Винт (простая машина)

редактировать

Анимация, показывающая работу винта. При вращении вала винта гайка гайка движется линейно вдоль вала. Этот тип называется ходовым винтом.

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

A винт представляет собой механизм, который преобразует вращательное движение в линейное движение, а

A 210>крутящий момент (вращательная сила) до линейной силы. Это одна из шести классических простых машин. Наиболее распространенная форма состоит из цилиндрического вала с спиральными канавками или выступами, называемыми резьбой по внешней стороне. 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 вал винта может вращаться через резьбовое отверстие в неподвижном объекте, либо резьбовое кольцо, такое как гайка , может вращаться вокруг неподвижного вала винта. Геометрически винт можно рассматривать как узкую наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра.

. Подобно другим простым машинам, винт может усиливать усилие; малая сила вращения (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 крепежных деталях 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, необязательно имеют вал или резьбу. Например, штопор представляет собой стержень в форме спирали с острым концом, а винт Архимеда представляет собой 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.

Содержание

1 История
2 Шаг и шаг
3 Ручка
4 Резьба винта
- 4.1 Угол резьбы
- 4.2 Типы резьбы
5 Использование
6 Расстояние перемещено
7 Механическое преимущество без трения
- 7.1 Форма крутящего момента
8 Фактическое механическое преимущество и эффективность
9 Свойство самоблокировки
10 Ссылки

История

Деревянный винт в древнеримском прессе для оливок

Винт был одним из последних изобретенных простых механизмов. Впервые он появился в Месопотамии в неоассирийский период (911-609) до н.э., а затем появился в Древнем Египте и Древней Греции.

Записи показывают, что водяной винт или винтовой насос был впервые использован в Древнем Египте, за некоторое время до того, как греческий философ Архимед описал Архимед завинтил водяной насос около 234 г. до н.э. Архимед написал самое раннее теоретическое исследование винта как машины, и считается, что он ввел винт в Древнюю Грецию. К I веку до нашей эры винт использовался в виде винтового пресса и винта Архимеда

. Греческие философы определяли винт как одну из простых машин и может рассчитать его (идеальное) механическое преимущество. Например, Герон Александрийский (52 г. н.э.) перечислил винт как один из пяти механизмов, которые могут «приводить груз в движение», определив его как наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндр, и описал его изготовление и использование, в том числе описание метчика для нарезания внутренней резьбы винта.

Поскольку их сложную спиральную форму приходилось с трудом нарезать вручную, винты использовались только в качестве рычагов в нескольких машинах в древнем мире. Винтовые зажимы начали использовать в часах только в 15 веке, после того, как были разработаны токарно-винторезные станки. Винт также, по-видимому, применялся для сверления и перемещения материалов (помимо воды) примерно в это время, когда изображения шнеков и сверл стали появляться на европейских картинах. Полная динамическая теория простых машин, включая винт, была разработана итальянским ученым Галилео Галилей в 1600 году в Le Meccaniche («О механике»).

Свинец и смола

Шаг и шаг одинаковые для однозаходных винтов, но различаются для многозаходных винтов

Тонкость или грубость резьбы винта определяется двумя тесно связанными величинами:

шагом является определяется как осевое расстояние (параллельно оси винта), на котором винт совершает один полный оборот (360 °) вала. Шаг определяет механическое преимущество винта; чем меньше шаг, тем выше механическое преимущество.
Шаг определяется как осевое расстояние между вершинами соседних резьб.

В большинстве винтов это называется «одинарным запуском» винты, которые имеют одну спиральную резьбу, намотанную вокруг них, шаг и шаг равны. Отличаются они только винтами «многозарядные», у которых несколько переплетенных резьб. В этих винтах шаг равен шагу, умноженному на количество пусков. Многозаходные винты используются, когда требуется большое линейное движение для данного вращения, например, в винтовых крышках бутылок и шариковых ручках.

Ручка

Правосторонняя и левая резьба винта

Спираль резьбы винта может закручиваться в двух возможных направлениях, что известно как вращение. Большинство резьбовых соединений ориентированы так, что, если смотреть сверху, вал винта отодвигается от наблюдателя (винт затягивается) при повороте в по часовой стрелке. Это известно как правая резьба (RH), потому что она соответствует правилу захвата правой рукой : когда пальцы правой руки согнуты вокруг вала в направлении вращения, большой палец будет указывать по направлению движения вала. Нити, ориентированные в противоположном направлении, известны как левые (LH).

По общепринятому мнению, для винтовой резьбы по умолчанию используется правосторонность. Поэтому большинство резьбовых деталей и крепежа имеют правую резьбу. Одно из объяснений того, почему правосторонняя резьба стала стандартной, заключается в том, что для правши человека затягивать правый винт с помощью отвертки легче, чем затягивать левый винт, потому что он использует более сильную супинаторную мышцу руки, а не более слабую пронатор мышцу. Поскольку большинство людей являются правшами, правая резьба стала стандартной для резьбовых креплений.

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

, где вращение вала может привести к ослаблению обычной правой гайки, а не к затяжке из-за прецессии , вызванной фреттингом. Примеры:
- Левая педаль на велосипеде.
- Левый винт, удерживающий диск циркулярной пилы или верстак. шлифовальный станок включен.
В некоторых устройствах с резьбой на обоих концах, например, стяжные муфты и съемные сегменты труб. Эти детали имеют одну правую и одну левую резьбу, поэтому при повороте детали одновременно затягиваются или ослабляются обе резьбы.
В некоторых соединениях подачи газа для предотвращения опасных неправильных соединений. 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. (что препятствует воровству), левосторонние лампочки используются на некоторых железных дорогах и станциях метро.
Говорят, что крышки гробов традиционно удерживались левыми винтами

. Винтовая резьба

В винтах различного назначения используют резьбу разной формы (профиля). Резьба винтов стандартизирована, поэтому детали разных производителей будут правильно сопрягаться.

Угол резьбы

Угол резьбы - это включенный угол, измеренный на участке, параллельном оси, 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 поверхность подшипника с угловой резьбой, когда на нее действует сила нагрузки, также прикладывает радиальную (внешнюю) силу к гайке, вызывая растягивающее напряжение. Эта радиальная сила разрыва 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.

Стандартные типы резьбовых соединений: (a) V, (b) Американская национальная, (c) Британская стандартная, (d) Square, (e) Acme, (f) Buttress, (g) Knuckle

Типы резьбы резьба

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

(a) V-образная резьба - они используются в саморезах, таких как шурупы для дерева и шурупы для листового металла, которые требуют острый край, чтобы вырезать отверстие, и там, где требуется дополнительное трение, чтобы убедиться, что винт остается неподвижным, например, в установочных винтах и регулировочных винтах, и где соединение должно быть герметичным, как в с резьбой трубные соединения.
(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.
(c) Whitworth или Британский стандарт - очень похожий британский стандарт заменен на унифицированный стандарт резьбы.

в соединениях машин, таких как ходовые винты или винтовые домкраты, напротив, трение должно быть минимизировано. Поэтому используются резьбы с меньшими углами:

(d) Квадратная резьба - это самая прочная резьба с наименьшим трением, с углом резьбы 0 °, и она не прикладывает разрывную силу к гайке. Однако его сложно изготовить, так как для этого требуется одноточечный режущий инструмент из-за необходимости подрезать края. Он используется в приложениях с высокими нагрузками, таких как винтовые домкраты и ходовые винты, но в основном был заменен резьбой Acme. Вместо этого иногда используется модифицированная квадратная резьба с небольшим углом резьбы 5 °, которая дешевле в производстве.
(e) Резьба Acme - с углом резьбы 29 ° она имеет более высокое трение, чем квадратная резьба, но проще в изготовлении и может использоваться с разрезной гайкой для регулировки на износ. Он широко используется в тисках, С-образных зажимах, клапанах, ножничных домкратах и ходовых винтах в машинах. такие как токарные станки.
(f) Резьба упора - используется в приложениях с высокими нагрузками, в которых сила нагрузки прикладывается только в одном направлении, например, винтовые домкраты. С углом поверхности подшипника 0 ° это так эффективно, как квадратный поток, но сильнее и проще в изготовлении
(г) Огузок нить -. По аналогии с квадратной резьбой, в которой углы были округлены, чтобы защитить их от повреждений, что также увеличивает трение. В применениях с низкой прочностью его можно дешево изготавливать из листового проката прокаткой. Он используется в лампочках и патронах.
(h) Метрическая резьба

Использует

A винтовой конвейер использует вращающуюся винтовую лопасть для перемещения сыпучих материалов.

Потому что благодаря своему самоблокирующемуся свойству (см. ниже) винт широко используется в резьбовых крепежных деталях для удержания предметов или материалов вместе: шурупы для дерева, шурупы для листового металла, шпилька и болт и гайка.
Самоблокирующиеся свойства также являются ключом к использованию винта в широком диапазоне других применений, таких как штопор, винтовая крышка крышка контейнера, трубка с резьбой соединение, тиски, С-образный зажим и винт домкрат.
Винты также используются в качестве рычагов в машинах для передачи мощности, в червячной передаче, ходовом винте, шариковинтовой передаче и ролике винт. Из-за их низкой эффективности винтовые соединения редко используются для передачи большой мощности, но чаще используются в маломощных, прерывистых применениях, таких как позиционирование приводов.
Вращающиеся винтовые лопасти или камеры используются для перемещения материала в винт Архимеда, буровой шнек и винтовой конвейер.
В микрометре используется прецизионный калиброванный винт для измерения длины с большой точностью.

Винтовой пропеллер , хотя он и носит название винт, работает на совершенно иных физических принципах, чем винты вышеупомянутых типов, и информация в этой статье к нему не применима.

Перемещенное расстояние

Линейное расстояние $d {\ displaystyle d \,}$ $d \,$ вал винта перемещается при его повороте на угол $α {\ displaystyle \ alpha \,}$ $\ alpha \,$ градусов:

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

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

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

Отношение расстояний простой машины определяется как отношение расстояния, на которое перемещается приложенная сила, к расстоянию, на которое перемещается нагрузка. Для винта это отношение окружного расстояния d в, когда точка на краю вала перемещается, к линейному расстоянию d out, на котором перемещается вал. Если r - радиус вала, то за один оборот точка на ободе винта перемещается на расстояние 2πr, а его вал перемещается линейно на расстояние l в упоре. Таким образом, коэффициент расстояний равен

коэффициент расстояний ≡ dindout = 2 π rl {\ displaystyle {\ t_dv {distance ratio}} \ Equiv {\ frac {d_ {in}} {d_ {out}}} = {\ frac { 2 \ pi r} {l}} \,}

{\ t_dv {соотношение расстояний}} \ экв { \ frac {d _ {{in}}} {d _ {{out}}}} = {\ frac {2 \ pi r} {l}} \,

Механическое преимущество без трения

A винтовой домкрат. Когда стержень вставляется в отверстия вверху и поворачивается, он может поднять нагрузку

механическое преимущество MA винта определяется как отношение осевой выходной силы F out прикладываемая валом к силе вращения F в, приложенной к ободу вала для его поворота. Для винта без трения (также называемого идеальным винтом) из сохранения энергии работа, выполняемая на винте входящей силой вращения, равна работе, выполняемой винт силы нагрузки:

W in = W out {\ displaystyle W_ {in} = W_ {out} \,}

W _ {{in}} = W _ {{out}} \,

Работа равна силе, умноженной на расстояние, на которое она действует, поэтому работа, выполненная за один полный оборот винта составляет $W in = 2 π r F in {\ displaystyle W_ {in} = 2 \ pi rF_ {in} \,}$ $W _ {{in}} = 2 \ pi rF _ {{in}} \,$ , а работа, выполняемая с нагрузкой, равна $W out = l F out {\ displaystyle W_ {out} = lF_ {out} \,}$ $W_ { {out}} = lF _ {{out}} \,$ . Таким образом, идеальное механическое преимущество винта равно отношению расстояний:

$MA ideal ≡ F out F in = 2 π rl {\ displaystyle \ mathrm {MA} _ {ideal} \ Equiv {\ frac {F_ {out }} {F_ {in}}} = {\ frac {2 \ pi r} {l}} \,}$ ${\ mathrm {MA}} _ {{ideal}} \ Equiv {\ frac {F _ {{out}}} {F _ {{in }}}} = {\ frac {2 \ pi r} {l}} \,$

Можно видеть, что механическое преимущество винта зависит от его шага, $l { \ Displaystyle l \,}$ $l \,$ . 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.

Форма крутящего момента

Вращающая сила, приложенная к винту, на самом деле является моментом $T in = F inr {\ displaystyle T_ {in} = F_ {in } г \,}$ $T _ {{in}} = F _ {{in }} r \,$ . По этой причине входное усилие, необходимое для поворота винта, зависит от того, на каком расстоянии от вала он приложен; 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 действует как рычаг. 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:

F out T in = 2 π l {\ displaystyle {\ frac {F_ {out}} {T_ {in}}} = {\ frac {2 \ pi} {l}} \,}

{\ frac {F _ {{out}}} {T _ {{in}}}} = {\ frac {2 \ pi} {l}} \,

Фактическое механическое преимущество и эффективность

Из-за большой площади скользящего контакта между подвижной и неподвижной резьбой винты обычно имеют большую энергию трения убытки. Даже хорошо смазанные винтовые домкраты имеют КПД всего 15% - 20%, остальная работа, выполняемая при их повороте, теряется из-за трения. С учетом трения механическое преимущество больше не равно соотношению расстояний, но также зависит от эффективности винта. Из сохранения энергии, работа Win, совершаемая над винтом входящей силой при его повороте, равна сумме работы, выполненной при перемещении груза W наружу, и работа, рассеиваемая в виде тепла за счет трения W трения в винте

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

W _ {{in}} = W _ {{out}} + W _ {{fric}} \,

КПД η - это безразмерное число от 0 до 1, определяемое как отношение выходной работы к входной

η = W out / W in {\ displaystyle \ eta = W_ {out} / W_ {in} \,}

\ eta = W _ {{out}} / W _ {{in}} \,

W out = η W in {\ displaystyle W_ {out} = \ eta W_ {in} \,}

W _ {{out}} = \ eta W _ {{in}} \,

Работа определяется как сила, умноженная на пройденное расстояние, поэтому $W in = F indin {\ displaystyle W_ {in} = F_ {in} d_ {in} \,}$ $W _ {{in}} = F _ {{in }} d _ {{in}} \,$ и $W out = F outdout {\ displaystyle W_ {out} = F_ {out} d_ {out} \,}$ $W _ {{out}} = F _ {{out}} d _ {{out}} \,$ и, следовательно,

F outdout = η F indin {\ displaystyle F_ {out} d_ {out} = \ eta F_ {in} d_ {in} \,}

F _ {{out}} d _ {{out}} = \ eta F _ {{in}} d _ {{in}} \,

F out F in = η dindout {\ displaystyle {\ frac {F_ {out}} {F_ {in}}} = \ eta {\ frac {d_ {in}} {d_ {out}}} \,}

{ \ frac {F _ {{out}}} {F _ {{in}}}} = \ eta {\ frac {d _ {{in}}} {d _ {{out}}}} \,

$MA = F out F in = η 2 π rl {\ displaystyle MA = {\ frac {F_ {out}} {F_ {in}} } = \ eta {\ frac {2 \ pi r} {l}} \,}$ $MA = {\ frac {F _ {{out}}} {F _ {{ in}}}} = \ eta {\ frac {2 \ pi r} {l}} \,$

или по крутящему моменту

F out T in = 2 π η l {\ displaystyle {\ frac {F_ {out }} {T_ {in}}} = {\ frac {2 \ pi \ eta} {l}} \ qquad \,}

{\ frac {F _ {{out}}} { T _ {{in}}}} = {\ frac {2 \ pi \ eta} {l}} \ qquad \,

Таким образом, механическое преимущество настоящего винта уменьшается по сравнению с идеальным, винт без трения по эффективности $η {\ displaystyle \ eta \,}$ $\ eta \,$ . 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.

Свойство самоблокировки

Большой 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 сила нагрузки на вал не заставит его повернуться в обратном направлении, даже если приложенный крутящий момент равен нулю. Это отличается от некоторых других простых машин, которые являются «взаимными» или «не блокируемыми», что означает, что если сила нагрузки достаточно велика, они будут двигаться назад или «ремонтировать». 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, применяя осевое усилие на валу, чтобы повернуть винт.

A толкающее сверло, один из очень немногих механизмов, в которых винт используется в «обратном» смысле для преобразования линейного движения во вращательное. Он имеет винтовую резьбу с очень большим шагом по центральному валу. Когда рукоятка опускается вниз, вал скользит в собачки в трубчатом стержне, поворачивая биту. Большинство винтов являются «самоблокирующимися», и осевое усилие на валу не поворачивает винт.

Это свойство самоблокировки является одной из причин очень широкого использования винта в резьбовых крепежных деталях, таких как шурупы для дерева, шурупы для листового металла, шпильки и болты. Затягивание крепежа путем его поворота прикладывает силу сжатия к материалам или деталям, которые скрепляются вместе, но никакая сила со стороны деталей не приведет к ослаблению затяжки винта. Это свойство также является основанием для использования винтов в крышках контейнеров с завинчивающейся крышкой, тисках, C-образных зажимах и винтовых домкратах.. Тяжелый предмет можно поднять, повернув вал домкрата, но когда вал высвобождается, он останется на той высоте, на которую он был поднят.

Винт будет самоблокирующимся тогда и только тогда, когда его эффективность $η {\ displaystyle \ eta \,}$ $\ eta \,$ ниже 50%.

η = F out / F indin / dout = F out F inl 2 π r < 0.50 {\displaystyle \eta ={\frac {F_{out}/F_{in}}{d_{in}/d_{out}}}={\frac {F_{out}}{F_{in}}}{\frac {l}{2\pi r}}<0.50\,}

\ 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 смазанная резьба с низким коэффициентом трения и достаточно большим шагом может «подвергнуться капитальному ремонту».

Ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Screw.