A ходовой винт (или ходовой винт ), также известный как силовой винт или винт с перемещением, является винтом, используемым в качестве рычажного механизма в машине для преобразования поворотного движения в поступательное движение. Из-за большой площади скользящего контакта между их охватываемым и охватывающим элементом элементами винтовая резьба имеет 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 в линейных приводах, машинных суппортах (например, в станках ), тисках, прессах и домкраты. Ходовые винты - распространенный компонент электрических линейных приводов.
Ходовые винты изготавливаются так же, как и другие формы резьбы (они могут быть накатанными, нарезанными или шлифованными ).
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, как в одноточечная нарезка резьбы на ручном токарном станке). Прорезная гайка также может использоваться для компенсации износа путем сжатия частей гайки.
A гидростатический ходовой винт преодолевает многие недостатки обычного ходового винта, имея высокую точность позиционирования, очень низкое трение и очень низкий износ, но требует непрерывной подачи жидкости под высоким давлением и высокой точности изготовления, что приводит к значительно большей стоимости, чем большинство других соединений с линейным перемещением.
Силовые винты классифицируются по геометрии их 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 крепежа. С другой стороны, ходовые винты предназначены для минимизации трения. Поэтому в большинстве случаев коммерческого и промышленного использования V-образной резьбы избегают для использования ходового винта. Тем не менее, V-образная резьба иногда успешно используется в качестве ходовых винтов, например, на микролатах и микромельницах.
Квадратная резьба названа в честь их квадратной геометрии. Они являются наиболее эффективными, имеют наименьшее трение, поэтому их часто используют для винтов с высокой мощностью. Но они также являются наиболее сложными для обработки и, следовательно, самыми дорогими.
Резьба Acme имеет угол резьбы 29 ° , который легче обрабатывать, чем квадратную резьбу. Они не так эффективны, как квадратные резьбы, из-за повышенного трения, вызванного углом резьбы. Резьба Acme обычно прочнее, чем резьба квадратного сечения из-за ее трапециевидного профиля резьбы, что обеспечивает большую несущую способность.
Резьба Buttress имеет треугольную форму. Они используются, когда сила нагрузки на винт прикладывается только в одном направлении. В этих случаях они так же эффективны, как и квадратная резьба, но их легче производить.
Преимущества ходового винта:
Недостатками являются то, что большинство из них не очень эффективны. Из-за низкого КПД их нельзя использовать в системах непрерывной передачи энергии. Они также имеют высокую степень трения о резьбу, что может быстро изнашивать резьбу. Для квадратной резьбы гайку необходимо заменить; для трапецеидальной резьбы разрезная гайка может использоваться для компенсации износа.
Альтернативы приведению в действие ходовым винтом включают:
Крутящий момент, необходимый для подъема или опускания груза, можно рассчитать, «развернув» один оборот резьбы. Это проще всего описать для квадратной или контрольной резьбы как угол резьбы равен 0 и не имеет отношения к расчетам. Развернутая резьба образует прямоугольный треугольник с основанием длиной и высотой ведущий (на фото справа). нагрузки направлена вниз, нормальная сила перпендикулярна гипотенузе треугольника, сила трения направлена в направлении, противоположном направлению движения (перпендикулярно нормальной силе или вдоль гипотенузы), а мнимое «усилие» «сила действует горизонтально в направлении, противоположном направлению силы трения. Используя эту диаграмму свободного тела, можно вычислить крутящий момент, необходимый для подъема или опускания груза:
Материал винта | Материал гайки | |||
---|---|---|---|---|
Сталь | 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 |
где
на основе T Из нижнего уравнения можно определить, что винт является самоблокирующимся, когда коэффициент трения больше, чем тангенс угла подъема. Эквивалентное сравнение, когда угол трения больше, чем угол опережения (). Когда это не так, винт будет двигаться назад или опускаться под весом
КПД, рассчитанный с использованием приведенных выше уравнений крутящего момента, составляет:
Для винтов с углом резьбы кроме нуля, например, трапециевидной резьбы, это необходимо компенсировать, поскольку она увеличивает силы трения. Это учитывается в приведенных ниже уравнениях:
где - половина угла резьбы.
Если ходовой винт имеет буртик, в котором действует нагрузка, то при расчетах крутящего момента также необходимо учитывать силы трения между поверхностью раздела. Для следующего уравнения предполагается, что нагрузка сосредоточена на среднем диаметре воротника (d c):
где - коэффициент трения между манжетой на нагрузке и d c - средний диаметр втулки. Для втулок, в которых используются упорные подшипники, потери на трение незначительны, и приведенное выше уравнение можно игнорировать.
Эффективность для ненулевых углов резьбы можно записать следующим образом:
Комбинация материалов | Пуск | Рабочий |
---|---|---|
Мягкая сталь / чугун | 0,17 | 0,12 |
Закаленная сталь / чугун | 0,15 | 0,09 |
Мягкая сталь / бронза | 0,10 | 0,08 |
Закаленная сталь угорь / бронза | 0,08 | 0,06 |
Материал гайки | Безопасный нагрузки (psi) | Безопасные нагрузки (бар) | Скорость (фут / мин) | Скорость (м / с) |
---|---|---|---|---|
Бронза | 2,500–3,500 psi | 170–240 бар | Низкая скорость | |
Бронза | 1600–2 500 psi | 110–170 бар | 10 fpm | 0,05 м / с |
Чугун | 1,800–2,500 psi | 120–170 бар | 8 футов в минуту | 0,04 м / с |
Бронза | 800–1400 фунтов на кв. Дюйм | 55–97 бар | 20–40 футов в минуту | 0,10–0,20 м / с |
Чугун | 600–1000 фунтов на кв. Дюйм | 41–69 бар | 20–40 футов в минуту | 0,10–0,20 м / с |
Бронза | 150–240 psi | 10–17 бар | 50 футов в минуту | 0,25 м / с |
Скорость движения ходового винта (или шариковый винт) 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 примерно
где
В качестве альтернативы можно использовать метрические единицы:
, где переменные идентичны указанным выше, но значения указаны в миллиметрах, а значение C имеет следующий вид: