотвращая кражу), на некоторых станциях железных дорог и метро .
• Говорят, что крышки гробов традиционно крепились левыми винтами.

Винтовые резьбы

Основные статьи: винтовая резьба и метрическая резьба.

В винтах различного назначения используются различные формы (профили) резьбы. Резьба винтов стандартизирована, поэтому детали разных производителей будут правильно сопрягаться.

Угол резьбы

Основная статья: Угол резьбы

Угол резьбы — это внутренний угол , измеренный на участке, параллельном оси, между двумя опорными поверхностями резьбы. Угол между осевой силой нагрузки и нормалью к поверхности подшипника примерно равен половине угла резьбы, поэтому угол резьбы оказывает большое влияние на трение и эффективность винта, а также на скорость износа и прочность. Чем больше угол резьбы, тем больше угол между вектором нагрузки и нормалью к поверхности, поэтому тем больше нормальная сила между резьбами, необходимая для выдерживания заданной нагрузки. Следовательно, увеличение угла резьбы увеличивает трение и износ винта.

Наружная наклонная опорная поверхность резьбы под действием силы нагрузки также прилагает к гайке радиальную (наружную) силу, вызывая растягивающее напряжение . Эта радиальная разрывная сила увеличивается с увеличением угла резьбы. Если прочность материала гайки на разрыв недостаточна, чрезмерная нагрузка на гайку с большим углом резьбы может расколоть гайку.

Угол резьбы также влияет на прочность резьбы; резьбы с большим углом имеют широкий по сравнению с их размером корень и более прочные.

Стандартные типы резьбы: (а) V, (б) American National, (c) British Standard, (d) Square, (e) Acme, (f) Buttress, (g) Knuckle

Типы ниток

В резьбовых застежках допустимо и обычно желательно большое трение, чтобы предотвратить отвинчивание застежки. Так резьба, используемая в крепежных изделиях, обычно имеет большой угол резьбы 60°:

• (а) V-образная резьба
  Основная статья: Саморез
  - Они используются в саморезах, таких как шурупы для дерева и шурупы для листового металла, для которых требуется острая кромка, чтобы прорезать отверстие, и где требуется дополнительное трение, чтобы винт оставался неподвижным, например, в установочных и регулировочных винтах, и где соединение должно быть герметичным, например, в резьбовых соединениях труб .
• (б) Американский национальный
  Дополнительная информация: Национальная трубная резьба.
  — Он был заменен почти идентичным унифицированным стандартом резьбы . Она имеет тот же угол резьбы 60°, что и V-образная резьба, но более прочная из-за плоского основания. Используется в болтах, гайках и различных крепежных изделиях.
• (в) Метрическая резьба
  Основная статья: Метрическая резьба
  - Эти резьбы указаны и являются общими для стандартов ISO и DIN.
• (d) Витворт или британский стандарт
  Основная статья: Британский стандарт Уитворта
  — Очень похожий британский стандарт заменен унифицированным стандартом резьбы .

В соединениях машин, таких как ходовые винты или домкраты , трение, напротив, должно быть сведено к минимуму. Поэтому применяют резьбы с меньшими углами:

• (д) Квадратная резьба
  Основная статья: Квадратная резьба
  - Это самая прочная резьба с наименьшим трением, с углом резьбы 0°, и не оказывает на гайку разрывного усилия. Однако его сложно изготовить, требуется одноточечный режущий инструмент из-за необходимости подрезать края. Она используется в приложениях с высокими нагрузками, таких как домкраты и ходовые винты , но в большинстве случаев ее заменяет резьба Acme. с небольшим углом резьбы 5°, которая дешевле в производстве. модифицированную квадратную резьбу Вместо нее иногда используют
• (f) Резьба Acme
  Основная статья: Нить Acme
  - Благодаря углу резьбы 28° трение выше, чем у квадратной резьбы, но ее проще изготовить, и ее можно использовать с разрезной гайкой для регулировки износа. Он широко используется в тисках , С-образных зажимах , клапанах , ножничных домкратах и ​​ходовых винтах в таких машинах, как токарные станки.
• (g) Контрфорсирующая резьба
  Основная статья: Контрфорсная нить
  - Используется в приложениях с высокими нагрузками, в которых сила нагрузки прикладывается только в одном направлении, например, в винтовых домкратах . Благодаря углу опорной поверхности 0° она так же эффективна, как и квадратная резьба, но прочнее и проще в изготовлении.
• (h) Поворотная резьба
  Основная статья: Накл-резьба
  - Похож на квадратную резьбу, углы которой закруглены для защиты от повреждений, что также обеспечивает более высокое трение. В случае применения с низкой прочностью его можно дешево изготовить из листового проката путем прокатки . Используется в лампочках и розетках.

Использование

Винтовой конвейер использует вращающуюся спиральную винтовую лопасть для перемещения сыпучих материалов.

• Благодаря своему свойству самоблокировки (см. ниже) винт широко используется в резьбовых соединениях для скрепления предметов или материалов: шуруп для дерева , шуруп для листового металла , шпилька , болт и гайка .
• Свойство самоблокировки также является ключом к использованию винта в широком спектре других применений, таких как штопор , с завинчивающейся крышкой крышка контейнера , резьбовое соединение труб , тиски , С-образный зажим и винтовой домкрат .
• Винты также используются в качестве звеньев в машинах для передачи мощности, в червячной передаче , ходовом винте , шариковом винте и роликовом винте . Из-за своей низкой эффективности винтовые соединения редко используются для передачи большой мощности, но чаще используются в маломощных прерывистых устройствах, таких как приводы позиционирования .
• Вращающиеся винтовые лопасти или камеры используются для перемещения материала в шнеке Архимеда , шнековом буре и винтовом конвейере .
• используется В микрометре прецизионный калиброванный винт для измерения длины с большой точностью.

Винтовой гребной винт , хотя и носит название винт , работает на совсем других физических принципах, чем винты вышеуказанных типов, и информация в этой статье к нему не применима.

Расстояние перемещено

Линейное расстояние $d\,$ Вал винта перемещается при повороте на угол $\alpha \,$ степени это:

$d=l{\frac {\alpha }{360^{\circ }}}\,$

где $l\,$ это ход винта.

Коэффициент расстояния простой машины определяется как отношение расстояния, на которое перемещается приложенная сила, к расстоянию, на которое перемещается груз. Для винта это отношение кругового расстояния d _в точке, находящейся на краю вала, к линейному расстоянию d, _{перемещаемому за пределы} вала. Если r — радиус вала, то за один оборот точка на ободе винта перемещается на расстояние 2π r , а его вал перемещается линейно на расстояние шага l . Таким образом, соотношение расстояний равно

${\mbox{distance ratio}}\equiv {\frac {d_{in}}{d_{out}}}={\frac {2\pi r}{l}}\,$

Механическое преимущество без трения

Винтовой домкрат . Когда стержень вставлен в отверстия сверху и повернут, он может поднять груз.

Механическое преимущество MA винта определяется как отношение осевой выходной силы F _out, приложенной валом к ​​нагрузке, к вращательной силе F _in, приложенной к ободу вала для его поворота. Для винта без трения (также называемого идеальным винтом ) из закона сохранения энергии работа, совершаемая винтом входной силой, поворачивающей его, равна работе, совершаемой винтом над силой нагрузки:

$W_{in}=W_{out}\,$

Работа равна силе, умноженной на расстояние, на которое она действует, поэтому работа, совершаемая за один полный оборот винта, равна $W_{in}=2\pi rF_{in}\,$ а работа, совершенная над грузом, равна $W_{out}=lF_{out}\,$. Таким образом, идеальное механическое преимущество винта равно отношению расстояний :

$\mathrm {MA} _{ideal}\equiv {\frac {F_{out}}{F_{in}}}={\frac {2\pi r}{l}}\,$

Видно, что механическое преимущество винта зависит от его шага, $l\,$. Чем меньше расстояние между его резьбами, тем больше механическое преимущество и тем большую силу может оказать винт при заданной приложенной силе. Однако большинство реальных винтов имеют большое трение, и их механическое преимущество меньше, чем указано в приведенном выше уравнении.

Форма крутящего момента

Вращательная сила, приложенная к винту, на самом деле представляет собой крутящий момент. $T_{in}=F_{in}r\,$. Из-за этого входная сила, необходимая для поворота винта, зависит от того, насколько далеко от вала он приложен; чем дальше от вала, тем меньше силы нужно для его поворота. Усилие, действующее на винт, обычно не прикладывается к ободу, как предполагалось выше. Это часто применяется с помощью рычага той или иной формы; например, болт поворачивается гаечным ключом , ручка которого действует как рычаг. Механическое преимущество в этом случае можно рассчитать, используя длину плеча рычага для r в приведенном выше уравнении. Этот посторонний фактор r можно удалить из приведенного выше уравнения, записав его через крутящий момент:

${\frac {F_{out}}{T_{in}}}={\frac {2\pi }{l}}\,$

Фактическое механическое преимущество и эффективность

Из-за большой площади скользящего контакта между движущейся и неподвижной резьбой винты обычно имеют большие потери энергии на трение. Даже хорошо смазанные винтовые домкраты имеют КПД всего 15–20%, остальная часть работы, прилагаемой при их вращении, теряется из-за трения. Когда учитывается трение, механическое преимущество больше не равно соотношению расстояний, но также зависит от эффективности винта. Из закона сохранения энергии работа , W _{совершаемая} винтом приложенной силой, поворачивающей его, равна сумме работы, совершаемой по перемещению груза W _наружу , и работы, рассеиваемой в виде тепла за счет трения W _fric в винте.

$W_{in}=W_{out}+W_{fric}\,$

Эффективность представляет собой безразмерное число от 0 до 1 , η определяемое как отношение выходной работы к входной работе.

$\eta =W_{out}/W_{in}\,$

$W_{out}=\eta W_{in}\,$

Работа определяется как сила, умноженная на пройденное расстояние, поэтому $W_{in}=F_{in}d_{in}\,$ и $W_{out}=F_{out}d_{out}\,$ и поэтому

$F_{out}d_{out}=\eta F_{in}d_{in}\,$

${\frac {F_{out}}{F_{in}}}=\eta {\frac {d_{in}}{d_{out}}}\,$

$MA={\frac {F_{out}}{F_{in}}}=\eta {\frac {2\pi r}{l}}\,$

или по крутящему моменту

${\frac {F_{out}}{T_{in}}}={\frac {2\pi \eta }{l}}\qquad \,$

Таким образом, механическое преимущество реального винта снижается по сравнению с тем, что было бы у идеального винта без трения, из-за эффективности. $\eta \,$. Из-за своего низкого КПД в механическом оборудовании винты не часто используются в качестве связей для передачи большого количества энергии, а чаще используются в позиционерах, работающих с перерывами.

Самоблокирующееся свойство

Большие силы трения приводят к тому, что большинство винтов при практическом использовании становятся « самоконтрящимися », также называемыми « невзаимными » или « неремонтопригодными ». Это означает, что приложение крутящего момента к валу заставит его повернуться, но никакая осевая нагрузка, действующая на вал, не заставит его повернуться в другую сторону, даже если приложенный крутящий момент равен нулю. В этом отличие от некоторых других простых машин , которые являются « обратно-поступательными » или « неблокирующими », что означает, что если сила нагрузки достаточно велика, они будут двигаться назад или « капитально ремонтироваться ». Таким образом, машину можно использовать в любом направлении. Например, в рычаге , если сила на нагруженном конце слишком велика, он будет двигаться назад, совершая работу за счет приложенной силы. Большинство винтов сконструированы так, чтобы быть самоконтрящимися и при отсутствии крутящего момента на валу оставаться в любом положении, в котором они были оставлены. Однако некоторые винтовые механизмы с достаточно большим шагом и хорошей смазкой не являются самоблокирующимися и подлежат капитальному ремонту, и очень немногие, такие как толкающие сверла , используют винт в этом «обратном» направлении, прикладывая к валу осевую силу, чтобы поверните винт. Другими причинами ослабления винтов являются неправильная конструкция сборки и внешние силы, такие как удары, вибрация и динамические нагрузки, вызывающие проскальзывание на резьбовых и сопрягаемых/зажимных поверхностях.

— Толкающее сверло один из немногих механизмов, в которых винт используется «обратно» для преобразования линейного движения во вращательное. Он имеет винтовую резьбу с очень большим шагом вдоль центрального вала. Когда рукоятка нажимается вниз, вал входит в собачки трубчатого штока, поворачивая сверло. Большинство винтов являются «самоконтрящимися», и осевая сила, действующая на вал, не повернет винт.

Это свойство самоблокировки является одной из причин очень широкого использования винта в резьбовых соединениях, таких как шурупы для дерева , шурупы для листового металла , шпильки и болты. Затягивание крепежа путем его поворота создает сжимающую силу на скрепляемые вместе материалы или детали, но никакая сила со стороны деталей не заставит винт повернуть назад и развернуться. Это свойство также является основой для использования винтов в крышках контейнеров с завинчивающейся крышкой , тисках , С-образных зажимах и винтовых домкратах . Тяжелый предмет можно поднять, повернув вал домкрата, но когда вал будет отпущен, он останется на любой высоте, на которую он был поднят.

Винт будет самоконтрящимся тогда и только тогда, когда его эффективность $\eta \,$ находится ниже 50%.

$\eta ={\frac {F_{out}/F_{in}}{d_{in}/d_{out}}}={\frac {F_{out}}{F_{in}}}{\frac {l}{2\pi r}}<0.50\,$

Является ли винт самоконтрящимся, в конечном итоге зависит от угла наклона резьбы и коэффициента трения резьбы; очень хорошо смазанная резьба с низким коэффициентом трения и достаточно большим шагом может «капитально ремонтироваться». Также следует принять во внимание, что зажимаемые компоненты зажаты достаточно плотно, чтобы полностью предотвратить перемещение. В противном случае может произойти проскальзывание резьбы или зажимной поверхности.