Винт (простая машина)

Анимация, показывающая работу винта. При вращении винтового вала гайка линейно перемещается по валу. Этот тип называется ходовым винтом .

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

Винт представляет собой механизм , который преобразует вращательное движение в линейное движение , и крутящий момент (сила вращения) к линейной силе . ^[1] Это одна из шести классических простых машин . Наиболее распространенная форма представляет собой цилиндрический вал со спиральными канавками или выступами, называемыми резьбой по внешней стороне. ^{[2] [3]}Винт проходит через отверстие в другом объекте или среде с резьбой внутри отверстия, которая совпадает с резьбой винта. При вращении вала винта относительно неподвижной резьбы винт перемещается вдоль своей оси относительно окружающей его среды; например, вращая шуруп для дерева, он вдавливается в дерево. В винтовых механизмах либо винтовой вал может вращаться через резьбовое отверстие в неподвижном объекте, либо резьбовое кольцо, такое как гайка, может вращаться вокруг неподвижного винтового вала. ^{[4] [5]} Геометрически винт можно рассматривать как узкую наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра . ^[1]

Как и другие простые машины, винт может увеличивать силу; небольшая вращающая сила ( крутящий момент ) на валу может оказывать большое осевое усилие на нагрузку. Чем меньше шаг (расстояние между резьбой винта), тем больше механическое преимущество (отношение выходной силы к входной). Винты широко используются в резьбовых соединениях для удержания предметов вместе, а также в таких устройствах, как винтовые 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 спиральную камеру для перемещения воды вверх по склону. Общий принцип всех винтов заключается в том, что вращающаяся спираль может вызывать линейное движение.

История [ править ]

Винт был одним из последних изобретенных простых механизмов. ^[6] Впервые он появился в Месопотамии в неоассирийский период (911-609) до нашей эры ^[7], а затем появился в Древнем Египте и Древней Греции . ^{[8] [9]}

Записи указывают на то, что водяной винт или винтовой насос впервые был использован в Древнем Египте ^{[10] [11] за} некоторое время до того, как греческий философ Архимед описал винтовой водяной насос Архимеда около 234 г. до н.э. ^[12] Архимед написал самое раннее теоретическое исследование винта как механизма ^[13], и считается, что он ввел винт в Древнюю Грецию. ^{[9] [14]} К I веку до нашей эры винт использовался в виде винтового пресса и винта Архимеда. ^[10]

Греческие философы определили винт как одну из простых машин и могли вычислить его (идеальное) механическое преимущество . ^[15] Например, Герон Александрийский (52 г. н.э.) перечислил винт как один из пяти механизмов, которые могут «приводить в движение груз», определил его как наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра, и описал его изготовление и использование, ^[16], включая описание метчика для нарезания внутренней резьбы. ^[17]

Поскольку их сложную спиральную форму приходилось кропотливо вырезать вручную, винты использовались в качестве рычагов только в нескольких машинах в древнем мире. Винтовые застежки начали использовать в часах только в 15 веке, после того как были изобретены токарно-винторезные станки . ^[18] Винт также, по-видимому, применялся для бурения и перемещения материалов (помимо воды) примерно в это время, когда изображения шнеков и сверл начали появляться на европейских картинах. ^[12] Полная динамическая теория простых машин, включая винт, была разработана итальянским ученым Галилео Галилей в 1600 году в Le Meccaniche («О механике»). ^{[9] : 163 [19]}

Ведущий и питч [ править ]

Тонкость или грубость резьбы винта определяется двумя тесно связанными величинами: ^[5]

• Свинец определяется как осевое расстояние (параллельно оси винта) винт проходит в один полный оборот (360 °) вала. Шаг определяет механическое преимущество винта; чем меньше шаг, тем выше механическое преимущество. ^[20]
• Основной тон определяются как осевое расстояние между гребнями соседних нитей.

В большинстве винтов, называемых « однозаходными » винтами, которые имеют одну спиральную резьбу, намотанную вокруг них, шаг и шаг равны. Они отличаются только в « множественный старте » винты, которые имеют несколько переплетенных нитей. В этих винтах шаг равен шагу, умноженному на количество пусков . Многозаходные винты используются, когда требуется большое линейное движение для заданного вращения, например, в завинчивающихся крышках бутылок и шариковых ручках .

Ручная работа [ править ]

Спираль резьбы винта может закручиваться в двух возможных направлениях, что называется ручностью . Большинство резьбовых соединений ориентированы так, что, если смотреть сверху, вал винта отодвигается от наблюдателя (винт затягивается) при повороте по часовой стрелке . ^{[21] [22]} Эта резьба известна как правая ( RH ) резьба, потому что она соответствует правилу захвата правой рукой : когда пальцы правой руки согнуты вокруг стержня в направлении вращения, большой палец будет указывать по направлению движения вала. Нити, ориентированные в противоположном направлении, известны как левосторонние ( LH ).

По общепринятому мнению, для винтовой резьбы по умолчанию используется праворукость. ^[21] Таким образом, большинство резьбовых деталей и крепежных деталей имеют правую резьбу. Одно из объяснений того, почему правосторонняя резьба стала стандартной, заключается в том, что для правши затягивать правый винт отверткой легче, чем затягивать левый винт, потому что он использует более сильную супинаторную мышцу руки, а не более слабая пронаторная мышца. ^[21] Поскольку большинство людей являются правшами, правая резьба стала стандартом для резьбовых крепежных изделий.

Винтовые соединения в машинах - исключение; они могут быть правыми или левыми, в зависимости от того, что более применимо. Левая резьба также используется в некоторых других областях:

• Если вращение вала приведет к ослаблению обычной правой гайки, а не к затяжке из-за прецессии, вызванной трением . Примеры включают:
  • Левая педаль руки на велосипеде . ^{[21] [23]}
  • Левый винт, на котором крепится диск для циркулярной пилы или шлифовального круга.
• В некоторых устройствах с резьбой на обоих концах, например, в стяжных муфтах и съемных сегментах труб. Эти детали имеют одну правую и одну левую резьбу, поэтому при повороте детали обе нити одновременно затягиваются или ослабляются.
• В некоторых соединениях подачи газа для предотвращения опасных неправильных подключений. Например, при газовой сварке линия подачи горючего газа присоединяется с помощью левой резьбы, поэтому она не будет случайно переключена на подачу кислорода, в которой используются правые резьбы.
• Чтобы сделать их бесполезными для населения (тем самым препятствуя воровству), на некоторых станциях железных дорог и метро используются левосторонние лампочки . ^[21]
• Говорят, что крышки гробов традиционно удерживались винтами с левой резьбой. ^{[21] [24] [25]}

Винтовая резьба [ править ]

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

Угол резьбы [ править ]

Угол резьбы является включенным углом , измеренным в сечении , параллельную ось, между двумя опорными поверхностями резьбы. Угол между осевой силой нагрузки и нормалью к опорной поверхности примерно равен половине угла резьбы, так что угол резьбы имеет большое влияние на трение и КПД винта, а также скорости износа и прочности. Чем больше угол резьбы, тем больше угол между вектором нагрузки и нормалью к поверхности, поэтому тем больше нормальная сила между резьбами, необходимая для поддержки данной нагрузки. Следовательно, увеличение угла резьбы увеличивает трение и износ винта.

Направленная наружу наклонная поверхность подшипника резьбы под действием силы нагрузки также прикладывает радиальную (внешнюю) силу к гайке, вызывая растягивающее напряжение . Эта радиальная разрывная сила увеличивается с увеличением угла резьбы. Если предел прочности материала гайки недостаточен, чрезмерная нагрузка на гайку с большим углом резьбы может расколоть гайку.

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

Типы тем [ править ]

В резьбовых крепежных изделиях допускается и обычно требуется большое количество трения, чтобы предотвратить отвинчивание крепежа. ^[5] Таким образом, резьба, используемая в крепежных деталях, обычно имеет большой угол резьбы 60 °:

• (a) V-образная резьба - они используются в самонарезающих шурупах, таких как шурупы для дерева и шурупы для листового металла, которые требуют острого края, чтобы вырезать отверстие, и где требуется дополнительное трение, чтобы убедиться, что винт остается неподвижным, например, в установочных винтах. и регулировочные винты, и где соединение должно быть герметичным, как в резьбовых соединениях труб .
• (b) Американский национальный - он был заменен почти идентичным унифицированным стандартом резьбы . У него такой же угол резьбы 60 °, как у V-образной резьбы, но он прочнее из-за плоского основания. Используется в болтах, гайках и различных крепежных изделиях.
  Дополнительная информация: Национальная трубная резьба
• (c) Whitworth или британский стандарт
  Основная статья: British Standard Whitworth
  - Очень похожий британский стандарт заменен на унифицированный стандарт резьбы .

Напротив , в механизмах сцепления , таких как ходовые винты или домкраты , трение должно быть минимизировано. ^[5] Поэтому используются резьбы с меньшими углами:

• (d) Квадратная резьба
  Основная статья: Квадратная резьба
  - Это самая прочная резьба с наименьшим трением, с углом резьбы 0 ° ^[5], и она не оказывает разрывного усилия на гайку. Однако его сложно изготовить, так как для этого требуется одноточечный режущий инструмент из-за необходимости подрезать края. ^[5] Он используется в приложениях с высокими нагрузками, таких как домкраты и ходовые винты, но в основном был заменен резьбой Acme. Модифицированная квадратная нить с малым углом 5 ° нити иногда используется вместо этого, который дешевле в изготовлении.
• (e) Акме нить
  Основная статья: нить Acme
  - Благодаря углу резьбы 29 ° у нее более высокое трение, чем у квадратной резьбы, но ее проще изготовить и ее можно использовать с разрезной гайкой для регулировки износа. ^[5] Он широко используется в тисках , С-образных зажимах , клапанах , ножничных домкратах и ходовых винтах в таких станках, как токарные станки.
• (f) Контрольная резьба
  Основная статья: Контрольная резьба
  - Это используется в приложениях с высокими нагрузками, в которых сила нагрузки прилагается только в одном направлении, например, в винтовых домкратах . ^[5] С углом поверхности подшипника 0 ° это так эффективно , как квадратный поток , но сильнее и проще в изготовлении.
• (g) Нить сустава
  Основная статья: фаланговая нить
  - Подобно квадратной резьбе, углы которой закруглены для защиты от повреждений, а также для повышения трения. В случае применения с низкой прочностью его можно дешево изготавливать из листового проката путем прокатки . Используется в лампочках и розетках.
• (h) Метрическая резьба
  Основная статья: Метрическая резьба

Использует [ редактировать ]

• Из - за его самоблокировки собственности (смотри ниже) винт широко используется в резьбовых крепежных деталей для хранения предметов или материалов вместе: шуруп , листового металла винт , штифт и болт и гайку .
• Свойство самоблокировки также является ключом к использованию винта в широком диапазоне других применений, таких как штопор , крышка контейнера с завинчивающейся крышкой, резьбовое соединение трубы , тиски , С-образный зажим и винтовой домкрат .
• Винты также используются в качестве рычагов в машинах для передачи энергии, в червячной передаче , ходовом винте , шариковом винте и роликовом винте . Из-за их низкой эффективности винтовые соединения редко используются для передачи большой мощности, но чаще используются в маломощных, прерывистых применениях, таких как приводы позиционирования .
• Вращение шнека лопасти или камеры используются для перемещения материала в винт Архимеда , шнекового бура земли , и винтовой конвейер .
• В микрометре используется прецизионный калиброванный винт для измерения длины с большой точностью.

Гребной винт , хотя он разделяет имя винт , работает на самых разных физических принципах от вышеуказанных типов винта, и в этой статье информация не относится к нему.

Перенесенное расстояние [ править ]

Линейное расстояние, на которое перемещается винтовой вал при его повороте на угол в градусах, составляет:${\ displaystyle d \,}$${\ Displaystyle \ альфа \,}$

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

где шаг винта. ${\ displaystyle l \,}$

Отношение расстояния из простой машины определяется как отношение расстояния приложенной силы перемещается на расстояние нагрузка движется. Для винта это отношение круговой расстояния D _в точке на краю вала перемещается в линейном расстоянии D , _{выполненной} движется вала. Если r - радиус вала, то за один оборот точка на ободе винта перемещается на расстояние 2π r , в то время как его вал перемещается линейно на расстояние l упора . Таким образом, отношение расстояний равно

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

Механическое преимущество без трения [ править ]

Механическое преимущество МО из винта определяются как отношение осевой выходной силы F _из наносятся на валу на нагрузке вращательной силы F _в приложенных к ободу вала , чтобы повернуть его. Для винта, без трения (также называемых идеальным винт ), от сохранения энергии работа , совершаемая на винте входных силой поворачивая его равна работе , совершаемой с помощью винта на силе нагрузки:

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

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

Видно, что механическое преимущество винта зависит от его шага . Чем меньше расстояние между его резьбами, тем больше механическое преимущество и тем большую силу, которую винт может проявить при заданной приложенной силе. Однако большинство реальных винтов обладают большим трением, и их механическое преимущество меньше, чем указано в приведенном выше уравнении.${\displaystyle l\,}$

Форма крутящего момента [ править ]

Вращающая сила, приложенная к винту, на самом деле является крутящим моментом . Из-за этого входная сила, необходимая для поворота винта, зависит от того, как далеко от вала она приложена; чем дальше от вала, тем меньше усилий требуется для его поворота. Усилие на винт обычно не прикладывается к ободу, как предполагалось выше. Часто применяется с помощью рычага той или иной формы; например, болт поворачивается гаечным ключом , ручка которого выполняет функцию рычага. 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 в терминах крутящего момента:${\displaystyle T_{in}=F_{in}r\,}$

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

Фактическое механическое преимущество и эффективность [ править ]

Из-за большой площади скользящего контакта между подвижной и неподвижной резьбой винты обычно имеют большие потери энергии на трение. Даже хорошо смазанные домкраты имеют КПД всего 15% - 20%, остальная часть работы, выполняемой при их вращении, теряется из-за трения. Когда учитывается трение, механическое преимущество больше не равно соотношению расстояний, но также зависит от эффективности винта. От сохранения энергии , то работа W _в делается на винт со стороны входа силой поворачивая его, равно сумме работы , проделанной перемещения нагрузки W _отказа , и работы , рассеянной в виде тепла от трения W _FRIC в винте

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

КПД η является безразмерное число между 0 и 1 определяется как отношение выходной работы к входной работе

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

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

Работа определяется как сила , умноженная на расстояние перемещается, так и и , следовательно ,${\displaystyle W_{in}=F_{in}d_{in}\,}$${\displaystyle W_{out}=F_{out}d_{out}\,}$

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

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

или по крутящему моменту

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

Таким образом, механическое преимущество настоящего винта снижено по сравнению с идеальным винтом без трения из-за эффективности . Из-за их низкой эффективности в приводном оборудовании винты не часто используются в качестве рычагов для передачи большого количества энергии, но чаще используются в позиционерах, которые работают с перебоями. ^[5]${\displaystyle \eta \,}$

Самоблокирующееся свойство [ править ]

Большие силы трения приводят к тому, что большинство винтов в практическом использовании являются « самоблокирующимися », также называемыми « невзаимными » или « непремонтными ». Это означает, что приложение крутящего момента к валу приведет к его вращению, но никакая осевая нагрузка на вал не заставит его повернуться в обратном направлении, даже если приложенный крутящий момент равен нулю. Это контрастирует с некоторыми другими простыми машинами, которые являются « возвратно-поступательными » или « не блокируемыми », что означает, что если сила нагрузки достаточно велика, они будут двигаться назад или « ремонтироваться ». Таким образом, машину можно использовать в любом направлении. Например, в рычаге, если сила на конце нагрузки слишком велика, он будет двигаться назад, выполняя работу с приложенной силой. Большинство винтов спроектированы так, чтобы быть самоблокирующимися, и при отсутствии крутящего момента на валу они останутся в том положении, в котором они остались. Однако некоторые винтовые механизмы с достаточно большим шагом и хорошей смазкой не являются самоблокирующимися и требуют капитального ремонта, и очень немногие, такие как толкающее сверло , используют винт в этом «обратном» смысле, прикладывая осевое усилие к валу для поверните винт.

Это самоблокирующееся свойство является одной из причин очень большое использование винта в резьбовых крепежных элементах , такие как шурупы , винты для листового металла , шпилька и болты. Затягивание крепежа путем его поворота прикладывает силу сжатия к материалам или деталям, которые скрепляются вместе, но никакое усилие со стороны деталей не приведет к ослаблению винта. Это свойство также является основанием для использования винтов в крышках контейнеров с завинчивающейся крышкой , тисках , С-образных зажимах и винтовых домкратах . Тяжелый предмет можно поднять, поворачивая вал домкрата, но когда вал отпущен, он останется на той высоте, на которую он был поднят.

Винт будет самоблокирующимся тогда и только тогда, когда его эффективность ниже 50%. ^{[26] [27] [28]}${\displaystyle \eta \,}$

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

Является ли винт самоблокирующимся, в конечном итоге зависит от угла наклона и коэффициента трения резьбы; очень хорошо смазываемая резьба с низким коэффициентом трения и достаточно большим шагом может «подвергнуться капитальному ремонту».

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Винт .