Ходовой винт

Ходовой винт ( или ходовой винт ), также известный как силовой винт ^[1] или переводной винт ^[2] , представляет собой винт, используемый в качестве связи в машине для преобразования вращательного движения в линейное движение . Из-за большой площади скользящего контакта между их наружными и внутренними элементами, винтовые резьбы имеют большие потери энергии на трение по сравнению с другими связями. Они обычно не используются для передачи высокой мощности, а больше для прерывистого использования в маломощных приводах и механизмах позиционирования. Ходовые винты обычно используются в линейных приводах , салазках машин (например, в станках ), тисках , прессах и домкратах . ^[3] Ходовые винты являются обычным компонентом в электрических линейных приводах.

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 отсоединить гайку от резьбы и перемещать ее в осевом направлении независимо от вращения винта, когда это необходимо (например, при одноточечном нарезании резьбы на ручном токарном станке ). Разрезная гайка также может использоваться для компенсации износа путем сжатия частей гайки.

Гидростатический ходовой винт преодолевает многие недостатки обычного ходового винта, обладая высокой точностью позиционирования, очень низким трением и очень низким износом, но требует непрерывной подачи жидкости под высоким давлением и высокоточного изготовления, что приводит к значительно большей стоимости, чем большинство других линейных соединений движения. ^[4]

Винты классифицируются по геометрии резьбы .

V-образные резьбы менее подходят для ходовых винтов, чем другие, такие как Acme, потому что у них больше трения между резьбами. Их резьбы разработаны так, чтобы вызывать это трение, чтобы не допустить ослабления крепежа. Ходовые винты, с другой стороны, разработаны так, чтобы минимизировать трение. ^[5] Поэтому в большинстве коммерческих и промышленных применений V-образные резьбы избегают для использования в качестве ходовых винтов. Тем не менее, V-образные резьбы иногда успешно используются в качестве ходовых винтов, например, на микротокарных станках и микрофрезерных станках. ^[6]

Квадратные резьбы названы так из-за их квадратной геометрии. Они наиболее эффективны , имеют наименьшее трение , поэтому их часто используют для винтов, которые несут большую мощность; однако их также сложнее всего обрабатывать, и поэтому они самые дорогие.

Резьба Acme имеет угол резьбы 29° , что облегчает обработку, чем квадратная резьба. Она не так эффективна, как квадратная резьба, из-за повышенного трения, вызванного углом резьбы. ^[3] Резьба Acme, как правило, также прочнее квадратной резьбы из-за ее трапециевидного профиля резьбы, который обеспечивает большую несущую способность.

Упорная резьба имеет треугольную форму. Она используется, когда сила нагрузки на винт прикладывается только в одном направлении. ^[7] Она так же эффективна, как и квадратная резьба в этих приложениях, но ее проще изготовить.

Преимущества ходового винта: ^[2]

• Большая грузоподъемность
• Компактность
• Простота конструкции
• Простота изготовления
• Большое механическое преимущество
• Точное и аккуратное линейное движение
• Плавная и тихая работа
• Низкие эксплуатационные расходы
• Минимальное количество деталей
• Большинство из них самоблокирующиеся (не могут иметь обратный ход)

Недостатки в том, что большинство из них не очень эффективны. Из-за этой низкой эффективности их нельзя использовать в приложениях с непрерывной передачей мощности. Они также имеют высокую степень трения на резьбе, что может быстро изнашивать резьбу. Для квадратной резьбы гайку необходимо заменить; для трапецеидальной резьбы можно использовать разрезную гайку, чтобы компенсировать износ. ^[5]

Альтернативы приведению в действие ходовым винтом включают в себя:

• Шариковые винты и роликовые винты (иногда их относят к разновидностям ходовых винтов, а не противопоставляют им)
• Гидроэнергия (т.е. гидравлика и пневматика )
• Зубчатые передачи (например, червячные передачи , реечные передачи)
• Электромагнитное приведение в действие (например, соленоиды )
• Пьезоэлектрическое приведение в действие

Крутящий момент, необходимый для подъема или опускания груза, можно рассчитать, «развернув» один оборот нити. Это проще всего описать для квадратной или контрфорсной резьбы, поскольку угол резьбы равен 0 и не влияет на расчеты. Развернутая нить образует прямоугольный треугольник, в котором основание длинное, а высота — это шаг (на фото справа). Сила нагрузки направлена ​​вниз, нормальная сила перпендикулярна гипотенузе треугольника, сила трения направлена ​​в противоположном направлении направлению движения (перпендикулярно нормальной силе или вдоль гипотенузы), а воображаемая 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]}${\displaystyle \пи d_{\text{м}}}$

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

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

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)
• ${\displaystyle l}$= свинец
• ${\displaystyle \phi \,}$= угол трения
• ${\displaystyle \lambda \,}$= угол опережения зажигания

На основе уравнения можно обнаружить, что винт является самоблокирующимся, когда коэффициент трения больше тангенса угла подъема. Эквивалентное сравнение — когда угол трения больше угла подъема ( ). ^[11] Когда это не так, винт будет двигаться в обратном направлении или опускаться под тяжестью груза. ^[8]${\displaystyle T_{\text{lower}}}$${\displaystyle \phi >\lambda }$

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

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

Для винтов, имеющих угол резьбы, отличный от нуля, например, трапециевидную резьбу, 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 наклона резьбы.${\displaystyle \alpha \,}$

Если ходовой винт имеет воротник, на котором находится нагрузка, то силы трения между интерфейсом должны быть учтены также в расчетах крутящего момента. Для следующего уравнения предполагается, что нагрузка сосредоточена на среднем диаметре воротника ( ): ^[12]${\displaystyle d_{\text{c}}}$

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

где - коэффициент трения между воротником и нагрузкой, а - средний диаметр воротника. Для воротников, которые используют 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]

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

Коэффициент трения для упорных колец ^[15]

Комбинация материалов	Начиная${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$	Бег${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$
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 хода для ходового винта (или шарикового винта) обычно ограничена максимум 80% от расчетной критической скорости . Критическая скорость — это скорость, которая возбуждает собственную частоту винта. Для стального ходового винта или стального шарикового винта критическая скорость составляет приблизительно ^[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
• ${\displaystyle C}$= .36 для одного закрепленного конца, одного свободного конца
• ${\displaystyle C}$= 1,00 для обоих концов просто
• ${\displaystyle C}$= 1,47 для одного фиксированного конца, один простой конец
• ${\displaystyle C}$= 2,23 для обоих концов фиксировано

Альтернативно с использованием метрических единиц: ^[19]

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

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

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

• Шариковый винт
• Винт точной регулировки
• Винтовой домкрат

• Бхандари, В.Б. (2007), Проектирование элементов машин, Tata McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-061141-2.
• Мартин, Джо (2004), Обработка на столешнице: базовый подход к изготовлению мелких деталей на миниатюрных станках , Виста, Калифорния, США: Sherline, Inc., ISBN 978-0-9665433-0-8. Первоначально опубликовано в 1998 году; содержание обновляется с каждым тиражом, аналогично «переработанному изданию». В настоящее время находится в четвертом тираже.
• Шигли, Джозеф Э.; Мишке, Чарльз Р.; Будинас, Ричард Гордон (2003), Проектирование машиностроения (7-е изд.), McGraw Hill, ISBN 978-0-07-252036-1.