Винт

Винт – это простая машина, и имеет такой же принцип действия, как и другая простая машина – клин. Винт изображен на рис.1. Винт, как машина, всегда работает в паре с навинченной на него гайкой. Для совместной работы винта и гайки используется наружная резьба винта и внутренняя резьба гайки. Когда винт вращается, благодаря резьбе, гайка начинает перемещаться вдоль продольной оси винта.

Рис.1

Для наглядного представления, как работает пара винт – гайка, рассмотрим рис.2.

Рис.2

Каждый шаг резьбы винта и гайки можно представить как прямоугольный треугольник, обвитый вокруг цилиндрического тела винта. При этом, вертикальный катет АВ – это шаг винта (расстояние, накоторое передвинется гайка, когда винт совершит полный оборот), а горизонтальный катет ВС – это длина окружности цилиндрической части винта. Она описывается формулой:

, где

r – радиус цилиндра.

Гипотенуза данного треугольника – это длина линии резьбы одного полного шага. На рис.1. отрезками АС и A1C1 изображены линии резьбы винта и гайки соответственно.

Во время вращения винта возникают следующие силы:

• силы трения между соприкасающимися резьбовыми поверхностями винта и гайки;
• силы давления этих двух тел друг на друга.

В практических расчетах силами трения пренебрегают. Это связано с сугубо практическими мероприятиями для уменьшения этих сил – высокая чистота механической обработки поверхностей и их смазка.

Рассматривают только силы взаимного давления F1 и F2 , действующие в направлении, перпендикулярном линиям соприкосновения винта и гайки АС и А1C1, равные по величине и противоположно друг другу.

При проектировании винтовых машин силы F1 и F2 раскладывают на горизонтальную и вертикальную составляющие f1 и f2. Чтобы начать вращать винт, необходимо преодолеть встречно направленную горизонтальную составляющую f2, то - есть приложить силу, большую, чем f2. При этом получим выполняющую полезную работу силу f1. В расчетах обычно задаются значением силы f1, которую нужно получить на выходе работающей винтовой машины. Из рисунка рис.2. видно, что при заданной силе f1 сила f2 уменьшается с уменьшением угла резьбы α к горизонтали. Силы f1 и f2 между собой соотносятся точно так, как соотносятся и силы, возникающие при работе клина с углом α к основанию. Аналогично клину, угол α зависит от шага и диаметра резьбы – катетов рассмотренного на рис.1. треугольника. Чем больше диаметр винта и меньше шаг его резьбы – тем меньше угол α, и следственно, приложив меньшую силу f2, получим большую полезную силу f1.

Описанный подход используется, например, при расчетах и изготовлении такого приспособления для подъема грузов, как изображенный на рис.3. домкрат.

Рис.3

Винты широко используются для соединения между собой различных деталей или частей, причем усилие, которое должно выдержать такое соединение возможно рассчитать. Также они нашли применение в разнообразных струбцинах, верстаках и другой оснастке для крепления или сжимания заготовок. В обоих случаях используется свойство винтов создавать небольшим приложенным усилием значительное давление.

Задача 1

Корпуса планшетов и смартфонов изготавливаются из прочной пластмассы и собираются на самонарезных винтах, как показано на рис.4. Такой винт, ввинчиваясь в отверстие с гладкими стенками, сам нарезает в нем резьбу, уплотняя при этом пластмассу. Такое крепление первоначально достаточно прочное, но при частом вывинчивании и повторном ввинчивании винта в пластмассу, ослабевает. Нарезанная в пластмассе резьба разрушается. Можно ли сохранить прочность резьбы при повторных соединениях в существующие отверстия?

Рис.4

Ответ: для этого достаточно перед вкручиванием разогреть винт до температуры около 70 градусов. Тепловая энергия винта размягчит пластмассу во время ввинчивания а обжимное усилие винта сформирует новую резьбу, которая после остывания опять станет прочной.