Ходовой винт

Винт, используемый в качестве звена в механизме

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

DVD-привод с ходовым винтом и шаговым двигателем

Дисковод гибких дисков с ходовым винтом и шаговым двигателем

Ходовой винт (или ходовой винт ), также известный как силовой винт ^[1] или винт перемещения , ^[2] представляет собой винт, используемый в качестве рычажного механизма в машине для преобразования вращательного движения в линейное движение . 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 механизмах приводов 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 высокой точности изготовления, что приводит к значительно более высоким затратам, чем большинство других линейных перемещений . 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 вызывать трение и не допускать ослабления застежки. С другой стороны, ходовые винты предназначены для минимизации трения. ^[5] Таким образом, 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. Но 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 недостатки

Ходовые винты используются для подъема и опускания передней двери грузового самолета Boeing 747-8F .

Преимущества ходового винта: ^[2]

• Большая грузоподъемность
• Компактный
• Простота проектирования
• Простота изготовления; не требуется специализированная техника
• Большое механическое преимущество
• Точное и точное линейное движение
• Плавность, бесшумность и 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

Схема «развернутой» резьбы

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 с длинным основанием и высотой (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]} ${\displaystyle \pi d_{\text{m}}}$

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

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

где

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

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

Эффективность

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

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

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]}

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

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

где - половина угла резьбы. ${\displaystyle \alpha \,}$

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 ( ): ^[12] ${\displaystyle d_{\text{c}}}$

График зависимости эффективности ходового винта квадратного сечения от угла подъема для различных коэффициентов трения

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

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

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

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

Скорость бега

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 ШВП критическая скорость составляет примерно ^[18]

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

где

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

Альтернативно использование метрических единиц: ^[19]

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

где переменные идентичны указанным выше, но значения указаны в миллиметрах и выглядят следующим образом: ${\displaystyle C}$

• ${\displaystyle C}$= 3,9 для неподвижно-свободных опор ^[20]
• ${\displaystyle C}$= 12,1 для обоих концов поддерживается
• ${\displaystyle C}$ = 18,7 для конструкции с фиксированной опорой
• ${\displaystyle C}$= 27,2 для обоих концов фиксировано

Смотрите также

• Шариковый винт
• Винт точной регулировки
• домкрат

Рекомендации

1. Шарико-винтовые передачи и ходовые винты , полученные 16 декабря 2008 г..
2. Бхандари, стр. 202.
3. Шигли, с. 400.
4. US 5499942, Пфлагер, Уильям В., «Узел гидростатической гайки и ходового винта, а также способ формирования указанной гайки», опубликовано 19 марта 1996 г., передано Western Atlas Inc. 
5. Бхандари, стр. 203.
6. Мартин 2004, с. 266.
7. Бхандари, с. 204.
8. Шигли, с. 402.
9. Бхандари, стр. 207–208.
10. Шигли, с. 408.
11. Бхандари, с. 208.
12. Шигли, с. 403.
13. Бхандари, с. 209.
14. Бхандари, стр. 211–212.
15. Бхандари, стр. 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. ОСЛК  1076269063.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
17. Шигли, с. 407.
18. Nook Industries, Inc. «Глоссарий и технические данные по сборке Acme и ходового винта». Архивировано 5 июля 2008 г. в 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. ОСЛК  873995457.
20. «Критическая скорость - August Steinmeyer GmbH & Co. KG» . www.steinmeyer.com . Проверено 26 августа 2020 г.

Библиография

• Бхандари, VB (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