Конструирование винтовых устройств

Введение

В данной расчетно-графической  работе проектируется винтовой домкрат, максимальное усилие на винте которого составляет 4 кН; осевое перемещение винта – 150 мм; тип резьбы – трапециидальная.

Целями настоящей работы являются:

• ознакомление с конструкцией винтового домкрата;
• освоение методики составления расчетных схем деталей винтовых устройств и определения их критериев работоспособности;
• освоение инженерных методов расчета и методики конструирования винтовых устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструирование винтовых устройств

Домкраты обычно предназначаются  для подъема грузов на небольшую  высоту и находят широкое применение на монтажных работах при подъемах и выверке как отдельных частей, так и целых сооружений. Домкрат устанавливают под грузом и упирают в него выдвижной частью. Высота рабочего хода домкрата невелика, поэтому подъем груза на высоту, превышающую ход домкрата, производят в несколько приемов. В этих случаях под груз подкладывают. например шпальные клетки, либо отдельные брусья или доски. Скорость подъема домкратами незначительна.

Домкраты выпускаются  с различной грузоподъемностью - от 0.5 до 300 т. и в большинстве своем имеют ручной привод.

По конструкции домкраты разделяются на реечные, винтовые и гидравлические. Целью настоящей работы является изучение устройства, принципа работы домкратов и расчета элементов винтового домкрата.

На рис. 1.1 представлена схема  винтового домкрата.

Рис. 1.1. Схема винтового  домкрата. 1 – винт; 2 – гайка; 3 –  корпус; 4 – чашка; 5 – рукоятка; 6 – поднимаемый груз.

Рабочий, прикладывая к  рукоятке 5 усилие Р_раб на расстоянии l от оси вращения, заставляет винт 1 вращаться в неподвижной гайке 2 и, преодолевая действие веса Q груза 6, поднимать его. Таким образом, гайка 2 относительно корпуса 3 неподвижна, винт 1 относительно гайки 2 – подвижен.

В резьбе на длине свинчивания l_св винта 1 и гайки 2, витки резьбы винта давят на витки резьбы гайки суммарным усилием Q и, т.к. винт вращается, на поверхностях стыка витков возникает момент сил сопротивления движению Т_р.

Чашка домкрата 4, на которой  лежит груз 6, относительно груза  неподвижна. Но, так как винт 1 вращается, в плоскости стыка «а-а» чашки 4 и головки винта   действует момент сил трения Т_оп, препятствующий движению.

   Через чашку 4  на головку винта 1 по плоскости  контакта «а-а» передается вес Q груза 6. С другой стороны, винт 1 опирается своими витками на длине свинчивания на витки резьбы гайки. Так как каждому действию есть равное и противоположно направленное противодействие, в витках резьбы гайки 2 возникает опорная реакция Q', направленная вверх и действующая на винт. Поэтому участок винта между чашкой 4 и гайкой 2 сжат. Эпюра сжимающих сил Q приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Эпюра сжимающих  сил Q.

 Для того, чтобы вращать  винт, поднимая груз, нужно преодолеть  трение на опоре Т_оп (плоскость «а-а») и сопротивление в резьбе Т_р. С этой целью рабочий с помощью рукоятки создает момент:

Т_раб = Р_раб · l ≥ Т_оп + Т_р

   Получается, что винт  нагружен, кроме сжатия, крутящим  моментом Т_оп на участке между плоскостями «а-а» и «d-d» и Т_р на участке между плоскостями  «d-d» и «m-m».

     Осевая сила, сжимающая винт, уменьшается по  мере увеличения числа витков  резьбы гайки, на которые он  опирается.   Поэтому   на   эпюре Q усилие, сжимающее винт, уменьшается на длине свинчивания l_св от максимума до нуля. Момент сопротивления в резьбе, зависящий от этого усилия, также уменьшается от максимума в плоскости «k-k» до нуля в плоскости  «m-m». Таким образом винт работает на сжатие с кручением. 

       Кроме  того,  т. к. винт-стержень, сжимаемый  продольной силой, нужно проверить  возможность потери им устойчивости  при  подъеме груза на заданную  высоту.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструирование винтов

2.1. Материалы для изготовления винтов

Винты изготавливаются из сталей марок ст.4; ст.5; сталь 35. 40. 45. Эти материалы могут применяться нормализованными, или улучшенными. При необходимости можно применять стали У10; 65Г; 40Х; 40ХН с объемной или поверхностной закалкой.

Для нашего винта мы выбираем сталь 50.

 

2.2. Определение формы  и размеров винта

По эскизу типовой конструкции  можно представить, какой формы должен быть винт и выполнить его эскиз.

Очевидно, что основной элемент  конструкции винта – стержень с резьбой. В верхней части этого стержня должна быть головка с поперечным отверстием, в которое свободно вставляется  рукоятка.

На головку винта опирается чашка. Во время работы домкрата винт вращается, а чашка нет. Чтобы чашка не соскочила с винта, из головки должна выступать ось для неё.  Эскиз винта представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Эскиз винта

Для того, чтобы чашка не потерялась при хранении домкрата на торце винта также закрепляется шайба. Но при этом чашка не должна быть жестко зафиксирована на винте. Поэтому высота оси чашки должна быть больше толщины её дна на 1,5-2мм; d_о=10…16мм.

При нарезке резьбы на винте  нужно обеспечить выход инструменту. Иначе или инструмент будет поломан, или во время работы гайка заклинится и резьба её будет повреждена.

Диаметр канавки d_к берется равным внутреннему диаметру резьбы.  Ширина канавки b_к =(2..5)мм. А размер b_п = (2…3)мм. Диаметр переходного участка d_п =d или на несколько миллиметров больше. D_г= (1,5…1,8)d – диаметр головки винта.

Основным параметром винта  является диаметр его в опасном  сечении. Опасным сечением является сечение, в котором диаметр винта  должен быть наименьшим.

Как установлено при анализе  структурной схемы, винты работают на сжатие (растяжение) и кручение. Из условия прочности по этим видам  деформаций:

;

Наименьший диаметр винта:

, мм 

где К – коэффициент, учитывающий скручивание винта;

 К=1,25…..1,35 – если винт скручивается только моментом в резьбе;

 К=1,3…..1,5 – если винт скручивается суммарным моментом в резьбе и опоре;       

  А – площадь винта в опасном сечении;     

 – допускаемое напряжение  при расчете на сжатие (растяжение);

, Мпа.

σ_Т – предел текучести, выбранного для изготовления винта материала;

n =(3..5) – коэффициент запаса прочности.

Коэффициент запаса прочности  назначается в зависимости от степени опасности последствий  отказа винта. Очевидно, что домкрата коэффициент запаса нужно взять больше. Полученное значение допускаемого напряжения нужно округлить до целого числа в меньшую сторону.

Значение d₁^’ вычисляется с точностью до сотых долей.

Если минимальным является внутренний диаметр резьбы винта и резьба по заданию стандартная, то по полученному значению d₁^’ из соответствующего стандарта подбирается такая резьба, у которой внутренний диаметр d₁ будет ближайшим большим к d₁^’.

Допускаемое напряжение равно:  

 МПа.

Наименьший диаметр винта  равен:

= 11,18 мм.  

Параметры резьбы принимаем  согласно ГОСТ 24737-81.

 

Таблица 2.1

Параметры резьбы

Номинальный диаметр резьбы d	Шаг P	Диаметр резьбы
		Наружный		средний	внутренний
		d	D	D2=d2	d1	D1
16	2	16	16,5	15	13,5	14

 

Проверка условия прочности:

условие прочности выполняется.

Если винт сжат, то при  гибкости λ≥55 его необходимо проверить  на устойчивость:

где μ – коэффициент приведения длины, учитывающий закрепление винта в опорах;

μ=1 – если оба конца винта закреплены шарнирно или один из них направляется гайкой;

μ= 2 – один конец винта свободен, второй направляется гайкой;

μ=0,5 – оба конца закреплены жестко.

Для винтов можно принимать:

 

.

Гибкость равна:

_{Условие устойчивости при  действии сжимающих  нагрузок}

;

где - допускаемое напряжение при расчете винта на сжатие;

φ – коэффициент понижения допускаемого напряжения.

Величина φ принимается по таблице 2.2 в зависимости от гибкости винта λ.

Таблица 2.2

Значение коэффициента φ  в зависимости от гибкости λ

Гибкость λ	Коэффициент φ		Гибкость λ	Коэффициент φ
	Сталь Ст.3; Ст.4; Сталь 40	Сталь Ст.5; Сталь 45; Сталь 50		Сталь Ст.3; Ст.4 Сталь 40	Сталь Ст.5; Сталь 45; Сталь 50
0	1,00	1,00	80	0,70	0,65
10	0,93	0,97	90	0,62	0,55
20	0,95	0,95	100	0,51	0,43
30	0,91	0,91	110	0,43	0,35
40	0,89	0,87	120	0,37	0,30
50	0,86	0,83	130	0,33	0,26
60	0,82	0,79	140	0,29	0,23
70	0,76	0,72	150	0,26	0,21

 

Условие устойчивости:

;

условие устойчивости выполняется.

Резьба, применяемая в  винте, должна быть самотормозящейся. Иначе, как только рабочий перестает воздействовать на  рукоятку, винт может начать вращаться в обратную сторону. Чтобы этого не случилось, должно выполняться условие:  

φ ≤ ρ';

где - угол подъёма резьбы;

P и d₂ – шаг и средний диаметр резьбы;

- приведенный угол трения в резьбе;

α – угол наклона рабочей  грани витка резьбы;

– коэффициент трения в  резьбе.

Принимаем f_min=0,1, что соответствует слабой смазке.

Угол наклона рабочей  грани α=15º, т.к. резьба трапециидальная.

Угол подъёма резьбы равен:

Приведенный угол трения в  резьбе равен:

Условие самоторможения выполняется, т.к. φ ≤ ρ'.

Чтобы завершить конструкцию  винта нужно определить его линейные размеры. Для этого нужно знать  размеры чашки, гайки и некоторых  других деталей пока ещё неизвестны.

 

3. Конструирование гаек  винтовых устройств

3.1. Форма гайки и материалы  для её изготовления

Из анализа структурной  схемы ясно, что витки резьбы винта  опираются на витки резьбы гайки  и при этом винт вращается. Гайка, чаще всего, вставляется в корпус механизма и под действием нагрузки висит на буртике. Она выполняется как отдельная деталь из антифрикционного материала. Применяются бронзы (ОФ10-1; БрОЦС 5-5-5; БрАЖ 9-4 и др.). При небольших нагрузках могут быть использованы антифрикционные чугуны (АЧС-1; АЧС-2 и др.) или серые чугуны (СЧ-15; СЧ-18).

Если нужно с гайкой связать  конструктивные элементы: рукоятки или пальцы,  гайки делают либо целиком стальные (ст.3; стали 20, 30), либо из дешевой стали выполняют корпус, в который вставляют гайку, выполненную из бронзы или чугуна.

В некоторых случаях гайки, как таковой, может вообще не быть: резьба для взаимодействия с винтом нарезается непосредственно в корпусной  детали.

Выбираем для гайки  бронзу БрО10Ф1.

 

3.2. Определение размеров  гайки

Высота гайки:       

H_г=Р·Z, мм

где Р – шаг резьбы;

Z – число витков резьбы  гайки.

Число витков резьбы определяется из расчета на смятие:

;

где А_см – площадь контакта одного витка резьбы винта и витка резьбы гайки: