Ходовой винт

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

DVD-привод с ходовым винтом и шаговым двигателем .

Привод гибких дисков с ходовым винтом и шаговым двигателем.

Ходовой винт (или ходовой винт ), также известный как винт мощности ^[1] или винт перевода , ^[2] представляет собой винт используется в качестве связи в машине, чтобы перевести поворот движения в линейное движение . Из-за большой площади скользящего контакта между их мужскими и женскими членами, Резьбы имеют большие потери энергии на трение по сравнению с другими связями . Обычно они не используются для передачи большой мощности, а больше для периодического использования в механизмах привода и позиционера малой мощности. Ходовые винты обычно используются влинейные приводы , направляющие для станков (например, в станках ), тиски , прессы и домкраты . ^[3] Ходовые винты являются обычным элементом электрических линейных приводов.

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

Ходовой винт иногда используется с разрезной гайкой, также называемой половинной гайкой, которая позволяет гайке отсоединяться от резьбы и перемещаться в осевом направлении, независимо от вращения винта, когда это необходимо (например, при нарезании одноточечной резьбы на ручном токарном станке). Прорезная гайка также может использоваться для компенсации износа путем сжатия частей гайки.

Гидростатический ходовой винт преодолевает многие из недостатков нормального ШВПА, имеющим высокую точность позиционирования, очень низкое трения и очень низкий износ, но требует непрерывной подачи текучей среды под высоким давлением и высокая точность изготовления , ведущие к значительно большей стоимости , чем большинство других связей линейного движения . ^[4]

Типы [ править ]

Силовые винты классифицируются по геометрии резьбы . V-образная резьба менее подходит для ходовых винтов, чем другие, такие как Acme, потому что у них большее трение между резьбами. Их резьба предназначена для создания этого трения и предотвращения ослабления застежки. С другой стороны, ходовые винты предназначены для минимизации трения. ^[5] Таким образом, в большинстве коммерческих и промышленных применений V-образная резьба не используется для использования ходового винта. Тем не менее, V-образная резьба иногда успешно используется в качестве ходовых винтов, например, на микрошлифах и микромельницах . ^[6]

Квадратная нить [ править ]

Квадратные резьбы названы в честь их квадратной геометрии. Они наиболее эффективны , имеют наименьшее трение , поэтому их часто используют для винтов с большой мощностью. Но они также являются наиболее сложными в обработке и, следовательно, самыми дорогими.

Резьба Acme / Трапецеидальная резьба [ править ]

Винт Acme

Резьба Acme имеет угол резьбы 29 ° , что облегчает обработку, чем квадратную резьбу. Они не так эффективны, как квадратные резьбы, из-за повышенного трения, вызванного углом резьбы. ^[3] Резьба Acme обычно прочнее квадратной резьбы из-за трапециевидного профиля резьбы, который обеспечивает большую несущую способность. ^[7]

Контрольная нить [ править ]

Нити контрфорса имеют треугольную форму. Они используются там, где сила нагрузки на винт действует только в одном направлении. ^[8] В этих применениях они так же эффективны, как квадратная резьба, но их легче производить.

Преимущества и недостатки [ править ]

Винты используются для подъема и опускания передней двери самолета Boeing 747-8F Freighter.

Преимущества ходового винта: ^[2]

Большая грузоподъемность
Компактный
Простой дизайн
Простота изготовления; не требуется специализированная техника
Большое механическое преимущество
Точное и точное линейное движение
Плавный, тихий и неприхотливый
Минимальное количество деталей
Большинство из них самоблокирующиеся (не могут иметь обратный привод)

Недостатки в том, что большинство из них не очень эффективны. Из-за низкой эффективности их нельзя использовать в системах непрерывной передачи энергии. Они также имеют высокую степень трения о резьбу, которая может быстро изнашивать резьбу. Для квадратной резьбы гайку необходимо заменить; для трапециевидной резьбы можно использовать разрезную гайку для компенсации износа. ^[5]

Альтернативы [ править ]

Альтернативы приведению в действие ходовым винтом включают:

Шариковые винты и роликовые винтовые (иногда классифицируются как виды ШВП , а не в отличие)
Fluid мощности (то есть, гидравлика и пневматика )
Зубчатые передачи (например, червячные передачи , реечные передачи)
Электромагнитное срабатывание (например, соленоиды )
Пьезоэлектрическое срабатывание

Механика [ править ]

Схема "развернутой" винтовой резьбы

Крутящий момент, необходимый для подъема или опускания груза, можно рассчитать, «развернув» один оборот резьбы. Это проще всего описать для квадратной или контрфорсированной резьбы, поскольку угол резьбы равен 0 и не имеет отношения к расчетам. Развернутая нить образует прямоугольный треугольник, основание которого длинное, а высота - ведущий (на фото справа). Сила нагрузки направлена вниз, нормальная сила перпендикулярна гипотенузе треугольника, сила трения направлена в направлении, противоположном направлению движения (перпендикулярно нормальной силе или по гипотенузе), а мнимая сила. Сила «усилие» действует горизонтально в направлении, противоположном направлению силы трения. Используя эту диаграмму свободного тела ${\ displaystyle \ pi d_ {m}}$ крутящий момент, необходимый для подъема или опускания груза, можно рассчитать: ^[9]^[10]

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

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

Коэффициент трения для резьбы ходового винта ^[11]
Материал винта	Материал гайки
Материал винта	Стали	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

куда

T = крутящий момент
F = нагрузка на винт
d _m = средний диаметр
${\ displaystyle \ mu \,}$ = коэффициент трения (общие значения указаны в соседней таблице)
l = свинец
${\ displaystyle \ phi \,}$ = угол трения
${\ displaystyle \ lambda \,}$ = угол опережения

На основании _{нижнего} уравнения T можно определить, что винт является самоблокирующимся, когда коэффициент трения больше тангенса угла подъема. Эквивалентное сравнение - когда угол трения больше угла опережения ( ). ^[12] Если это не так, винт будет двигаться назад или опускаться под весом груза. ^[9] ${\ displaystyle \ phi> \ lambda}$

Эффективность [ править ]

Эффективность, рассчитанная с использованием приведенных выше уравнений крутящего момента, составляет: ^[13]^[14]

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

Ненулевой угол резьбы [ править ]

Для винтов с углом резьбы, отличным от нуля, например, с трапецеидальной резьбой, это необходимо компенсировать, поскольку это увеличивает силы трения. Это учитывается в приведенных ниже уравнениях: ^[13]^[15]

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

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

где - половина угла резьбы. $\alpha \,$

Если ходовой винт имеет кольцо, в котором действует нагрузка, тогда силы трения между поверхностью раздела также должны быть учтены при расчетах крутящего момента. Для следующего уравнения предполагается, что нагрузка сосредоточена на среднем диаметре воротника (d _c ): ^[13]

График зависимости КПД винта с квадратным ходовым винтом от угла подъема для различных коэффициентов трения

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

где - коэффициент трения муфты на нагрузке, а d _c - средний диаметр муфты. Для манжет, в которых используются упорные подшипники, потери на трение незначительны, и приведенное выше уравнение можно игнорировать. ^[16] $\mu _{c}$

Эффективность для ненулевых углов резьбы можно записать следующим образом: ^[17]

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

Коэффициент трения упорных колец ^[16]
Комбинация материалов	Запуск $\mu _{c}$	Бег $\mu _{c}$
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 [ править ]

Безопасные скорости вращения для различных материалов гаек и нагрузок на стальной винт ^[18]
Материал гайки	Безопасные нагрузки (фунты на квадратный дюйм)	Допустимые нагрузки (бар)	Скорость (кадр / мин)	Скорость (м / с)
Бронза	2,500–3,500 фунтов на кв. Дюйм	170–240 бар	Низкая скорость
Бронза	1,600–2,500 фунтов на квадратный дюйм	110–170 бар	10 кадров в минуту	0,05 м / с
Чугун	1,800–2,500 фунтов на кв. Дюйм	120–170 бар	8 кадров в минуту	0,04 м / с
Бронза	800–1400 фунтов на квадратный дюйм	55–97 бар	20–40 кадров в минуту	0,10–0,20 м / с
Чугун	600–1000 фунтов на квадратный дюйм	41–69 бар	20–40 кадров в минуту	0,10–0,20 м / с
Бронза	150–240 фунтов на квадратный дюйм	10–17 бар	50 кадров в минуту	0,25 м / с

Скорость вращения ходового винта (или шарико-винтовой передачи) обычно ограничивается максимум 80% расчетной критической скорости . Критическая скорость - это скорость, которая возбуждает собственную частоту винта. Для стального ходового винта или стальной шарико-винтовой передачи критическая скорость составляет приблизительно ^[19]

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

куда

N = критическая скорость в об / мин
d _r = наименьший (корневой) диаметр ходового винта в дюймах
L = длина между опорами подшипников в дюймах
C = 0,36 для одного конца неподвижного, одного свободного конца
C = 1,00 для обоих концов простой
C = 1,47 для одного конца фиксированного, одного конца простого
C = 2,23 для обоих концов зафиксировано

В качестве альтернативы можно использовать метрические единицы: ^[20]

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

где переменные идентичны указанным выше, но значения указаны в мм, а C имеет следующий вид:

C = 3,9 для несъемных опор ^[21]
C = 12,1 для обоих концов поддерживается
C = 18,7 для конструкции с неподвижной опорой
C = 27,2 для обоих концов зафиксировано

См. Также [ править ]

Шариковый винт
Винт точной настройки
Винтовой домкрат

Ссылки [ править ]

^ Шарико-винтовые передачи и ходовые винты , извлечены 16 декабря 2008 г..
^ a b Бхандари, стр. 202.
^ a b Шигли, стр. 400.
^ [1] , «Узел гидростатической гайки и ходового винта, а также способ формования указанной гайки», выпущенный 29 декабря 1994 г.
^ a b Бхандари, стр. 203.
^ Мартин 2004 , стр. 266.
^ «Ходовые винты - AccuGroup» . accu.co.uk.
^ Бхандари, стр. 204.
^ a b Шигли, стр. 402.
↑ Bhandari, стр. 207–208.
^ Шигли, стр. 408.
^ Бхандари, стр. 208.
^ a b c Шигли, стр. 403.
^ Бхандари, стр. 209.
↑ Bhandari, pp. 211–212.
^ a b Бхандари, стр. 213.
^ Чайлдс, Питер RN (24 ноября 2018 г.). Справочник по машиностроению (второе изд.). Оксфорд, Великобритания. п. 803. ISBN 978-0-08-102368-6. OCLC 1076269063 .
^ Шигли, стр. 407.
^ Nook Industries, Inc. «Глоссарий и технические данные по сборке трала и ходового винта»
^ Мориц, Фредерик GF (2014). Электромеханические системы движения: проектирование и моделирование . Чичестер, Англия: Wiley. п. 121. ISBN. 978-1-118-35967-9. OCLC 873995457 .
^ «Критическая скорость - August Steinmeyer GmbH & Co. KG» . www.steinmeyer.com . Проверено 26 августа 2020 .

Библиография [ править ]

Бхандари, В. Б. (2007), Дизайн элементов машин , Тата МакГроу-Хилл, ISBN 978-0-07-061141-2.
Мартин, Джо (2004), Настольная обработка: основной подход к изготовлению мелких деталей на миниатюрных станках, Vista, Калифорния, США: Sherline, Inc., ISBN 978-0-9665433-0-8. Первоначально опубликовано в 1998 г .; содержание обновляется с каждым тиражом, аналогично «исправленному изданию». В настоящее время выходит четвертый тираж.
Шигли, Джозеф Э .; Mischke, Charles R .; Будинас, Ричард Гордон (2003), Машиностроительный дизайн (7-е изд.), McGraw Hill, ISBN 978-0-07-252036-1.

Внешние ссылки [ править ]

[1] Шарико-винтовые передачи и ходовые винты , извлечены 16 декабря 2008 г..

[bhandari202-2] Бхандари, стр. 202.

[shigley-3] Шигли, стр. 400.

[4] [1] , «Узел гидростатической гайки и ходового винта, а также способ формования указанной гайки», выпущенный 29 декабря 1994 г.

[bhandari203-5] Бхандари, стр. 203.

[6] Мартин 2004 , стр. 266.

[7] «Ходовые винты - AccuGroup» . accu.co.uk.

[8] Бхандари, стр. 204.

[shigley402-9] Шигли, стр. 402.

[10] Bhandari, стр. 207–208.

[11] Шигли, стр. 408.

[12] Бхандари, стр. 208.

[shigley403-13] Шигли, стр. 403.

[14] Бхандари, стр. 209.

[15] Bhandari, pp. 211–212.

[bhandari213-16] Бхандари, стр. 213.

[17] Чайлдс, Питер RN (24 ноября 2018 г.). Справочник по машиностроению (второе изд.). Оксфорд, Великобритания. п. 803. ISBN 978-0-08-102368-6. OCLC 1076269063 .

[18] Шигли, стр. 407.

[19] Nook Industries, Inc. «Глоссарий и технические данные по сборке трала и ходового винта»

[20] Мориц, Фредерик GF (2014). Электромеханические системы движения: проектирование и моделирование . Чичестер, Англия: Wiley. п. 121. ISBN. 978-1-118-35967-9. OCLC 873995457 .

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

[1]