62. Назначение, классификация и конструкции винтовых механизмов

Винтовые механизмы используются для преобразования вращательного движения в поступательное. Для преобразования поступательного движения вовращательное эти механизмы используются редко (механизм перемещения пленки в фотоаппарате).

Достоинствами таких механизмов являются высокая точность и плавность поступательного перемещения, простота конструкции и изготовления, компактность, надежность в работе, возможности получения самотормозящей передачи и создания значительных усилий при малых перемещениях. Недостатки механизмов «винт – гайка» – большие потери на трение в винтовой паре, что обусловливает низкий КПД и повышенный износ.

Механизмы «винт – гайка» применяют для перемещения магнитных и оптических головок считывания и записи информации в дисководах ПЭВМ; перемещения координатных столов технологического оборудования при изготовлении полупроводниковых и электронных приборов; настройки волноводов; фокусировки окуляров и объективов; перемещения кареток и суппортов станков; измерительных и регулировочных устройств; рабочих органов роботов, испытательных машин и т.д.

Рис. 16.1

 

Основными элементами механизмов «винт – гайка» являются винт 1 и гайка 2 (рис. 16.1,а). Материалы винта и гайки должны обладать низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и хорошо обрабатываться.

Винт представляет собой цилиндр, на части которого нарезана резьба. Изготавливают винты обычно из сталей 45 и 50. Гайка представляет собой втулку или корпус с резьбой в отверстии (рис. 16.1,б). Для уменьшения трения скольжения гайки изготавливают из пластмасс, оловянистых бронз типа БрОЦС 6-6-3, латуни Л60 … 62. С целью уменьшения потерь на трение применяют механизмы «винт – гайка» с трением качения (рис. 16.1,в). В этой более сложной конструкции резьба заменена винтовыми канавками кругового профиля. Канавки на винте и гайке образуют замкнутую винтовую поверхность, ограничивающую полость, в которую помещаются шарики. Контакт между винтом и гайкой осуществляется посредством шариков. При вращении винта шарики увлекаются в направлении его поступательного движения, попадают в отводной канал в гайке и снова возвращаются в полость между винтом и гайкой. Коэффициент полезного действияшариковинтовых механизмов достигает значения 0,98.Рис. 16.2Простейшие винтовые механизмы могут состоять из двух  и трех звеньев. Наибольшее распространение получили трехзвенные схемы, состоящие из винта, гайки и неподвижной стойки. В зависимости от характера движения винта 1 и гайки 2 относительно стойки 3 можно выделить следующие пять основных типов винтовых механизмов (рис. 16.2,а–д):а) винт вращается (₁)  и движется поступательно (S₁), гайка неподвижна относительно стойки. В связи с высокой точностью перемещений винта данный тип механизма применяется в измерительных микрометрах,механизмах настройки. Применяется также в зажимах и прессах, обеспечивая значительные усилия при малых перемещениях;б) винт вращается (φ₁), обеспечивая линейное перемещение (S₂) гайки. Данная схема винтового механизма применяется для перемещения координатных столов технологического оборудования, в качестве ограничителей чисел оборотов вращающихся деталей приборов;в) при неподвижном винте гайка вращается (φ₂) и движется поступательно (S₂). Механизмы, в которых реализуется такая кинематическая схема, используют в устройствах, обеспечивающих грубые установочные перемещения;г) гайка вращается (φ₂), обеспечивая поступательное перемещение (S₁)винта. Данная схема механизма применяется для обеспечения предварительных установочных перемещений;д) винт имеет два участка с различным шагом резьбы. При вращении винта за счет разности его ходов в стойке и в гайке можно получить незначительные линейные перемещения последней. Механизмы такого типа называются дифференциальными. При получении точных перемещений применение дифференциальной винтовой передачи может быть предпочтительнее, чем уменьшение шага резьбы.В механизмах «винт – гайка» с трением скольжения резьба нанесена непосредственно на детали винтовой пары. Характеризуется резьба винта (гайки) следующими геометрическими параметрами (рис. 16.3): d(D) – наружный диаметр резьбы; d₁(D₁) – внутренний диаметр резьбы; d₂(D₂) – средний диаметр резьбы; р– шаг резьбы – расстояние, измеренное вдоль оси резьбы, между параллельными сторонами соседних витков; р_h –ход резьбы, для однозаходной р_h = р, а для многозаходной – р_h = zр, где z – число заходов; h – рабочая высота профиля;  – угол профиля, угол между смежными боковыми сторонами резьбы в плоскости осевого сечения;  – угол подъема резьбы, образованный касательной к винтовой линии в точке на среднем диаметре резьбы и плоскостью, перпендикулярной к оси резьбы.

  Рис. 16.4

 

На рис. 16.4 показана развертка винтовой линии винта с числом заходов z=2. Из рисунка следует, что угол   подъема винтовой линии определяется из выражения

tg  = z p/ d₂.                                               (16.1)

 

В винтовых механизмах используют цилиндрические резьбы с треугольным (метрическая), трапецеидальным и прямоугольным профилем.

Треугольная (метрическая) резьба (рис. 16.3,а) имеет профиль равностороннего треугольника с углом профиля  = 60. Для уменьшения концентрации напряжений вершины и впадины резьбы притуплены по прямой или по дуге. Радиальный зазор в резьбе делает ее негерметичной. Метрические резьбы делятся на резьбы с крупным (основным) и мелким шагом. Метрическая резьба обеспечивает лучшее направление винта или гайки в винтовых механизмах из-за малого радиального смещения по сравнению с трапецеидальной резьбой. В механизмах «винт – гайка» с шагами резьбы до 1 мм применяют только метрические резьбы из-за сложности изготовления с такими шагами ходовых резьб трапецеидального и прямоугольного профилей.

Трапецеидальная резьба (рис. 16.3,б) – основная резьба в механизмах «винт – гайка». Ее профиль – равнобокая трапеция с углом  = 30. Резьба имеет меньшие по сравнению с резьбой треугольного профиля потери на трение, больший КПД, обеспечивает высокую точность осевого перемещения ведомого звена. Широко применяется для реверсивных передач «винт – гайка».

 

Рис. 16.3

 

Прямоугольная резьба (рис. 16.3,в) с профилем в форме квадрата имеет самый высокий КПД, так как угол профиля резьбы  = 0. Резьба обладает пониженной прочностью. При износе образуются осевые зазоры, которые трудно устранить. Резьба применяется в малонагруженных передачах «винт –гайка» (перемещение головок записи и считывания информации в дисководах).

Упорная резьба (рис. 16.3,г) имеет профиль неравнобокой трапеции с углом  = 30. Рабочая сторона профиля имеет угол наклона 3, КПД этой резьбы выше, чем КПД трапецеидальной резьбы. Рекомендуется применять эту резьбу в механизмах «винт – гайка» при значительных односторонних осевых нагрузках.

Наибольшее применение в винтовых механизмах получили прямоугольные, трапецеидальные и метрические резьбы. Прямоугольную и трапецеидальную резьбы рекомендуют применять с шагом р > 1,0 мм, метрическую – в механизмах с мелкими шагами (р  1,0 мм).