Что такое передача винт гайка качения

Детали машин

Общие сведения и характеристики

Передача винт – гайка используется для преобразования вращательного движения одного из звеньев в поступательное движение другого звена.
Состоит такая передача из двух звеньев – винта и гайки, при этом одно из звеньев закреплено от осевого перемещения.

Достоинства и недостатки передачи винт – гайка

К достоинствам передачи винт – гайка можно отнести следующие свойства:

Основным недостатком передачи винт – гайка является низкий КПД из-за больших потерь на трение. Этот недостаток можно уменьшить использованием передачи качения, но такая передача сложнее в изготовлении.

Область применения передач винт – гайка

Материалы, применяемые в передачах винт – гайка

Материалы винта и гайки должны представлять антифрикционную пару, т. е. быть износостойкими и иметь минимальный коэффициент трения. Выбор марки материала зависит от назначения передачи, условий работы и способа обработки резьбы.

Для винтов применяют стали марок 50, 40ХГ, 65Г и др. В ответственных передачах для повышения износостойкости применяют закалку винтов до твердости ≥ 45 HRC с последующей шлифовкой резьбы.

Вместо закалки применяют азотирование, используя в этом случае стали марок 40ХФА, 18ХГТ и др. Азотирование обеспечивает максимальную твердость поверхности и минимальную деформацию винтов.

Гайки ответственных передач изготовляют из оловянных бронз марок БрО10Ф1, БрО6Ц6С3 и др., а в тихоходных передачах – из антифрикционных чугунов марок АВЧ-1, АКЧ-1 или серого чугуна марки СЧ20.

Ведущим звеном в передаче может быть как винт, так и гайка.
Скорость поступательного перемещения гайки (винта) в мм/сек можно определить по формулам:

где:
z – число заходов резьбы винта; p – шаг резьбы в мм; p_h – ход винта: p_h = pz ; n – частота вращения винта (гайки) в об/мин.

Поскольку в передаче винт – гайка одно из звеньев совершает поступательное, а другое – вращательное движение, определить передаточное число или передаточное отношение сравнением частот вращения или угловых скоростей невозможно. По этой причине сравнивают линейные перемещения или линейные скорости точек ведомого и ведущего звена.
При этом у звена, совершающего вращательное движение, определяют линейное перемещение (окружную скорость) внешней точки звена (гайки, винта) или маховика, передающего (принимающего) мощность. У звена, совершающего поступательное движение, определяют линейное перемещение (или скорость) любой из точек.

Передаточное отношение передачи винт – гайка определяется по формуле:

Окружная сила на маховике (см. рис. 1) :

где:
F_a – осевая сила на гайке (винте); i = передаточное отношение передачи; η – КПД передачи; без учета потерь в опорах КПД передачи можно подсчитать по формуле:

Допускаемые напряжения для расчета деталей передачи винт – гайка скольжения принимают по следующим рекомендациям:

1. Допускаемое давление в резьбе:
незакаленная сталь по чугуну [q]_изн = 2…5 Н/мм 2 ;
незакаленная сталь по бронзе: [q]_изн = 7…8 Н/мм 2 ;
для винтов домкратов и струбцин, т. е. сравнительно редко используемых механизмов, значения допускаемых напряжений [q]_изн повышают на 30…40 %.

2. Допускаемое напряжение [σ] на растяжение или сжатие стальных винтов вычисляют по формуле:

Критерии работоспособности передачи винт – гайка

Расчет передачи винт – гайка скольжения

Резьбу проверяют на смятие. Рассчитывают среднее давление на поверхности витков из условия невыдавливания смазочного материала. Прочность тела гайки рассчитывают из условия прочности на растяжение. Винты проверяют на сжатие и устойчивость.

При определении размеров передачи исходят из расчета на износостойкость резьбы по допускаемому давлению [q]_изн с последующей проверкой винта на прочность.

Для проектировочного расчета передачи:

где:
ψ_H = H/d₂ – коэффициент высоты гайки, ψ_H = 1,2…1,5 (для цельных гаек); ψ_H = 2,5…3,5 (для разъемных и сдвоенных гаек);
ψ_h – коэффициент высоты профиля резьбы; ψ_h = 0,5 (для трапецеидальной резьбы); ψ_h = 0,75 (для упорной резьбы).

Наружный диаметр гайки:

Потеря устойчивости длинных сжатых винтов тоже может явиться причиной отказа передачи, поэтому их проверяют на статическую устойчивость по формулам Эйлера или Ясинского.

Сильно нагруженные винты (винтовые толкатели, прессы и т. п.) поверяют на прочность по эквивалентному напряжению σ_экв (по гипотезе энергии формоизменения):

где:
σ_экв – эквивалентное напряжение для опасной точки расчетного сечения винта;
N и M_K – продольная сила и крутящий момент, действующие в проверяемом сечении;
d₃ – внутренний диаметр резьбы винта по дну впадины.

КПД передачи винт – гайка

В передаче винт – гайка скольжения потери возникают в резьбе и в опорах. Потери в резьбе составляют главную часть. Они зависят от профиля резьбы, ее заходности, материала винтовой пары, точности изготовления, шероховатости контактирующих поверхностей и вида смазки.

В общем случае КПД передачи определяется по формуле:

где η_оп – коэффициент, учитывающий потери в опорах (при опорах на подшипниках качения η_оп = 0,98).

Рекомендации по конструированию передачи винт – гайка

1. Винты не должны иметь высокие буртики и глубокие канавки, в противном случае в местах резкого изменения поперечного сечения винта будут возникать высокие местные напряжения.

2. Во избежание большой деформации гайки при запрессовке и уменьшения вследствие этого зазора в резьбе толщина тела гайки должна быть δ ≥ 4 мм.

3. Для повышения долговечности передачи винты защищают от загрязнений телескопическими трубами или цилиндрическими гармониками.

Источник

ПЕРЕДАЧА ВИНТ-ГАЙКА КАЧЕНИЯ

Свойства передачи. Передача винт-гайка качения обладает свойствами, позволяющими применять ее как в приводах подач без отсчета перемещений (универсальных станков, силовых столов агрегатных станков), так и в приво­дах подач и позиционирования станков с ЧПУ. Для передачи характерны высокий коэффициент полезного действия (0,8-0,9), небольшое различие меж­ду силами трения движения и покоя, незначительное влияние частоты враще­ния винта на силу трения в механизме, полное отсутствие осевого зазора. Недостатками являются высокая стоимость, пониженное демпфирование, отсутствие самоторможения.

Устройство и размеры передачи. Передача состоит из винта 1 (рис. 8.1), гайки 2, шариков 3 и устройств для возврата шариков (на рисунке не показа­ны). Обычно применяют передачи с наиболее технологичным полукруглым профилем резьбы. Для снижения контактных напряжений предусматривают Предварительный натяг, повышающий точность и жесткость передачи, создают осевыми проставками между гайкам, винтами, сдвоенной дифференциальной гайкой.

За номинальный размер передачи принимают диаметр d_Q условного ци­линдра, на котором расположены центры шариков. Размеры передачи по ГОСТ 25329-82 (приведены на стр. 211).

Предпочтительными значениями номинального шага считаются 2,5; 5; 10; 20 мм.

Винты диаметром до 50 мм изготовляют из стали ХВГ и подвергают объемной закалке до нарезания резьбы. Винты диаметром до 100 мм и длиной до 5000 мм в условиях крупносерийного и централизованного производства изготовляют из стали 8ХФ. Их рекомендуется закаливать с индукционным на­гревом в кольцевом индукторе. Винты с шагом резьбы 5мм или 10,12,20 мм, но длиной 1500 мм целесообразно закаливать до нарезания резьбы, а винты с шагом 10, 12, 29 мм и с резьбовым участком длиной до 1000 мм — после на­резания резьбы. Во втором случае предусматривается коррекция профиля резьбы, учитывающая изменение ее шага в результате закалки. На винтах дли­ной до 3000 мм с шагом 20 мм производится контурная закалка рабочего профиля с нагревом ТВЧ. Винты класса точности П диаметром свыше 80 мм, длиной до 4000 мм рекомендуется изготовлять из стали 20ХЗМВФ и подвер­гать азотированию после предварительного улучшения. Резьба таких винтов должна иметь скорректированный шаг для компенсации продольной деформа­ции, которая получается в результате азотирования.

Гайки рекомендуется изготовлять из стали ШХ15СГ. Допускается приме­нять стали 9ХС и 7ХГ2ВМ с упрочнением объемной закалкой, а также стали 25ХГТ и 12ХНЗА с упрочнением цементацией и последующей объемной закал­кой.

Требования к качеству передачи приведены в табл. 82.

Устройства для возврата шариков 3 выполнены в виде вкладышей, встав­ленных в три окна каждой гайки. Вкладыши соединяют два соседних витка винтовой канавки, сдвинуты друг относительно друга в осевом направлении на один ее шаг и разделяют шарики в каждой гайке на три циркулирующие группы. Для тонкого регулирования натяга гайки снабжены зубчатыми венца­ми на фланцах, которые входят во внутренние зубчатые венцы корпуса. На од­ном фланце число зубьев на единицу больше, чем на другом. Если венцы обоих фланцев вывести из корпуса, повернуть гайки в одну сторону на одинаковое число зубьев (на неравные углы) и снова соединить зубчатые венцы, можно благодаря небольшому осевому сближению профилей резьбы гаек создать заданный натяг.

В этом механизме, как и в других с возвратом шариков через вкладыши, рабочее число шариков в одном витке

расчетное число шариков в одном витке

где к = 0,7. 0,8 — коэффициент, учитывающий погрешности изготовления резьбы винтового механизма.

Применяют корпуса гаек двух форм: цилиндрической с фланцем (табл. 8.3) и призматической с боковой стыковочной плоскостью (табл. 8.4). Поса­дочное отверстие для корпусов цилиндрической формы изготовляется по Н6. Размер от оси винта до привалочной плоскости корпуса призматической фор­мы имеет отклонение Н7.

Передача с односторонней регулировкой натяга. Шарико-винтовой меха­низм с односторонней регулировкой натяга (рис. 83) удобен в эксплуатации. В его состав входят кольцо 6 и стопорные элементы 5 и 7. На внутренней и наружной цилиндрических поверхностях кольца нарезаны равнорасположенные выемки. В корпусе 4 гайка 2 застопорена штифтом 1, а гайку 3 при ре­гулировке поворачивают на малый угол с помощью регулировочного механизма. Для этого в нее запрессован стопорный элемент 5, входящий в контакт с одной из внутренних выемок на кольце 6. Другой стопорный элемент 7 вставлен в отверстие корпуса 4 и входит в контакт с одной из наружных вы­емок на этом кольце. При регулировке натяга стопорный элемент 7 выводится из контакта с кольцом 6, гайка 3 поворачивается, а затем стопорный элемент 7 вводится в соседнюю или более удаленную выемку.

Передача с двумя гайками по DIN 69051. В состав передачи (рис. 8.4) вхо­дят гайки 1 и 4 с вкладышами 2 для отвода шариков и щетки 5 для очистки ходового винта. Для регулирования натяга одну гайку поворачивают относи­тельно другой и фиксируют с помощью упора 3, снабженного зубцами, как и гайка 4. Смазочный материал подводится к отверстию А. Основные размеры передач приведены в табл. 8.5

.

Способы смазывания шарико-винтового механизма и защиты от загразнений. Для смазывания шарико-винтового механизма применяют жидкий или пластичный смазочный материал. Масло типа индустриального подводится к корпусу, в котором установлены гайки. Используется смазывание следующих видов: капельное, порционное, циркуляционное, масляным туманом. Пластич­ный смазочный материал типа солидола применяется, когда при использова­нии жидкого возникают затруднения; в небольшим объеме его закладывают в винтовые канавки гайки. Эффективны масла с противозадирными присадка­ми, особенно в связи с тем, что в каналах возврата имеет место трение сколь­жения.

Для предохранения винтов от загрязнения применяют защитные устройства в совокупности с устройствами уплотнения и очистки. Защитные телескопические трубки с уплотнениями, имея значительные габариты, могут быть использованы только при увеличении длины винта. Гармоникообразные меха хорошо защищают винт и не занимают много места. Короткие винты мо­гут быть защищены стальными лентами, свернутыми в спираль.

Хорошо очищает винт охватывающая его фетровая или войлочная втулка с резьбой на внутренней поверхности (рис. 8.5, а), однако при изнашивании она хуже выполняет свои функции. При использовании втулки из нейлона воз­никает меньшая сила трения в контакте с винтом и втулка меньше шаржи­руется твердыми частицами.

Скребки-щетки, предназначенные для очистки винта (рис. 8.5, б, в), следует устанавливать так, чтобы их можно было заменять без разборки узла в целом.

Способы осевого закрепления винта. Применяют осевое закрепление винта по следующим схемам.

Схема 1. Опора, представляющая собой комбинированный подшипник, воспринимает нагрузку в обоих направлениях (рис. 8.7, а, 8,8,а). Односторон­нее закрепление винта допускает наименьшую сжимающую нагрузку и наи­меньшую критическую частоту вращения. Поэтому длина винта L не должна превышать 20—25 его диаметров. Передачи, выполненные по этой схеме, при­меняются при небольших ходах перемещаемого узла или при односторонней нагрузке, часто в приводах вертикальной подачи.

Схема 2. Один конец винта установлен на опоре, которая воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях, второй находится на дополнительной радиальной опоре (рис. 8.7, б) ■ Такая конструкция имеет по сравнению с пре­дыдущей более высокий запас устойчивости по критической осевой силе и по критической частоте вращения. Применяется в тех же случаях, что и передача с односторонним закреплением винта, часто в приводах горизонтальной пода­чи.

Схема 4. Каждая из двух опор винта воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях (рис. 8.7, г). В опорах устанавливают упорные комбини­рованные роликовые подшипники или по два роликовых радиально-упорных подшипника и по одному шариковому радиальному (рис. 8.8, б). С помощью тарельчатых пружин 1 и 5, гаек 2 и 4 винт 3 при сборке растягивают. Этим устраняют провисание его под действием тяжести, уменьшают радиальное бие­ние, повышают осевую жесткость передачи. Кроме того., обеспечивается по­стоянство натяга в подшипниках при температурных деформациях винта, устраняется возможность раскрытия стыка в подшипниках и их перегрузки. Чтобы не допустить заметного искажения шага винта, растягивающая сила не должна превосходить наибольшей осевой нагрузки на винт. Передачи с такими опорами допускают применение сравнительно длинных винтов ( L / d > > 20. 25), имеют высокую осевую жесткость, воспринимают наибольшую сжимающую нагрузку, обладают значительным запасом устойчивости по кри­тической частоте вращения.

Размеры опор ходовых винтов для станков с ЧПУ приведены на рис. 8.8 ив табл. 8.7.

Для предотвращения искривления винта при монтаже необходимо с по­мощью крепежных гаек равномерно прижать к нему комплект подшипников. Это достигается при незначительном отклонении от перпендикулярности торца гайки относительно ее оси, а также при применении длинных проставочных втулок или промежуточных колец с выступами на торцах. Надежное крепле­ние обеспечивается разрезной гайкой с тангенциальным стопорным винтом. Более равномерный прижим подшипников достигается при применении гайки с кольцевыми канавками (табл. 8.8).

.

Источник

Передачи винт-гайка и их сборка.

Назначение и конструкция передач винт—гайка.

Передачи винт—гайка используют в различных механизмах для преобразо­вания вращательного движения в поступательное. В ряде случаев эти передачи применяют для выигрыша в силе. Винтовые переда­чи обладают рядом достоинств. Они позволяют получить медлен­ное поступательное движение с высокой точностью перемещения при достаточной простоте и надежности конструкции и отличают­ся компактностью при большой несущей способности.

Недостатком этих передач является низкий КПД, обусловлен­ный значительными силами трения, возникающими при работе передачи.

В передачах винт—гайка используют в основном трапецеи­дальные и прямоугольные резьбы. Грузовые винты имеют упор­ную резьбу.

Для уменьшения изнашивания винтовой пары в конструкциях привода металлорежущих станков применяют разъемные гайки. При необходимости, когда винтовая пара не используется, гайки могут размыкаться; в этом случае при вращении винта гайка не находится в контакте с его резьбой, что существенно уменьшает ее изнашивание. В тех случаях когда винтовая пара не находится в работе, предусматривают отключение винта от привода. Уменьше­нию изнашивания винтовой пары также способствует изготовле­ние гайки из антифрикционных материалов (бронзы ОФЮ-15 или цинково-свинцовой бронзы ЦС6-6-3), что позволяет значительно снизить коэффициент трения в паре. У таких винтовых пар КПД составляет 0,8…0,85.

Часто применяют винтовые пары, у которых трение скольже­ния заменено трением качения. В таких винтовых парах роль резьбовой поверхности выполняют шарики, размещенные в ка­навках, проточенных на поверхностях винта и гайки. Достоинством шариковых винтовых пар является достаточно высокий КПД, который при благоприятных условиях работы может дости­гать 0,95. Кроме того, эти передачи позволяют устранить радиаль­ные и осевые зазоры или значительно их уменьшить. Вследствие этого применение передач качения позволяет значительно увели­чить точность перемещения исполнительных узлов механизма.

В последнее время более широкое применение находят гидро­статические передачи винт—гайка, обеспечивающие работу вин­товой передачи практически без трения, что позволяет довести КПД передачи до 0,99. В таких передачах в зазор между резьбовы­ми поверхностями винта и гайки подают масло под высоким дав­лением от специального насоса.

К винтовым передачам предъявляют следующие технические требования:

Ось винта для привода подачи подвижного узла должна быть параллельна направляющим.

Ось винта при вращении в подшипниках не должна смещаться при любом положении гайки и должна совпадать с осью послед­ней.

Прежде чем приступить к сборке механизма с винтовой пере­дачей скольжения необходимо промыть и просушить детали, вхо­дящие в передачу, провести контроль «на краску» и подогнать опорные поверхности, проверить легкость перемещения гайки по винту. Чтобы осуществить сборку винтового механизма, необхо­димо выполнить следующие операции:

Сборка передачи винт—гайка скольжения.

Сборку винтового механизма (рис. 1) начинают с установки ходового винта. Левый конец винта 4 при помощи жесткой втулочной муфты 2 соединяют с хвостовиком 1 вала коробки подач коническими штифтами 3. Втулку 13 пригоняют по посадочной шейке правого конца винта 4 и собирают опорную часть подшипника правой опоры вала, наде­вая на него сферическое кольцо 12 и упорную шайбу 11 с радиаль­ной прорезью. Затем в крышку 7 запрессовывают штифты 5 и 6, предварительно просверлив отверстия под них, и устанавливают опорную пяту 10 таким образом, чтобы штифт 6 вошел в шлиц на ее наружной поверхности. Крышку 7 в сборе навинчивают на резьбу корпуса подшипника так, чтобы штифт 5 вошел в шлиц упорной шайбы 11. После установки ходового винта в крышку 7 устанавливают регулировочный винт 8 с контргайкой 9.

После сборки узла с ходовым винтом переходят к сборке гайки ходового винта. Сборку гайки ходового винта (рис. 2) начинают с выполнения пригоночных операций (осуществляют пригонку шипа 4 корпуса 9 гайки к пазу ползуна 5). После выполнения при­гоночной операции в корпус 9 гайки ходового винта с левой сто­роны запрессовывают полугайку 1, закрепляя ее винтами 2. С пра­вой стороны корпуса 9 гайки ходового винта устанавливают на шпонке 6 подвижную резьбовую полугайку 7, которую пригоняют к корпусу 9 так, чтобы ее можно было легко, без качки смещать вдоль оси отверстия корпуса (осевое перемещение полугайки 7 обеспечивается за счет регулировочной гайки 8, установленной на наружной резьбе полугайки 7).

Собранную гайку устанавливают на ходовой винт, для чего винт вынимают из правой подшипниковой опоры и навинчивают на него собранную гайку. После этого винт с установленной на нем гайкой монтируют на место таким образом, чтобы шип корпуса 9 гайки вошел в паз ползуна 3, и закрепляют гайку ходового винта на корпусе винтами 5 (см. рис. 2).

Регулирование и контроль качества сборки винтовой переда­чи.

Для обеспечения параллельности оси ходового винта направ­ляющим станины перед его окончательной установкой необходи­мо отрегулировать положение правой (подшипниковой) опоры (рис, 3). Правую (подшипниковую) опору закрепляют на стани­не, используя струбцины. На направляющие станины устанавли­вают приспособление 1 и при помощи индикаторов 3 и 5, разме­щенных на мостике 2 приспособления, определяют параллель­ность оси ходового винта направляющим станины. Измерения производят в горизонтальной и вертикальной плоскостях у право­го и левого концов винта.

Правильно смонтированный винт вращается без осевого пе­ремещения, которое регулируется винтом 8 с контргайкой 9 (см. рис. 1), а его торец, нагруженный осевой силой, при правом и левом вращении не смещается более чем на 0,03 мм.

Винтовые механизмы в связи с наличием зазоров в сопряжени­ях винт—гайка имеют холостой ход, т.е. при повороте винта на некоторый угол гайка остается неподвижной, а следовательно, и связанный с ней исполнительный механизм также остается не­подвижным. Поскольку для нормальной работы механизма необходимо обеспечение минимального холостого хода в гайках ходо­вого винта предусматривают устройства для его регулирования. В рассматриваемой конструкции винтовой передачи регулирова­ние осуществляется за счет осевого перемещения подвижной по­лугайки. Осевое перемещение осуществляется при вращении ре­гулировочной гайки 8, установленной на наружной резьбе полу­гайки 7 (см. рис. 2).

Сборка передач винт—гайка качения.

Передача винт—гайка качения (рис. 4) обеспечивает повышенную осевую жесткость и более равномерное движение исполнительного звена механизма. Винт 10 и полугайка 4 передачи имеют резьбу специального про­филя. Между витками резьбы ходового винта и полугайки поме­щают шарики 5, которые при вращении винта перекатываются, передавая движение гайке.

Для того чтобы обеспечить циркуляцию шариков в пределах одного витка резьбы, две соседние впадины гайки соединяют спе­циальным каналом, выполненным в виде вкладыша.

Сборку передачи начинают с установки полутайки 4 на винт 10, вводя между винтом и полугайкой шарики. Шарики вводят через окно гайки, предусмотренное для установки вкладыша. После вве­дения шариков устанавливают вкладыш с каналом перебега. Затем, перемещая полугайку 4 вдоль винта, ее вводят в корпус и устанав­ливают крышку 9 с уплотнением 1, закрепляя их винтами 7. После установки полугайки 4 переходят к монтажу в корпус полугайки 3, осуществляя его в той же последовательности, что и монтаж по­лугайки 4. Регулирование зазора в винтовой передаче осуществля­ется с помощью зубчатого сектора 8 и сегмента 6, которые крепят к корпусу гайки винтами. Регулирование положения подвижной полугайки 3 относительно неподвижной 4 осуществляется после установки крышки 9 и уплотнения 1 и их закрепления на корпусе винтами 2.

Источник