Червячное зубчатое колесо. Червячная передача
Система червячной передачи состоит из двух компонентов - колеса и самого червяка. Она необходима для того, чтобы получить вращение и передать его между перекрещивающимися валами (от одного ко второму), снижая при этом скорость и количество оборотов. Колесо работает в сцепке с червяком, который может иметь левую или правую резьбу, а также одно- или многозаходную.
Основные данные
Червяк представляет собой винт с резьбой, который передает свое вращение винтовому колесу с зубцами дугообразной формы, заставляя его вращаться.
Зубцы и витки винта находятся в сцепке. Оси валов червячного колеса перекрещиваются под прямым углом, винты пересекаются в одной плоскости и взаимно перпендикулярны.
Возможность самоторможения допускает движение только от червяка к колесу, в противном случае может начаться торможение и произойдет стопор.
Винт с режущими зубьями является червячной фрезой, которая используется в червячном колесе. Такие фрезы имеют различные классификации (по обработке, количеству заходов и т.д.).
Разновидности
Классификация червячных передач подразделяется на два вида: глобоидные зубчатые червячные колеса и цилиндрические. Глобоидный вариант требует сосредоточенного точного изготовления и повышенного внимания к охлаждению, а при изнашивании он очень тонко реагирует на смещение винта по оси. Цилиндрический вид имеет круговые цилиндры на поверхностях колеса и червяка (начальной и делительной).
Резьба червяков может иметь трапецеидеальную резьбу в осевом сечении (самый популярный тип - архимедов), такой же профиль, но в нормальном сечении (конволютные), эвольвентные (с аналогичной названию резьбой в осевом сечении) или с вогнутым профилем для максимального контакта с колесом.
Достоинства и преимущества
К преимуществам можно отнести:
- тихий и плавный ход за счет специальной сцепки;
- надежную работу;
- небольшие размеры и компактность конструкции;
- возможность редуцирования (получения больших передаточных чисел) с применением одной ступени;
- самоторможение или стопор, отсутствие возможного обратного хода;
- простота использования и изготовления червячных колес;
- невысокая стоимость относительно других редукторов (цилиндрических).
Что касается с которыми часто сравнивают червячные конструкции, к их достоинствам относят высокий коэффициент полезного действия, слабоощутимый нагрев и незначительный люфт выходного вала. Они такие же надежные и имеют высокую работоспособность, самостоятельный стопор отсутствует.
Недостатки
К главным недостаткам червячного колеса относят пониженную мощность и ограничения по ее передаче, уменьшение коэффициента полезного действия, вследствие чего невозможна передача весомых нагрузок. Также для изготовления некоторых деталей необходимо строгое соблюдение точности, использование дорогих и редких материалов, специальных смазывающих средств, а при быстром изнашивании или застревании важны качественные регулировки. К минусам могут относить и повышение температуры корпуса и нагрев в месте сцепления, увеличение люфта выходного вала при изнашивании редуктора.
Периодически возникает необходимость обратить выходной вал, не прибегая к запуску редуктора. В этой ситуации стопорение, которое считается достоинством данного типа, становится его недостатком.
Несмотря на все имеющиеся изъяны в виде повышенного выделения тепла и недостатка передачи мощности, этот вариант передачи используют в тех случаях, когда нет весомых нагрузок ударного типа. Это бюджетный и сравнительно дешевый вариант, который применяют в машиностроении, мешалках, транспортерах и на конвейерах.
Червячные передачи сравнивают с цилиндрическими, у которых также есть ряд недостатков. Они имеют низкое передаточное число с применением одной ступени.
Сфера применения
Применяются червячные передачи в качестве редуктора, с целью уменьшения количества оборотов. Такой элемент используется для автомобилей и прочего транспорта, в различных станках и кранах, машинах, при подъеме грузов.
Актуально применение колес червячной передачи в тех случаях, когда при небольших затратах требуется уменьшить вращение и ускорить крутящий момент. Червяк в каждом из этих вариантов задает движение, колесо реагирует.
Конструкция изделия
Как известно, червячное колесо - это передача, состоящая из двух звеньев: ведомого и ведущего, которые работают в сцепке. Главным является червяк в виде винта, задающий движение второму элементу - косозубому колесу. Именно по его зубьям скользят витки, располагающиеся на винте.
Все вместе это является зубчато-винтовой системой. Чаще всего червячные колеса - составные, это влияет на стоимость, понижая ее.
Червяк является ведущим, и чаще всего обратная передача нереализуема, поскольку
это может вызвать торможение редуктора. Зубья червяка представляют собой продольно-круговые витки.
Архимедовы винты - самый распространенный вид червяков в машиностроении. Этот вариант востребован и прост в изготовлении.
К стандартным вариантам червячных колес в машиностроении относят биметаллическую, бандажированную и болтовую конструкции. Первая часто встречается в серийном производстве.
Используемые материалы
Для изготовления червячного колеса используют специализированные которые препятствуют заеданию и застреванию, способствуют долгосрочной работе и стойкости к изнашиванию, влияют на коэффициент трения, снижая и уменьшая его.
В том случае, если все материалы подобраны грамотно, коэффициент полезного действия увеличивается, а трение не вызывает дополнительных затрат.
Для звеньев используют различные материалы и сплавы: для винта - сталь, особое внимание уделяя марке материала и его закалке. Чаще всего винт является цельным, совместным с валом. Периодически встречаются насадные варианты.
При изготовлении колеса применяют бронзу, а также сплавы из олова и никеля, алюминия и железа. Возможно применение чугуна, латуни для зубчатого венца. Часто колесо имеет стальную или чугунную ступицу. Отливают колеса с помощью центробежного метода.
Формы и виды
Винты подразделяются на левые и правые, в зависимости от расположения и направления витков. В первом случае винт выкручивается, выполняя движение по часовой стрелке. Во втором случае, двигаясь в том же направлении, винт вкручивается. Эти изменения можно заметить при отслеживании движения с торца винта.
Винт может иметь один или много витков (гребней), которые, в зависимости от количества, размещены на винтовой линии, располагающейся на делительном цилиндре. Это характеризует число заходов винта.
Червяк может находиться сверху, внизу или сбоку от колеса, изменяя таким образом форму передачи.
Вал червячного колеса может иметь горизонтальное или вертикальное расположение.
Также может различаться поверхность и профиль резьбы винта, при этом возможно несколько вариантов передачи, в каждом из которых свой способ нарезания (с конволютным, эвольвентным, архимедовым винтом).
Кроме того, в червячных колесах возможны различия, в зависимости от формы поверхности винта, на которой образуется его резьба (цилиндрический или глобоидный винт). Во втором случае передача обладает более высоким коэффициентом полезного действия, но является непростой при создании и выпуске, отличительная черта образования - дуга окружности. В первом варианте отличительной чертой является прямая линия, которая образует делительную поверхность.
Червячное колесо - это основная часть червячной передачи, в которую входят колесо и винт. Эти два звена являются червячной парой, которая взаимодействует друг с другом по принципу винтовой. На ее основе изготавливаются редукторы. Изделие имеет низкий коэффициент полезного действия, но является простым в изготовлении и применении.
Мы рассмотрели, что представляет собой червячное колесо, выделили основные преимущества и недостатки, указали материалы производства и сферу применения.
Червячная передача – это зубчато-винтовая передача, движение в которой осуществляется по принципу винтовой пары. Червячные передачи применяют для передачи вращательного движения между валами, у которых угол скрещива-ния осей обычно составляет 90 градусов.
Геометрические параметры червячных передач такие же, как и в цилиндрических передачах. В большинстве слу-чаев ведущим звеном является червяк, т.е. короткий винт с трапецеидальной или близкой к ней резьбой.
Для облегания тела червяка венец червячного колеса имеет зубья дугообразной формы, что увеличивает длину контактных линий в зоне зацепления.
Червячные передачи применяют при небольших и средних мощностях, обычно не превышающих 100 кВт. Приме-нение передач при больших мощностях неэкономично из-за сравнительно низкого КПД и требует специальных мер для охлаждения передачи во избежание сильного нагрева. Червячные передачи широко применяют в подъемно-транспортных машинах, троллейбусах и особенно там, где требуется высокая кинематическая точность (делительные устройства станков, механизмы наводки и т. д.). Червячные передачи для избежания перегрева предпочтительно использовать в приводах периодического (а не непрерывного) действия.
Классификация червячных передач
В зависимости от формы внешней поверхности червяка передачи бывают с цилиндрическим (а) или с глобоидным (б) червяком. Глобоидная передача имеет повышенный КПД, более высокую несущую способность, но сложна в изго-товлении и очень чувствительна к осевому смещению червяка, вызванному изнашиванием подшипников.
Ниже рассматриваются передачи с цилиндрическими червяками. В зависимости от направления линии витка червяка передачи бывают с правым и левым направлением линии вит-ка. В зависимости от числа витков (заходов резьбы) червяка передачи бывают с одновитковым или многовитковым червяком. В зависимости от расположения червяка относительно колеса передачи бывают с нижним (а), боковым (б), верх-ним (в) червяками. Чаще всего расположение червяка диктуется условием компоновки изделия.
Формы винтовой поверхности резьбы червяка
Если резец, имеющий в сечении форму трапеции, установить на станке так, чтобы верхняя плоскость А-А прохо-дила через ось червяка (положение 1), то при нарезании получится винтовая поверхность, которая в сечении, перпен-дикулярном оси червяка, даст кривую – архимедову спираль. Червя с такой винтовой поверхностью называют архи-медовым. Архимедов червяк в осевом сечении имеет прямолинейный профиль витка, аналогичный инструментальной рейке. Угол между боковыми сторонами профиля витка у стандартных червяков 2α=40°.
Если то же резец повернуть на угол подъема винтовой линии червяка ψ (положение 2) так, чтобы верхняя плос-кость резца А-А была перпендикулярна винтовой линии, то при нарезании получится винтовая поверхность, которая в сечении, перпендикулярном оси червяка, даст кривую – конволюту (удлиненная или укороченная эвольвента окружности), а червяк соответственно будет называться конволютным.
Если резец установить так, чтобы верхняя плоскость резца А-А (положение 3), смещенная на некоторую величину е, была параллельна оси червяка, то при нарезании получится винтовая поверхность, которая в сечении, перпендику-лярном оси червяка, даст кривую – эвольвенту окружности, а червяк будет называться эвольвентным. Эвольвентный червяк представляет собой цилиндрическое косозубое колесо с эвольвентным профилем и с числом зубьев, равным числу витков червяка.
Червячные передачи применяют, когда оси ведущего и ведомого валов перекрещиваются под углом 90°. Ведущим звеном (рис. 6.) является червяк, имеющий форму винта с соответствующим количеством ниток (заходов) z 1 резьбы, ведомым – сопряженное с червяком червячное колесо, зубья которого имеют дугообразную форму.
Достоинством червячных передач по сравнению с зубчатыми является возможность получить большие передаточные отношения (числа) в одной ступени, до 80 в силовых передачах и до нескольких сотен в кинематических. Червячным редукторам присущи также бесшумность в работе; высокая плавность зацепления; компактность; свойство самоторможения, заключающееся в невозможности передачи вращения от колеса к червяку, что позволяет исключать из привода тормозные устройства; надежность и простота эксплуатации.
Недостатками червячных передач являются большое относительное скольжение сопряженных поверхностей в зацеплении; большие потери на трение; малый КПД; значительный нагрев зацепляющихся элементов в силовых передачах, что требует специальных мер для дополнительного охлаждения; высокая сложность и точность изготовления и сборки.
Существуют червячные передачи с цилиндрическим и глобоидным червяком . В цилиндрической передаче начальной поверхностью червяка является цилиндр, в глобоидной – поверхность, образованная вращением дуги окружности. В глобоидных передачах не только колесо, но и червяк имеют форму глобоида; за счет большего числа зубьев, находящихся одновременно в зацеплении, нагрузочная способность их на 35 … 50% больше, чем в цилиндрических, но технология изготовления значительно сложнее. Эти передачи сложны в монтаже, чувствительны к осевым смещениям червяка, в приборостроении их не применяют.
В зависимости от формы боковой поверхности витков червяка различают цилиндрические червяки с архимедовой, конволютной и эвольвентной поверхностью. Соответствующие названия червяки и передачи получили по виду кривых, получающихся в сечении витков червяка плоскостью, перпендикулярной к его оси (спираль Архимеда, удлиненная эвольвента или конволюта, классическая эвольвента окружности). В соответствии с ГОСТ 18298-73 в документации их условно обозначают ZA, ZN и ZI. Обычно применяются передачи с архимедовым и конволютным червяком. Архимедовы червяки (рис. 7, а) в осевом сечении имеют трапецеидальный профиль с углом профиля α = 20°, теоретический торцовый профиль витков является архимедовой спиралью.
Конволютные червяки имеют прямолинейный профиль витка в плоскости, нормальной к винтовой линии (рис. 7, б). Теоретический торцовый профиль витков является удлиненной или укороченной эвольвентой. Конволютные червяки применяют обычно в многозаходных передачах.
В зависимости от направления резьбы червяка различают правозаходые и левозаходные передачи, причем передачи с правозаходными червяками имеют преимущественное распространение.
В зависимости от количества параллельных витков z 1 резьбы червяка различают одно-, двух- и четырехзаходные передачи. Передачи с z 1 = 3 используют только как специальные.
По расположению оси червяка в пространстве различают передачи с горизонтальной и вертикальной осью червяка.
Исходными данными для геометрического расчета элементов червяка и червячного колеса являются: модуль зацепления m , передаточное отношение (число) i (u ), число витков (заходов) z 1 червяка и коэффициент q диаметра червяка.
В осевом сечении витки червяка имеют форму зубчатой рейки со стандартным модулем m. Для нормальной работы необходимо, чтобы осевой шаг р = πm червяка и окружной шаг червячного колеса были равны.
Значения параметров m и q назначаются в зависимости от заданных при проектировании условий. Приведем рекомендуемый стандартом ряд модулей для червячных передач в миллиметрах: 0,20; 0,25; 0,315; 0,40; 0,50; 0,63; 0,80; 1,0; 1,25; 1,60; 2,0; 2,25; 2,5; 2,75; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0.
Коэффициент q характеризует число модулей, содержащихся в делительном диаметре d 1 червяка (q = d 1 /m). Рекомендуется следующий ряд значений коэффициентаq диаметра червяка: 6,3; 8,0; 10; 12,5; 16; 20;25. В случае недостаточной жесткости червяка, что характерно для мелкомодульных передач, увеличивают q ; для получения высокого КПД стремятся принимать наименьшие значения q . Рекомендуют принимать: q = 25 при m ≤ 0,8; q = (20; 25) при m = 1,0; q = (12,5; 16; 20) при m = 1,25. Для приборных передач принимают q = 16 … 25, для силовых – по ГОСТ 2144-93.
Передаточное отношение назначают по заданным условиям, учитывая, что посредством одноступенчатой червячной передачи можно получить передаточное число u в кинематических передачах до 300 и более, в силовых – до 80. Передаточное отношение может быть как целым, так и дробным. За один оборот червяка с числом заходов z 1 червячное колесо повернется на то же число зубьев, поэтому i = u = z 2 /z 1 .
При малых значениях передаточного отношения применяют многозаходные червяки, а при больших передаточных отношениях в целях снижения размеров передачи принимают z 1 = 1 – 2. Отметим, что с увеличением величины z 1 снижается точность передачи и увеличивается КПД. Геометрические размеры червяка следующие: делительный диаметр d 1 = mq; диаметр вершин витков d a 1 = d 1 + 2m; высота головки витка h a 1 = m; высота ножки витка h f 1 = 1,2m; высота витка h 1 = 2,2m; длина нарезанной части червяка b 1 ≥ (11 + 0,06z 2)m.
Рассмотрим соотношение между геометрическими параметрами червяка (рис. 8). Развернем на плоскость делительный цилиндр диаметром d 1 , разрезав его вдоль образующей. Нить резьбы займет положение гипотенузы ОВ 1 треугольника ОВВ 1 .Горизонтальный катет равен развертке окружности диаметра d 1 (ОВ = πd 1). Угол подъема γ линии витка резьбы червяка равен
tgγ = S 1 /πd 1 = pz 1 /πmq = πmz 1 /πmq = z 1 /q, (2)
где р – осевой шаг червяка; S 1 = z 1 p – ход резьбы червяка. От угла γ зависит КПД передачи, обычно γ = 2 … 26°. Величину КПД при ведущем червяке определяют по формуле
η = [(0,95 … 0,97)tgγ]/, (3)
где φ = arctgf – приведенный угол трения, соответствующий коэффициенту f трения скольжения. При предварительных расчетах считают, что f = 0,05 … 0,1, а φ = 3 … 5°. Тогда среднее значение КПД можно принимать при однозаходном червяке 0,7 … 0,75, при двухзаходном 0,75 … 0,8, при четырехзаходном 0,83 … 0,92. У самотормозящей червячной передачи угол подъема витка червяка должен быть меньше угла трения, т.е. γ < φ. При этом КПД меньше 0,5.
Червячное колесо имеет вогнутую форму и охватывает червяк, как гайка винт, по дуге с углом охвата 2δ = 60 … 110° (см. рис. 6). При этом получается линейный контакт между зубьями колеса и витками червяка. Минимальное число зубьев червячного колеса z 2 min определяется из условия отсутствия подрезания. В силовых передачах рекомендуется принимать z 2 min = 28, в кинематических передачах – z 2 min = 18 – 20. В однозаходных передачах червячные колеса могут иметь любое число зубьев в пределах z 2 = 28 … 500.
Размеры червячного колеса следующие: диаметр делительной окружности в средней по ширине венца плоскости d 2 = m∙z 2 ; диаметр вершин зубьев d a 2 = d 2 + 2m; высота головки зуба h a 2 = m; высота ножки зуба
h f 2 = 1,2m; высота зуба h 2 = 2,2m; ширина венца колеса при числе заходов червяка z 1 =1 – 2 равна b 2 ≤ 0,75 d a 1 . Межосевое расстояние червячной передачи a = 0,5(z 2 + q)m.
Червяки выполняются конструктивно как одно целое с валом (вал-червяк) или отдельно с последующей установкой на валике и закреплением ступицы червяка штифтом, шпоночным соединением. Изготавливают червяки из конструкционных углеродистых или легированных сталей 40; 45; 50; 40Х, термически обработанных до высокой твердости.
Желание понизить тепловыделение заставляет применять для зубьев колес материалы, отличающиеся низкими значениями коэффициента трения скольжения: бронзы БрОФ10-1; БрАЖ9-4; текстолит, термопласты. Червячные колеса с диаметром свыше 50 мм часто делают сборными (рис. 6). Стальная ступица 2 и бронзовый обод 1 соединяются винтами 3 или штифтами, запрессовкой. Нарезание зубьев таких колес производят в собранном виде. Крепление червячных колес на валиках производят с помощью штифтов, шпонок.
ЛИТЕРАТУРА
Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: – Высш. шк., 2001. – 480 с.
Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. – Мн.: БГУИР, 2004. – 292 с.
Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1999. – 415 с.
20. Червячные передачи: общие сведения, достоинства и недостатки.
Червячные передачи применяют при необходимости передачи движения между перекрещивающимися (как правило взаимно перпендикулярными) валами. При вращении червяка его витки плавно входят в зацепление с зубьями колеса и приводят его во вращение. Передачи используют в станках, автомобилях, подъемно-транспортных и других машинах.
12.2. Достоинства и недостатки червячных передач
Достоинства :
возможность получения большого передаточного числа в одной ступени;
плавность и малошумность работы;
повышенная кинематическая точность.
Недостатки:
низкий КПД;
необходимость изготовления зубьев колеса из дорогих антифрикционных материалов;
повышенные требования к точности сборки, необходимость регулировки;
необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода.
21. Кинематические и силовые соотношения архимедовых червячных передач.
В цилиндрических червячных передачах с архимедовыми червяками осевой шаг нарезки червяка р и шаг зубьев червячного колеса равны между собой (рис. 5):
Расстояние, измеренное между одноименными поверхностями двух соседних гребней нарезки червяка, называют расчетным шагом нарезки червяка.
Многозаходные червяки характеризуются еще и ходом р z , причем р z = рz 1 ,
где z 1 - число витков червяка; т - расчетный модуль.
Расстояние, измеренное между одноименными поверхностями двух соседних гребней, принадлежащих общей винтовой линии нарезки червяка, называют ходом витка червяка.
В осевом сечении витки червяка представляют собой рейку. За один оборот червяк смещает колесо на величину хода нарезки р z . Окружная скорость на начальной (делительной) окружности червячного колеса равна линейной скорости v 1 движения витков червяка в осевом направлении. Поэтому за каждый оборот червяка червячное колесо поворачивается на число зубьев, равное числу витков червяка, т.е. v 1 = п 1 𝜋т z 1 и v 2 = п 2 𝜋т z 2 . При v 1 =v 2 получаем n 1 z 1 = n 2 z 2 или ω 1 z 1 = ω 2 z 2 .
Тогда передаточное число червячной передачи
где n 1 – частота вращения червяка (об/мин),
n 2 – частота вращения червячного колеса (об/мин),
z 2 - число зубьев колеса червячной передачи,
z 1 - число заходов червяка,
ω 1 – угловая скорость червяка (рад/с),
ω 2 – угловая скорость червячного колеса (рад/с).
Таким образом, передаточное число червячной передачи равно отношению числа зубьев червячного колеса к числу заходов червяка, т.е. за каждый оборот червяка колесо поворачивается на число зубьев, равное числу заходов червяка. Таким образом, передаточное число не зависит от соотношения диаметров.
22. Критерии работоспособности и особенности расчета червячных передач.
В червячной передаче имеет место молекулярно-механическое изнашивание. При больших контактных напряжениях или удельных давлениях происходит разрушение защитных плёнок и пластическое деформирование, в результате силы молекулярного сцепления приводят к схватыванию. Процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания в технике называется заеданием . Ускоренное повышение температуры во время схватывания прямо пропорционально скорости скольжения, коэффициенту трения, контактному напряжению, а также обратно пропорционально суммарной скорости контактирующих точек относительно зоны контакта и приведённому радиусу кривизны.
Работоспособность червячной передачи ограничивается:
1) стойкостью рабочих поверхностей зубьев;
2) изгибной прочностью зубьев;
3) предельной допустимой температурой масла или корпуса;
4) прочностью и жесткостью червяка.
В червячной паре менее прочным элементом является зуб колеса, для которого возможны все виды разрушений и повреждений, встречающиеся в зубчатых передачах.
Виды разрушений зубьев:
- заедание; особо опасно при колесах из твердых безоловянистых бронз и чугуна. Слабой формой заедания является намазывание витков червяка бронзой (сечение зуба постепенно уменьшается, но передача продолжает работать еще длительное время), а опасной формой – задир контактирующихся поверхностей в виде борозд параллельно скорости скольжения с последующим катастрофическим изнашиванием и повреждением зубьев колеса частицами, приварившимися к виткам червяка. Этот вид разрушения зубьев встречается наиболее часто в передачах с колесами из безоловянных бронз (алюминиевых) и серых чугунов. Для предупреждения заедания рекомендуют тщательно обрабатывать поверхности витков и зубьев, применять материалы с высокими антифрикционными свойствами, применять масла с противоизносными и противозадирными присадками (И-Г-С-220, И-Т-С-320, И-Т-Д-100).
- усталостное выкрашивание; в передачах с колесами из оловянных бронз (мягкие материалы) наиболее опасно усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев колеса.
- изнашивание зубьев; происходит по той же причине, что и заедание, а также при ухудшении условий смазывания (загрязнении смазочного материала), точности монтажа, длительной работе с частыми пусками и остановками передачи, а также от значений контактных напряжений;
- изломы зубьев колеса; наблюдаются после их изнашивания, чаще при наличии динамических нагрузок.
Наиболее часто наблюдается изнашивание и заедание, однако, достоверных методов расчета этих явлений до сих пор нет, поэтому расчеты производят на усталостное выкрашивание и изломы зубьев колеса по напряжениям изгиба и контактным напряжениям.
К эксплутационным требованиям червячной пары можно отнести: показатели надёжности, износостойкости, сопротивление усталости, контактную жёсткость, виброустойчивость, коррозионную стойкость и прочность сцепления покрытий. Например, хромирование витков червяка существенно повышает стойкость к заеданию и износу червячной пары. В этих кинематических парах отношение скорости скольжения к суммарной скорости больше единицы, поэтому наилучшие результаты достигаются сочетанием высокотвёрдой поверхности витка с антифрикционным венцом колеса. Обеспечение этих свойств и качеств технологическими методами связано с показателями геометрического и физико-термического характера. Качество деталей по прочности размеров, шероховатость и микронеровность соприкасающихся поверхностей влияют на износостойкость. Например, важно среднее арифметическое отклонение профиля, средний шаг неровностей профиля по средней линии, относительная опорная длина профиля. Поверхностный слой любой детали отличается от основного материала и представляет собой своеобразный композит. Поверхностной твёрдости добиваются созданием защитных оксидных плёнок, легированием, ионной имплантацией.
Одной из причин повышенного изнашивания зубьев червячного колеса (и заедания) является скольжение витков червяка по зубьям червячного колеса при отсутствии разделяющей их масляной пленки. В червячной передаче, в отличие от зубчатой, окружные скорости витков червяка v 1 и зубьев червячного колеса v 2 (рис. 7) различны как по величине, так и по направлению. Витки червяка при его вращении получают скорость v 1 , направленную по касательной к его начальной окружности, а зубья червячного колеса движутся совместно с винтовой линией параллельно оси червяка со скоростью v 2 . За один оборот червяка червячное колесо повернется на угол, охватывающий число зубьев колеса, равное числу заходов червяка.
Скорость скольжения направлена по касательной к винтовой линии делительного диаметра червяка d 1 и определяется из параллелограмма скоростей (см. рис. 7):
где v 1 =0,5ω 1 d 1 10 -3 и v 2 = 0,5ω 2 d 2 10 -3 - окружные скорости червяка и колеса, м/с; d 1 - делительные диаметры червяка, мм; - угловая скорость червяка, рад/с; γ - угол подъема витка червяка на делительном цилиндре.
Таким образом, скорость скольжения витков червяка по зубьям червячного колеса является наибольшей по сравнению с тангенциальными скоростями движения витков червяка v 1 и зубьев червячного колеса v 2 . В этом состоит коренное отличие червячной передачи от зубчатой, у которой скорость скольжения значительно меньше окружной скорости.
При работе передачи контактные линии перемещаются относительно витков червяка и зубьев колеса. Угол наклона контактных линий к вектору скорости скольжения имеет большое значение для работоспособности червячной передачи, т.к. от этого угла зависит характер трения. Если угол наклона контактных линий к вектору скорости скольжения мал, то условия для гидродинамической смазки неблагоприятны, т.к. слой смазочного материала течет вдоль линий контакта и масляный клин не способен создать подъемную силу, чтобы предотвратить соприкосновение трущихся поверхностей, следовательно, в этом случае будет полужидкостное трение.
Если скорость скольжения направлена поперек линии контакта, то возникает режим жидкостного трения. Это реализуется у глобоидных передач. Поэтому их нагрузочная способность в 1,5 раза выше, чем цилиндрических передач с червяками, витки которых очерчены линейными поверхностями. Близкими к глобоидным по нагрузочной способности являются червячные цилиндрические передачи с вогнутым профилем витков червяка.
Большая скорость скольжения и трение служат причиной низкого к.п.д. червячных передач, их повышенного износа и склонности к заеданию.
Червячные передачи
Общие сведения. У червячных передач оси валов перекрещиваются. Обычно угол перекрещивания равен 90°. Червячная передача состоит из червяка с числом витков и червячного колеса с числом зубьев (рис. 4.44). Червяк имеет форму, похожую на винт с трапецеидальной резьбой. Зубья червячного колеса имеют форму дуги, что обеспечивает
больший охват тела червяка и увеличивает длину контактных линий.
Преимущества, возможность получения больших передаточных отношений в одной паре; плавность и бесшумность работы; высокая точность; возможность самоторможения (необратимость вращения).
Недостатки : большие потери на трение, низкий КПД; необходимость изготовления колеса из качественных дорогостоящих бронз; высокая интенсивность изнашивания.
Червячные передачи широко применяются в станках, грузоподъемных устройствах и на транспорте. Обычно ведущим звеном является червяк, а ведомым – колесо.
Материалы червяка и колеса должны образовывать антифрикционную пару (низкий коэффициент трения, высокая износостойкость, стойкость против заедания). При правильном выборе материалов уменьшаются потери на трение и повышается КПД. Обычно используют стальной червяк и бронзовое колесо. Реже делается чугунное колесо. Червяки для силовых передач изготавливают из углеродистых и легированных сталей 15ХА, 20ХА, 12ХНЗА с последующей цементацией и закалкой до твердости поверхностного слоя 56–63 HRC, а из сталей 45, 40ХН, 30ХГС – с закалкой до твердости 45–55 IIRCэ. Для изготовления червячных колес используют бронзы оловянистые БрΟ10Φ1 и безоловянистые БрАЭЖЗ (при малых скоростях скольжения м/с).
Кинематика, геометрия и КПД червячных передач. Передаточное число червячной передачи
где – частота вращения червяка и червячного колеса; – число заходов червяка и зубьев колеса.
В червячной передаче начальные цилиндры не обкатываются, а скользят. Поэтому передаточное число и не может выражаться через и . При определении учитывают, что за один оборот червяк взаимодействует с колесом как шестерня с числом зубьев, равным числу заходов . Обычно силовые червячные передачи бывают с передаточным числом . В соответствии с ГОСТом используют червяки с числом заходов
Рис. 4.44
Рис. 4.45
В зависимости от формы профиля витков различают архимедовы, конволютные и эвольвентные червяки. Архимедовы червяки (рис. 4.45, а) имеют трапецеидальный профиль в осевом сечении, а в торцевом витки очерчены архимедовой спиралью. Они просты в изготовлении, но их обычно не шлифуют. Твердость материала для их изготовления не более 350 НВ. Конволютные червяки (рис. 4.45, б) имеют прямолинейный профиль зуба в нормальном сечении. Линия NN определяет положение режущей кромки резца.Эвольвентные червяки (рис. 4.45, в) имеют профиль зуба в торцевом сечении в виде эвольвенты. Эти червяки лучше других шлифуются, поэтому для их изготовления можно использовать материал с твердостью рабочей поверхности 45 HRCэ и более.
Червячные колеса нарезаются червячными фрезами, форма которых аналогична червяку, но с режущими кромками. При этом получается необходимый профиль червячного колеса. Для уменьшения номенклатуры инструмента стандартизируют коэффициент диаметра червяка q.
На рис. 4.46 приведена схема червячной передачи, где – угол профиля червяка (у архимедовых червяков в осевом сечении, а у конволютных и эвольвентных – в нормальном сечении).
Высота зуба у архимедовых и конволютных червяков(– модуль осевой у червяка и торцевой – у колеса); высота головок витка червяка и зуба червячного колеса ; высота ножек витка червяка и зуба червячного колеса
Делительный диаметр червяка, где коэффициент диаметра червяка. При выборенужно учитывать, что с его увеличением уменьшаетсяи снижается КПД, а уменьшение q снижает изгибную прочность червяка. Коэффициент q должен быть не менее
Диаметры вершин и впадин червяка
Рис. 4.46
Основные геометрические параметры червячного колеса задают в среднем сечении:
Делительный диаметр червячного колеса:;
Диаметры вершин и впадин червячного колеса:
Наибольший диаметр колеса:
Межосевое расстояние:
– угол обхвата колеса;– дуговая ширина зуба;– ширина колеса;при при
Угол подъема витка червяка, равный углу наклона зубьев колеса:
где– шаг;– число заходов червяка.
При работе червячной передачи в зоне контакта возникает скольжение с большими скоростями, что вызывает снижение КПД, изнашивание и заедание. Скорость скольжения v s направлена по касательной к витку червяка:
где– окружная скорость вращения червяка; – угол подъема витка червяка (см. рис. 4.45, в). У червяка с одним заходом
Способность передачи передавать движение от ведущего звена к ведомому, а при приложении внешней нагрузки к ведомому звену фиксировать его положение, не давая ему возможности двигаться, называетсясамоторможеннем ил и необратимостью движения. В червячной передаче необратимость движения возникает, когда при приложении нагрузки к червячному колесу движение не происходит. Самоторможение в червячной передаче связано с трением скольжения. При ведущем червяке КПД червячной передачи можно приближенно определить как для передачи винт-гайка:
где – приведенный угол трения, – приведенный коэффициент трения (зависит от шероховатости трущихся поверхностей, относительной скорости скольжения витка червяка и колеса, качества смазочного материала). Для стального червяка и бронзового колесапри м/с; при м/с; при м/с.
Самоторможение возможно при, когда угол наклона витка червяка мал,. В этом случае потери от трения увеличиваются и значительно снижается KПД (). Передачи большой мощности нельзя делать с одним заходом () из-за малого КПД и большого нагрева. У несамотормозящихся червячных передач КПД до. С увел и чем нему до 27° КПД передачи растет. Ориентировочно для предварительных расчетов несамотормозящих передач можно принимать КПД равным при при при .
Силы в червячном зацеплении. В зацеплении червячной пары полную силу можно разложить на три составляющие (рис. 4.47):
Окружная сила на колесе, равная осевой силе на червяке:
Окружная сила на червяке, равнаяосевой силе на колесе:
Радиальная сила, где– угол профиля
Рис. 4.47
в осевом сечении червяка; – вращающие моменты на червяке и колесе.
Окружная сила па ведущем червяке направлена против вращения, а на червячном колесе – по вращению.
Расчет зубьев червячного колеса на прочность. Основной вид разрушения червячных передач связан с разрушением поверхности и износом бронзовых зубьев червячных колес. Вероятность поломки зуба меньше, и расчет их на из- гибиую прочность проводится как проверочный.
Аналогично цилиндрическим передачам зубья червячных колес проверяют на контактную и изгибную прочность. Расчет витков стального червяка не проводится, гак как они обладают большей прочностью, чем бронзовые зубья червячного колеса. Для таких червячных передач с из формулы Герца получено выражение для проверочных расчетов на контактную прочность:
(4.66)
где– вращающий расчетный момент на червячном колесе, II ∙ м.
Допускаемые контактные напряжения для оловянистой бронзы БрОЮФ1 МПа.
Из формулы (4.66) получено выражение для проектных расчетов:
Проверочный расчет зубьев червячного колеса на изгиб проводят по формуле
(4.67)
где – удельная окружная расчетная сила, Н/мм; – коэффициент формы зуба червячного колеса (см. выражения (4.39)), где – число зубьев эквивалентного колеса. Допускаемые изгибные напряжения для бронз МПа.
Червячное колесо рассчитывают по параметрам эквивалентного прямозубого цилиндрического колеса, у которого длина зуба равна дуговой ширине зуба червячного колеса по делительной окружности. Тело червяка проверяется на прочность и жесткость как стержень переменного сечения.
При работе червячной передачи, особенно с низким КПД, большая часть потерь мощности на трение приводит к выделению теплоты. Для удовлетворения условий теплового баланса (устранения перегрева редуктора) увеличивают охлаждающую поверхность корпуса, вводя ребра, или дополнительно используют охлаждение (обдув вентилятором, использование циркулирующей среды и др.). Для выявления возможности перегрева делается тепловой расчет, а при необходимости проводятся мероприятия, обеспечивающие нормальную работу червячной передачи, исключающие ее перегрев.
Червячные редукторы. Обычно используются редукторы с корпусом из чугуна или стали. В последнее время по-
Рис. 4.48
явились червячные редукторы, корпус которых изготавливают из алюминиевого сплава (например, из АЛЗ).
В зависимости от компоновки используются редукторы с нижним и верхним, горизонтальным и вертикальным расположением червяка. Верхнее расположение применяют при окружной скорости червяка м/с. У червячных редукторов должна быть предусмотрена возможность осевой регулировки колеса для обеспечения хорошего контакта витка червяка с зубом колеса. При больших размерах червячного зубчатого колеса его делают составным – центральную часть из стали или чугуна и обод с зубчатым венцом из бронзы. Червячный редуктор с радиальной сборкой и горизонтальным расположением червяка приведен (в разных проекциях) на рис. 4.48, где 1 – червяк, 2 – составное червячное колесо. Предусмотрена регулировка положения червячного колеса с помощью колец К. Выпускаются универсальные редукторы, у которых предусмотрены три плоскости для его установки, и соответственно червяк может быть с верхним или нижним, горизонтальным или вертикальным расположением.
