Винт

(или шуруп) и гайка (Vis, Schraube, screw; ecrou, Schraubenmutter, nut). Разнообразные применения В. в прикладной механике и строительном деле обусловлены не одними только свойствами винтового движения, но и тем, что две тождественные винтовые поверхности совпадают всеми своими точками, когда совмещены их оси и еще какая-либо пара их точек. В практике употребляются В. с треугольною или квадратною нарезкою (рис. 2 и 3 табл. "Винт и Винторезные инструменты"); обыкновенно винтовая нарезка бывает "правая", т. е. В. ввинчивается в гайку, когда его вертят слева направо. "Левая" винтовая нарезка встречается очень редко; напр., берут правую и левую нарезку, когда В. должен при вращении сближать две гайки зараз, как в вагонных сцеплениях, а также на осях повозок: здесь каждое колесо своим вращением должно стремиться завернуть гайку крепче. Когда шаг В. и его подъем очень велики, винтовую нарезку делают в две, три или даже более " ниток", иначе она выходит слишком глубока, если придадут достаточную величину поверхности соприкосновения В. и Г.

Генрих Модсли (Henry Maudslay) первый много потрудился над изготовлением правильных винтов, но только в 1841 г. благодаря трудам Витворта была установлена и вошла в употребление в Англии и на континенте система винтовых нарезок, известная под его именем. В сечении, проходящем чрез ось, нарезка Витворта представляется в виде ряда равнобедренных треугольных зубцов (черт. 4) с углом при вершине γ = 55°. Кромки нарезок В. и Г. срезаны и закруглены, так что действительная глубина ее t₀ составляет только две трети той глубины t, которая получилась бы, если бы нарезки были сделаны острыми. Эта глубина t = 0,64 h, где h есть шаг В. Для квадратной нарезки делают действительную глубину равною ¹⁹/₄₀ шага, а этот последний берут вдвое больше, чем для В. с треугольной нарезкою при том же диаметре. Зависимость между диаметром d готового В. и шагом его h выражается в системе Витворта (с точностью до сотых долей мм) формулою:

h = 0,08d + 0,04 дюйма.

Система Витворта составлена для английских линейных мер, для d, возрастающих от ¹/₈ до 6 дюймов через промежутки в целые числа тридцать вторых частей дюйма; во Франции в ходу несколько своих систем, из которых система, предложенная Дюкоменом (Ducomun), начинает вытеснять другие.

В Америке в употреблении система Селлерса (Sellers, рис. 5). У Селлерса угол γ нарезок равен 60°, причем глубина t их выходит равною шагу h. Нарезки просто притуплены цилиндрическою поверхностью на одну восьмую t, т. е. действительная глубина t ₀ = ³/₄t.

h = 0,1d + 0,025 дюйма.

Благодаря более простой форме нарезок легче получить в разных мастерских винты тождественной формы по Селлерсу, чем по Витворту. Для соединения газовых труб Витворт предложил другую систему нарезок, менее глубокую, чтобы она не слишком ослабляла стенки трубок. Несмотря на выгоды одной общепринятой системы, она еще не установилась для маленьких В., употребляемых в физических приборах, телеграфных аппаратах и пр.

В кинематическом отношении движение винта в гайке вполне определяется уравнением W/ω = h/2 π, т. е. скорость W поступательного движения В. вдоль его оси так относится к угловой скорости ω его вращения, как шаг h к 2π, длине окружности радиуса, равного единице, т. е. при повороте на некоторое число оборотов или частей оборота В. подвинется относительно гайки на такое же число шагов или частей шага.

Из той же формулы явствует механическое условие равновесия сил, приложенных к винту. Назовем Q ₀ сопротивление (напр. груз, поднимаемый винтом), действующее вдоль оси В.: точка приложения этой силы проходит во время полного оборота путь, равный h, шагу В. Если сила Р, вращающая В. с постоянною скоростью, действует на плечо l, то ее точка приложения описывает путь 2πl, и можно будет написать равенство:

Q₀h = 2 πlP, или P/Q ₀ = h/2 π l

(равенство работы силы и работы сопротивления). То же соотношение между силою и сопротивлением будет существовать и при равновесии. Если сила Р ₀ приложена к самой окружности В., т. е. когда l = d/2, радиусу самой винтовой линии, то h/π d = tg α, тангенсу угла подъема В.; тогда:

P₀/Q₀ = tg α.

Как бы ни были пригнаны винты и гайка, некоторый зазор между ними необходим, иначе "гайка станет заедать" винт, трение так сильно возрастет, что винт отломится. Мертвый ход, неизбежный при зазоре, часто бывает очень вреден, особенно в измерительных приборах; при перемене направления его вращения гайка остается несколько времени неподвижною. Устранить мертвый ход можно или разрезывая гайку и заставляя ее части плотно прилегать к винту под действием достаточно сильной пружины, или же прилагая к винту вдоль его оси достаточную силу, постоянную по направлению. Первый способ можно с успехом применить только для треугольной нарезки (см. Делительная машина и Микрометры).

Не принятое здесь в расчет трение между В. и гайкою бывает очень значительным; при движении и величины сил трения, и точки приложения их будут постоянно меняться. Можно принять, что в среднем равнодействующая всех сил трения приложена в одной точке винтовой линии, проведенной на цилиндре диаметра 2r, арифметически среднего между внутренним и наружным диаметром нарезок данного винта, и что она следует общим законам трения (см. Трение). Будем искать силу Р, приложенную на том же расстоянии r от оси, как и сила трения, и уравновешивающую силу Q, действующую вдоль оси. Составляющая силы Р будет Pcosα (α есть уклон винтовой линии), составляющая сопротивления Q, направленная в обратную сторону, будет Qsinα; сила трения будет равна тангенсу угла трения, помноженному на сумму составляющих Р и Q, направленных перпендикулярно к этой касательной, т. е. будет равна tgφ (Psin α + Qcos α).

По направлению сила эта будет противоположна Pcosα, когда движение совершается в сторону действия этой силы, и одного с нею направления, если движение совершается обратно, под влиянием Q. В первом случае будем иметь:

Pcos α — tg φ (PSin α + Qcos α) — Qsin α = 0

откуда: P/Q = (sinα + tg φ cos α)/(cos α — tg α sin α) = tg(α + φ).

Это значит, что в случае перевеса силы, вращающей винт подъема α, при угле трения φ, условия равновесия будут те же, что для винта с подъемом α + φ, действующего без трения. Для движения в сторону силы, действующей вдоль оси винта, получим:

Р/Q = tg(α — φ).

Когда φ = α, P=0, движение В. не начнется от давления вдоль оси. Возможно движение под влиянием Q только при подъеме большем, чем угол трения (см. Дрель и Прессы). Обыкновенно В. приводится в движение силою Р, которая вращает его около оси; в этом случае полезное действие будет:

P₀/P = tg α /[tg(α + φ)]

В В. с треугольною нарезкою давление, производящее трение, выходит больше, чем в В. с квадратною нарезкою. Поэтому для скреплений употребляют преимущественно треугольную нарезку, а для винтов, приводящих в движение разные части машин, — предпочитают нарезку квадратную.

В небольших предметах гайки скрепляющих винтов нарезываются обыкновенно в одной из скрепляемых частей, а винт снабжается "головкой" более толстой, чем его тело, с разрезом для отвертки или дырочками для круглого стержня, которым можно завертывать винт сбоку. Иногда головка делается конической снизу, например, в обыкновенных В. для ввинчивания в дерево, или "шурупах", в котором они сами вырезывают себе гайку. В больших же машинах и сооружениях В. для скрепления употребляются почти исключительно в виде "болтов", имеющих свою отдельную гайку и проходящих через сквозные отверстия, просверленные в скрепляемых частях (рис. 6). Гайка обыкновенно делается шестигранная; если диаметр болта назовем через d, то диаметр гайки от ребра до ребра будет 1,75d + 0,4 см, а высота ее вдоль оси В. равна диаметру болта d. Головка болта делается такой же формы, как гайка, но толщиною только в ¹/₂ d. При таких размерах сила, необходимая для разрыва В., приблизительно равна силе, необходимой для сорвания нарезок, и заставит болт проскочить через гайку. Гайка завертывается плотно помощью гаечного ключа; при ключе достаточных размеров можно одним завинчиванием разорвать любой болт, в особенности для диаметров, не превышающих 2 сантим. Поэтому практики допускают для болтов гораздо меньшую нагрузку на единицу поверхности их поперечного сечения, чем в разных сооружениях из того же металла. Так называемая прочная нагрузка f для железа, подвергаемого растяжению, в обыкновенных случаях принимается в 731 килогр. на квадратный сантим. сечения; для болтов, не подвергнутых натяжению при завинчивании, f = 422 килог.; и для обыкновенных, сильно завинченных болтов, f = 280 килогр., а для болтов, соединяющих части паровых котлов и труб, которые завинчиваются изо всей силы, f принимается только в 110 кгрм. Для В. с треугольною нарезкою d=0,l39 сантим. + 1,285 . Для В. с квадратною нарезкою d=0,216 сантиметр. + 1,361 . Здесь Q — "полезное усилие", растягивающее болт, т. е. та сила, которой он должен сопротивляться сверх усилия, производимого завинчиванием гайки, выражая в килограммах, a f — прочная нагрузка в килограммах на квадратный сантиметр.