Что такое ходовой винт и как он работает?

Ходовой винт — это тип механической передачи энергии, используемый в машинах для высокоточного приведения в действие. Он преобразует вращательное движение в поступательное движение. Другие названия ходового винта — силовой винт и переводной винт.

Ходовые винты иногда путают с резьбовыми стержнями. Хотя они могут выглядеть одинаково для неопытного глаза. Резьба намного тоньше, ходового винта и не может работать под такими нагрузками, под нагрузкой увеличивается риск деформации резьбы.

В этой статье мы более подробно рассмотрим различные типы ходовых винтов, их конструкцию, варианты использования, преимущества и недостатки. Итак, давайте приступим к делу.

Что такое ходовой винт?

Ходовой винт — это трансмиссионное звено, используемое в современных машинах. Он может генерировать очень большие силы с небольшим моментом, что обеспечивает большое механическое преимущество. Его можно представить как клин, обернутый вокруг цилиндрического стержня.

В таких изделиях, как винтовые домкраты и механические прессы, он используется для создания больших усилий. Они также находят применение в изделиях, требующих чрезвычайно точной передачи движения и управления, таких как линейные приводы и линейные ступени.

Поскольку площадь скользящего контакта между винтом и гайкой велика, ходовой винт имеет больше потерь на трение по сравнению с другими альтернативами, такими как зубчатые передачи и цепные передачи . Эта характеристика обычно ограничивает использование ходового винта легкими и средними нагрузками.

Как работает ходовой винт?

Ходовой винт работает одним из двух способов:

1. Вал неподвижен, и мощность подается на гайку.
2. Вал вращается и передает усилие на гайку

В первом случае гайка вращается вручную или с помощью двигателя. Это толкает гайку вдоль оси вала. В конечном итоге крутящий момент, приложенный к гайке, преобразуется в поступательное движение.

Во втором случае вращательное движение гайки ограничено и вал винта вращается. Гайка при этом перемещается вдоль оси винта. Таким образом, крутящий момент на валу винта преобразуется в поступательное движение гайки.

Компоненты ходового винта

Ходовой винт сам по себе является небольшим компонентом многих сложных узлов. Но даже простой ходовой винт можно разбить на три основных компонента/элемента. Это:

• Винтовой вал
• Резьба
• Гайка

Винтовой вал представляет собой цилиндрический стержень с резьбой или канавками по всей длине. Иногда его можно назвать стержнем ACME, опорным стержнем или стержнем с квадратной резьбой в зависимости от геометрии резьбы. Наиболее распространенными материалами, используемыми для валов ходового винта, являются углеродистая сталь, нержавеющая сталь и алюминий. Покрытия на основе PTFE часто используются в суровых условиях для обеспечения долговечности и устранения необходимости в масле и смазке.

Резьба присутствует на валу винта и гайке. Хотя это не отдельный компонент сам по себе, структура резьбы отвечает за преобразование вращательного движения в линейное движение. Наружная резьба находится в прямом контакте и зацепляется с внутренней резьбой гайки.

Гайка является довольно простым компонентом, но сама по себе не очень полезна. Как правило, она будет иметь некоторые средства, такие как резьбовые или сквозные отверстия, для соединения его с поддерживающими компонентами, такими как зажим. Зажим соединяет гайку с направляющей, ограничивая вращение гайки и допуская только линейное движение. Гайки могут быть изготовлены из пластика или бронзы для придания им самосмазывающихся свойств.

Помимо этих компонентов, для ходовых винтов могут потребоваться дополнительные детали в зависимости от функции. Например, для контроля люфта прецизионные ходовые винты оснащены нагруженными пружинами, которые создают осевую нагрузку для предотвращения непреднамеренных осевых перемещений.

Ходовой винт

Ходовой винт представляет собой довольно простой привод с небольшим количеством компонентов и простой, но эффективной конструкцией. Но инженер должен быть знаком с определенной терминологией ходовых винтов, чтобы понимать, управлять и разрабатывать продукты, в которых используются ходовые винты. Следующие термины возникают в конструкции ходового винта.

Гребень и корень

Для ходового винта верхняя часть резьбы называется гребнем. Точно так же основание резьбы, где она соединяется с валом винта, известно как корень ходового винта.

Большой, малый и средний диаметр

Больший диаметр — это расстояние от вершины резьбы до центральной оси вала, измеренное перпендикулярно оси. Внутренний диаметр — это расстояние от основания резьбы до центральной оси. Делительный диаметр — это диаметр, при котором резьба винта соприкасается с резьбой гайки.

Спираль и угол опережения

Угол, образованный между винтовой резьбой и перпендикулярной осью вала ходового винта, известен как угол винтовой линии. Больший угол винтовой линии требует большего крутящего момента для перемещения гайки, но приводит к меньшим потерям на трение, что делает установку более эффективной.

Угол опережения является дополнительным углом к ​​углу винтовой линии. Это угол между винтовой резьбой и осью вращения.

Количество заходов

Когда от системы ходового винта требуются более высокие скорости и нагрузки, вал винта может иметь более одного захода. Он может иметь один, два или четыре заходы. Винты с несколькими заходами в основном представляют собой независимые резьбы, идущие параллельно друг другу по винтовой траектории вокруг вала.

Ход винта и шаг

Ход винта — это линейное расстояние, которое проходит гайка за один оборот (360°) гайки или вала. Чем меньше шаг, тем туже резьба, что приводит к более точному линейному движению.

Шаг — это расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами, измеренное параллельно оси вращения.

Для однозаходных винтов значения шага равны. В случае нескольких заходов шаг умножается на их количество.

Типы резьбы ходового винта

Ходовые винты классифицируются на основе их геометрии резьбы. Резьба, используемая в ходовых винтах, должна иметь высокую точность, шероховатость и прочность. Три наиболее распространенных типа резьбы, используемых в ходовых винтах:

• Квадратная
• Акме
• Контрфорсная

Квадратная резьба

Квадратная резьба имеет резьбу квадратной формы, боковые стороны которой перпендикулярны оси ходового винта. Угол резьбы 0° предотвращает любое радиальное давление на компоненты и уменьшает трение между ними.

Эта конструкция также минимизирует контактную поверхность между гайкой и винтом. Таким образом, квадратная резьба имеет самые низкие потери на трение и самый высокий КПД. В результате они обеспечивают большую несущую способность при тех же размерах или требуют меньших двигателей для той же передачи нагрузки. Таким образом, квадратная резьба лучше всего подходит для передачи движения и тяжелых нагрузок.

Квадратная резьба также желательна в продуктах, которые должны быть компактными по размеру, сохраняя при этом свои функциональные требования. Тем не менее, эти резьбы являются наиболее сложными и дорогими для обработки из всех различных типов. В большинстве случаев для их изготовления требуется одноточечный режущий инструмент.

Трапецеидальная резьба ACME

Верхушечная резьба представляет собой трапециевидную резьбу с углом резьбы 29°. Он основан на имперском стандарте, но принят во всем мире.

Эта резьба была разработана как более прочная альтернатива квадратной резьбе. Из-за острого угла 90° между боковой поверхностью и корнем квадратная резьба относительно слаба у основания. Расширение основания добавляет прочности, а также облегчает обработку. Многолезвийные режущие инструменты легче использовать для обработки трапецеидальной резьбы, чем для обработки квадратной резьбы.

ACME резьбу ошибочно называют трапециевидной резьбой. Трапециевидная резьба соответствует метрическому стандарту и имеет угол резьбы 30°. Точные характеристики трапециевидной резьбы можно найти в DIN 103. 

Контрфорсная резьба

Контрфорсная резьба представляет собой резьбу треугольной формы, которая используется, когда сила должна передаваться только в одном направлении. Она имеет наклон 7° на нагруженной стороне и наклон 45° на задней стороне.

Такой крутой наклон позволяет ей нести нагрузку так же эффективно, как квадратная резьба, а задняя боковая часть добавляет дополнительную прочность благодаря более широкому основанию. Эта резьбы также очень точная и может использоваться для создания небольших точных движений в одном направлении. Контрфорсная резьба плохо работает, когда осевая нагрузка действует в другом направлении.

Примеры применения ходового винта

Ходовые винты доступны практически любого размера и, таким образом, они служат для широкого спектра применений. В повседневном использовании ходовые винты используются в таких устройствах, как принтеры, дисководы, подъемное оборудование и роботы.

В промышленности ходовые винты используются в таких машинах, как токарные станки, тиски, домкраты и станки с ЧПУ. Такие процессы, как гравировка, работа с жидкостями, хранение данных, быстрое прототипирование, 3D-печать, измерение и проверка, во многом зависят от высокоточных ходовых винтов. 

Самые маленькие имеющиеся в продаже ходовые винты могут иметь диаметр всего 0,5 мм. Но для особых случаев современные методы изготовления позволяют изготавливать ходовые винты еще меньших размеров. Эти специальные винты используются в медицинских устройствах для автоматизированной хирургии и доставки лекарств. Медицинской промышленности также требуются прецизионные ходовые винты для медицинского оборудования для визуализации, такого как рентгеновские аппараты, МРТ, IMRT, ПЭТ и компьютерные томографы.

Разница между ходовым винтом и шарико-винтовой передачей

Шарико-винтовые пары являются альтернативой ходовым винтам, выполняя аналогичные функции. Иногда их даже относят к типу ходовых винтов. Решение о том, выбрать ли шариковый или ходовой винт, может сбить с толку из-за сходства между ними.

В шарико-винтовой передаче для передачи движения используются металлические шарики в шарикоподшипниках. Вместо внутренней резьбы шариковые винты содержат шарики в гайке ходового винта. Эти шарики входят в канавки на винте и отвечают за передачу мощности и движения. Шарики имеют небольшую площадь контакта с валом ходового винта, что обеспечивает очень низкое трение. Это снижает рабочие температуры и обеспечивает высокую эффективность. ШВП также имеет более высокую точность позиционирования, скорость и параметры шага.

Основные недостатки шарико-винтовых пар заключаются в том, что они дороги, не обладают самостопорящимися свойствами и не обладают такой ударопрочностью, как ходовые винты. Как правило, они также немного крупнее ходовых винтов/

Как выбрать правильный силовой винт для вашего приложения

Прежде чем принимать решение, проектировщик должен понимать ограничения и условия эксплуатации. Этот выбор повлияет не только на дизайн продукта, но и на общую производительность системы.

Однако из-за большого разнообразия типов и размеров винтов выбор правильного может оказаться непростой задачей. Вот обзор наиболее важных характеристик силовых винтов, которые следует учитывать при выборе.

Грузоподъемность

Грузоподъемность силового винта является наиболее важным фактором в процессе выбора. Эксплуатационная нагрузка влияет на многие характеристики силового винта. Во-первых, диаметр ходового винта прямо пропорционален требуемой тяге.

Нагрузки бывают двух видов – пиковые и постоянные. Пиковая нагрузка относится к высоким силам при резком ускорении или торможении и может в пять раз превышать постоянную нагрузку. Непрерывная нагрузка представляет собой рассчитанное среднее значение (среднеквадратичное значение) и иногда применяется последовательно на всем пути перемещения гайки. Инженер должен учитывать оба значения и выбирать конструкцию, способную справиться со всеми ожидаемыми нагрузками.

Пластиковые гайки ходового винта выдерживают нагрузку до 50 кг, но могут быть рассчитаны и на нагрузку до 150 кг. С другой стороны, бронзовые гайки ходового винта могут выдерживать несколько тонн.

Скорость

Вторым по важности фактором при выборе силового винта является скорость. Скорость, с которой гайка вращается или перемещается, может контролироваться углом и диаметром ее спирали. Малый угол спирали и большой диаметр соответственно снижают линейную скорость и скорость вращения.

Низкие скорости означают низкие рабочие температуры, что исключает необходимость сокращения рабочего цикла. Рабочая скорость ограничена критической скоростью силового винта. При превышении этой критической скорости вращения (оборотов в минуту) чрезмерная вибрация вала повлияет на работу и безопасность компонентов. Обычно рекомендуется, чтобы рабочая скорость не превышала 80 % оцененной критической скорости.

Коэффициент давления-скорости

Давление-скорость или фактор PV является важным параметром, который выражает фактическую нагрузку на силовой винт. Это комбинация контактного поверхностного давления и скорости скольжения между валом винта и гайкой. Это ключевой параметр конструкции ходового винта с полимерными гайками.

По мере увеличения нагрузки необходимо снижать скорость вращения, чтобы предотвратить необратимое повреждение из-за теплоты трения. Верно и обратное: большая скорость означает меньшую доступную грузоподъемность.

Убедившись, что фактическое значение PV меньше предела PV выбранного материала.

Смазка

Смазка может быть проблемой для силовых винтов, особенно для тех, которые работают при больших нагрузках и/или высоких скоростях. Чтобы сделать соответствующий выбор в этом отношении, необходимо будет оценить условия среды обслуживания.

В средах с высокой концентрацией мусора или твердых частиц загрязненная смазка может вызвать истирание. Но смазка по-прежнему необходима для предотвращения перегрева, увеличения нагрузочной способности и увеличения срока службы.

В таких случаях один из вариантов — либо удалить жир вместе с частицами, либо повторно нанести пленку. Или используйте сухую пленочную смазку. Даже бронзовые гайки с самосмазывающимися свойствами нуждаются в демпфирующей смазке для удовлетворительной работы. Анализ среды обслуживания и функциональных требований поможет выбрать подходящий силовой винт для ваших нужд.

Помимо вышеупомянутых факторов, такие параметры, как люфт, срок службы, эффективность, точность, воспроизводимость, материал, разрешение и требуемая степень настройки, могут помочь еще больше сузить подходящий выбор при выборе ходовых винтов.

Преимущества ходовых винтов

• Ходовые винты дешевы и надежны, так как состоят всего из нескольких частей.
• Они практически не требуют обслуживания
• Плавная и тихая работа
• Способен поднимать тяжелые грузы
• Некоторые силовые винты обладают свойством самоблокировки.
• Винты с малым шагом позволяют проводить высокоточные измерения, что крайне важно в станкостроении.

Недостатки ходовых винтов

• По сравнению с другими методами механической передачи энергии ходовые винты имеют высокую скорость износа.
• Не подходит для приложений с очень высоким требованием крутящего момента
• У них относительно низкая эффективность.