17.Червячные передачи

Червячная передача применяется для передачи движения между перекрещивающимися осями валов. Она состоит из червяка (винт) и червячного колеса (зубчатое колесо с зубьями особой формы). Представляет собой разновидность винтовой зубчатой передачи и отличается от нее тем, что число зубьев (заходов) червяка мало и контакт не точный, а линейный. Для увеличения длины контактных линий наружную поверхность червячного колеса делают вогнутой, охватывающей червяк в пределах угла 2δ ≈ 100°.Червячные передачи изобрел Архимед.

Достоинства передач:

- возможность осуществления больших передаточных чисел u = 6 … 80, а в отдельных случаях u ≈ 500

- плавность, бесшумность работы, компактность.

- возможность самоторможения.

Недостатки передач:

- низкий КПД (0,65 … 0,91)

- нагрев при непрерывной работе, что требует дополнительных устройств для охлаждения,

- необходимость применения для колес дорогих антифрикционных (обладающих низким коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью, теплопроводностью и стабильностью свойств) материалов,

- ограниченная передаваемая мощность (от долей КВТ до 200 КВТ, как правило, до 50 КВТ).

Однако благодаря своей компактности, бесшумности в работе и больших передаточных чисел, червячные передачи широко применяются в подьемно-транспортных машинах, станках, автомобилях и др. машинах, а также в качестве делительных механизмов.

КПД в червячном зацеплении определяются по зависимостям, полученным для винтов:

где: γ – угол подъема витков червяка,

φ – угол трения (f – коэффициент трения).

В зависимости то скорости скольжения , по табл. 13 находят “f” и “φ” для червячной передачи. Причем, м/c, (V₁ – окружная скорость червяка). Для малозаходных передач V_ck ≈ V₁. Значение η₃ растет с ростом угла подъема γ до величины ; при этом значении η₃ = max. При дальнейшем росте угла подъема КПД начинает падать. Обычно червячные передачи имеют углы подъема γ ≤ 27°. Общий КПД червячной передачи:

,

где: ψ_П – потери в подшипниках;

ψ_Р – потери на разбрызгивание и перемешивание масла. Обычно ψ_p ≤ 0,01 и этой величиной можно пренебречь.

КПД червячных передач ниже, чем других механических передач. Среднее значение η с учетом потерь в опорах:

Классификация червячных передач

Ведущим звеном в редукторе является червяк, ведомым – червячное колесо.

Червячные передачи различают по следующим признакам:

- по форме основного червяка – цилиндрические (рис. 18.1, а) и глобоидные (рис. 18.1, б);

а б

Рис. 17.83

- по форме боковой поверхности витка червяки разделяют на архимедовы (обозначение ZA) (рис. 18.2, а), эвольвентные (ZJ) (рис.  18.2, б), конволютные (ZN) (рис.  18.2, в), нелинейчатые с поверхностью, образованной конусом (ZK) и с вогнутым профилем витка (ZT).

- по форме профиля витков червяка – архимедовы, эвольвентные, конволютные, с вогнутым профилем;

- по расположению червяка относительно колеса с нижним, верхним и боковым расположением червяка,

- по конструктивному оформлению корпуса: открытые и закрытые,

а б в

Рис. 17.84. Типы цилиндрических червяков: архимедов (а), конволютный (б), эвольвентный (в)

- по точности изготовления: 12 степеней точности;

- по назначению: силовые с нерегулируемым и кинематические с регулируемым взаимным расположением червяка и колеса.

17.1.Эвольвентный червяк

Образуется при нарезании его витков резцом, вершина которого может быть установлена выше или ниже оси. При этом , (α = 20°). В поперечном сечении такого червяка получим эвольвенту, а в сечении плоскостями, касательными к боковой поверхности некоторого цилиндра диаметром d₀ прямолинейные образующие боковых сторон профиля витка. Боковая поверхность его витков представляет собой эвольвентную винтовую поверхность.

Архимедов червяк – образуется при нарезании его витков резцом, вершина которого установлена по оси заготовки. В поперечном сечении такого червяка получим Архимедову спираль. В сечении осевой плоскостью – прямые образующие боковых сторон профиля витка (трапецеидальный профиль в осевом сечении).

Боковая поверхность витков такого червяка представляет собой Архимедову винтовую поверхность. Архимедовы червяки широко распространены, т.к. наиболее просты в изготовлении и обеспечивают достаточно высокую точность червячной передачи.

Коволютный червяк образуется при нарезании его витков резцом, главная режущая кромка которого устанавливается перпендикулярно направлению впадины или витков червяка. В поперечном сечении червяка получим конволюту (удлиненная, или укороченная эвольвента), а в сечении плоскостью, номинальной к направлению впадины или витков – прямые линии, которые являются образующими боковых сторон профиля витков в этом сечении. Боковая поверхность витков такого червяка – представляет собой конволютную винтовую поверхность.

Стандартный (ГОСТ 2144-76) угол профиля (α) принят α = 20: у архимедовых червяков – в осевом сечении, у конголютных – в нормальном сечении к направлению впадины или витков, а у эвольвентных – в нормальном сечении косозубой рейки, сцепляющейся с червяком.

17.2.Материалы. Критерии работоспособности и расчета червячных передач

Основными причинами выхода из строя червячных передач являются поверхностные разрушения; схватывание и износ зубьев. Схватывание особенно опасно, если колесо изготовлено из твердых бронз и чугуна. Частицы материала колеса привариваются к червяку и затем усиливают износ зубьев колеса. При мягких материалах колеса схватывание имеет менее опасную форму: материал колеса (бронза) "намазывается" на червяк.

Усталостное выкрашивание наблюдается, главным образом, у колеса, выполненного из стойких против заедания бронз.

Износ зубьев увеличивается при неточном монтаже, или загрязнении, при повышенной шероховатости червяка, а также при частых пусках и остановках с плохими условиями смазки.

Изломы возникают после износа, причем, ломаются зубья колес.

Червяки в силовых передачах, как правило, выполняются из сталей:

а) цементируемых – 20Х; 12ХНЗА; 18ХГТ; 15ХФ обеспечивающих после закалки твердость HRC 56-63.

б) среднеуглеродистых – 45; 40Х; 40ХН; 35 ХГСА после поверхностной или объемной закалки; имеющих твердость HRC 45-55. В этом случае надо шлифовать и полировать червяк.

в) бронзовые – червяка: при больших диаметрах колес, выполняемых из чугуна.

Червячные колеса Венцы червячных колес выполняются из оловянистой, оловянно-никилиевых и сурьмяно-никилиевых

бронз.

Для тихоходных передач – алюминиево-железистые бронзы. При больших диаметрах колес возможно применение серого чугуна.

17.3.Расчет основных геометрических параметров червячных передач

Передаточное число (u) червячной передачи определяют исходя из условия, что за один оборот червяка червячное колесо поворачивается на число зубьев, равное числу заходов червяка:

где: n₁ – частота вращения червяка (об/мин),

n₂ – частота вращения колеса (об/мин),

Z₁ – число заходов червяка,

Z₂ – число зубьев червячного колеса.

Таким образом, передаточное число не зависит от соотношения диаметров.

ГОСТ определяет значения осевых модулей (мм):

1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20.

Допускается m = 1,5; 3; 6; 12.

ГОСТ устанавливает определенные величины межосевых расстояний α_w= 50; 63, 80, 100, 125, 140, 160, 200, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500 мм.

Геометрические расчеты червячных передач аналогичны таким расчетам зубчатых передач.

Делительный диаметр червяка (Рис. 17 .85) равен:

где: q – коэффициент диаметра червяка, выбираемый по

СТ СЭВ 267-76. Основной ряд: q = 6,3; q = 8; 10;12,5;16; 20; 25.

Дополнительный ряд: q = 7,1; 9; 11,2; 14;18; 22,4.

Допускается: q = 7; 11:12. Меньшие значения "q" рекомендуются для быстороходных передач во избежание больших окружных скоростей. Большие значения "q" применяются в передачах с большими передаточными числами, для обеспечения достаточной жесткости. Обычно для редукторов рекомендуют q = 0,4.

Рис. 17.85. Схема цилиндрического червяка

Число заходов червяка выбирается в зависимости от передаточного числа. Обычно Z₁ = 1; Z₁ = 2; Z₁ = 4. Более 4-х заходов изготовить червяк сложно. ГОСТ установил: Z₁ = 1; 2; 4.

Угол подъема витков червяка равен:

.

Высота головки h_α1 и ножки h_f1 витков:

; ,

где: h_α1 – коэффициент высоты головки,

h_f1 – коэффициент высоты ножки.

Для архимедовых червяков:

Диаметр вершин (d_α1) и диаметр впадин (d_g1):

; .

Длина (b₁) нарезанной части возрастает с увеличением Z₂ колеса:

b₁ ≥ (C₁ + C₂Z₂)m.

При Z₁ = 1 и 2; C₁ = 11; C₂ = 0,06,

При Z₁ = 4; C₁ = 12,5; C₂ = 0,09.

17.4.Червячные колеса

Червячное колесо изготавливается методом обкатки с помощью червячной фрезы, которая имеет форму и размеры червяка, поэтому сопряженный профиль колеса получается автоматически.

Минимальное число зубьев Z₂ колес во вспомогательных кинематических передачах при Z₁ = 1 принимают Z₂ = 17 , а в силовых Z₂= 26 – 28. Оптимальным в силовых передачах является Z₂= 32 – 63 , но не более 80 (Но в приводах столов бывает Z₂ = 200 – 300, а иногда 1000).

Делительный диаметр и совпадающий с ним начальный равны (Рис. 17 .86):

Средний диаметр: вершин (d_α2) и впадин (d_g2):

; .

Наибольший диаметр:

Ширина колеса при Z₁ = 1 и 2 принимается равной b₂ ≤ 0,75d_α1, при Z₁ = 4 b₂ ≤ 0,67d_α1.

Условный угол обхвата (2δ):

Рис. 17.86. Схема червячного колеса

Межосевое расстояние:

.

17.5.Силы, действующие в червячном зацеплении

Возникающую при работе червячной передачи силу нормального давления между зубьями колеса и витками резьбы червяка считают приложенной в полюсе зацепления. Разложив это нормальное (полное) усилие по трем взаимно перпендикулярным направлениям, можно найти осевое, окружное и радиальное усилия, действующие в червячном зацеплении (Рис. 17 .87).

Рис. 17.87. Силы, действующие в червячном зацеплении

Окружное усилие на червячном колесе равно осевому усилию на червяке:

P₂ = 2M₂/d₂,

где: M₂ – крутящий момент на червячном колесе,

d₂ – диаметр начальной окружности червячного колеса.